南阳膨胀土中裂隙的特征.doc

南阳盆地膨胀土裂隙的特征龚福洪，蔡耀军，刘特洪（长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，武汉 430010）摘 要 本文在南水北调中线工程总干渠多年勘察研究的基础上，总结了南阳盆地膨胀土裂隙的类型、基本特征以及开挖边坡浅层裂隙的发展趋势及其对边坡稳定性的影响。关键词 膨胀土；裂隙；边坡The Characteristic of expansive soil crack in NanyangGong Fu-hong, Cai Yao-jun, Liu Te-hong(Yangtze Institute of Investigation,Planning,Design and Research, Wuhan, Hubei, 430010, China)Abstract: The type and the basic features of the expansive soil crack are evaluated according to the exploration of the South-to-North water diversion project, and the fissure development at the excavation slope and its influence to the slope stability are evaluated also in the paper.Key words: expansive soil; crack; slope50 引 言南水北调中线工程总干渠将穿过南阳盆地，本段渠线长156km，其中132km渠线经过南阳盆地膨胀土地区。膨胀土渠道边坡的稳定问题是该工程中一个重要的研究课题，而膨胀土中的裂隙对土体的影响极大，一是破坏了土体的完整性，二是在大气降水或渠道输水时，为水渗入坡体提供了便利通道，使水快速入渗，造成裂隙带土体迅速软化，大大降低了土体包括裂隙面的抗剪强度，使土体容易沿裂隙面滑动，裂隙是影响膨胀土边坡稳定性的关键因素，因此勘察中专门对膨胀土裂隙的特征进行调查研究，从而为深入研究膨胀土的物理力学性质，较好地解决膨胀土边坡的稳定问题提供更详实的基础资料。1 南阳膨胀土的基本特性南阳盆地段总干渠穿过的膨胀土可分为如下四类：（1）第四系下更新统（Q1）棕红色粘性土和中更新统（Q2）灰白色粘土。Q1为洪积、残积土，分布于盆地西部边缘，土中胶粒含量26%34%，粘土矿物中蒙脱石占43%，伊利石占7%，高岭石占6%，液限40.3%59.1%，塑性指数15.521.4，自由膨胀率74.8%113.0%，具中强膨胀性，裂隙很发育。Q2为冲-洪积土，土中胶粒含量24%43%，粘土矿物中蒙脱石占42%55%，伊利石占5%13%，高岭石占6%1，液限45.2%75.0%，塑性指数21.929.7，自由膨胀率70%158%，平均95%，具中强膨胀性，超固结比OCR=710，为强超固结土，土中裂隙很发育。（2）第四系中更新统（Q2）的棕黄色粉质粘土或粘土，为冲-洪积土，广泛分布于盆地中部平原和岗地，土中胶粒含量22%36%，粘土矿物中伊利石占31%35%，蒙脱石占16%22%，高岭石含量8%1，液限38.1%51.4%，塑性指数18.223.2，自由膨胀率56%90%，一般具有中等膨胀性，局部为弱膨胀性，超固结比OCR=710，为强超固结土，土中裂隙发育。（3）第四系上更新统（Q3）灰褐色、黄褐色粉质粘土，为冲-湖积土，分布于河流二级阶地，土中胶粒含量16%29%，粘土矿物中伊利石占17%32%，蒙脱石占15%17%，高岭石占8%10%1，液限37.8%52.3%，塑性指数16.528.3，自由膨胀率33%77%，平均46%，一般具弱膨胀性，局部为中等膨胀性，为弱超固结土，近地表陡倾角裂隙较发育，深部裂隙一般不发育。2 南阳膨胀土裂隙的特征2.1 裂隙的类型膨胀土裂隙依据裂隙宽度和发育规模可分为隐微裂隙、可见裂隙与大裂隙等。其中隐微裂隙结构细微，肉眼不可见或不能明辨其轮廓；大裂隙的宽度和深度较大，隙宽可达数厘米，长可达数米，主要由构造因素、应力卸荷等原因形成；可见裂隙介于这两者之间，宽度一般几毫米，长度多1m左右。膨胀土裂隙还可依据是否受到外来因素的影响分为原生裂隙、次生裂隙和构造裂隙三类。原生裂隙是土沉积过程中形成的裂隙，为隐蔽的闭合裂隙。次生裂隙是土体受风化作用、卸荷作用和地下水活动所产生的裂隙，按生成机理分为胀缩裂隙，卸荷裂隙、滑坡裂隙等。胀缩裂隙主要是由于土中含有大量具胀缩性的蒙脱石、伊利石等粘土矿物失水收缩、吸水膨胀形成的。当土体失水收缩时产生拉应力导致土体拉裂破坏；当土体反复吸水膨胀时形成较大的水平应力，在与最大主应力成45/2的共轭平面上形成最大剪应力，当最大剪应力超过土体的抗剪强度时，土体被剪切破裂。由于土体的抗拉强度小，所以土体中陡倾角收缩拉张裂隙比中缓倾角剪切裂隙更发育。胀缩裂隙在膨胀土中普遍发育，而且对土的工程性质影响极大。卸荷裂隙是由于土体中应力释放和调整造成的，这种裂隙常见于较陡的河流冲刷岸坡和开挖边坡上。膨胀土中卸荷裂隙容易在胀缩裂隙的基础上追踪、扩展形成。如2005年10月在南水北调中线总干渠陶岔渠首桩号1+000处发生的傅营滑坡，在滑坡后缘形成较高而且陡的滑壁，滑壁上土体向临空面卸荷回弹形成一组延伸较长，张开宽达13cm的卸荷裂隙，该组裂隙近平行于滑壁。滑坡裂隙是膨胀土滑坡在滑动过程中形成的裂隙，如滑坡中后部的拉裂隙、侧缘的张剪性裂隙、前缘反倾的剪切裂隙等。滑坡中后部拉裂隙的走向平行于坡面，延伸距离长，倾角陡，裂隙张开且深度大，裂面粗糙。如陶岔傅营滑坡后缘拉裂陷落带发育了多条长大的拉裂缝（见照片1）。滑坡前缘剪切裂隙平行于滑动面，当滑动面反倾坡内时剪切裂隙也反倾坡内。如1983年夏季引丹（江口水库）三干渠老河口段由Q2膨胀土组成的边坡发生一处较大规模滑坡，在滑坡前缘发育一组平行于主滑面的反倾坡内的剪切裂隙，裂隙面上附着灰白灰绿色粘土，具油脂光泽，擦痕和摩擦镜面十分清晰。构造裂隙是土体受构造应力作用所产生的破裂面。如1969年南水北调中线工程总干渠淘岔渠首施工中在Q2膨胀土内发现的第四纪断层两侧的裂隙以及后坡-半店第四纪断层两侧的裂隙属构造裂隙。照片1 淘岔傅营滑坡后缘陷落带拉裂隙Photo.1 Pulling-cracks at the landslide trailing edge of Taoca-FuYin2.2 胀缩裂隙的宏观结构特征膨胀土裂隙发育是膨胀土的一个显著特征，因此国内有的部门称其为“裂土”，国外也有称其为“裂隙硬粘土”。胀缩裂隙具有一些明显的特征：（1）平面上看，裂隙纵横交错，成不规则网纹状，裂隙的走向是随机的，局部有一定的方向性。裂隙的长度一般0.21.0m，裂隙的倾角以陡倾角为主，深部有一些中陡倾角，少部分为中缓倾角，陡倾角裂隙具张性，裂隙面弯曲度和起伏差较大，中缓倾角裂隙具剪性，裂隙面呈舒缓波状弯曲。（2）剖面上，近地表34m（对应大气影响深度）裂隙密集且张开，尤其是表层1.52.0 m 左右（对应大气影响急剧层），大气影响深度以下裂隙迅速减少（见照片2、照片3）。照片2还显示，当浅表层分布透水性较强的钙质结核富集层时，大气影响深度加大，胀缩裂隙发育深度增加。照片2 Q2膨胀土裂隙发育程度随深度变化情况Photo.2 Q2 Expansive soil crack changing with depth照片3 Q3膨胀土裂隙发育程度随深度变化情况Photo.3 Q3 Expansive soil crack changing with depth裂隙的张开度近地表较大，可达12cm，向下逐渐变窄，在深2m左右开始闭合，大气影响深度内裂隙将土体切割成不规则楔形体、棱形体、块体尺寸一般小于0.3m。大气影响带以下裂隙明显减少，但始终有裂隙，土体一般呈次块状块状结构。局部层位裂隙仍然很发育（见照片4），裂隙面闭合，土体呈薄板状结构。照片4 深部膨胀土缓倾角裂隙Photo.4 Gentle dip angle cracks at deep expansive soil(3)裂隙的表面及两侧宽数m3mm、最宽20mm内为灰白色灰绿色粘土，颗粒细腻，其粘土矿物组成以蒙脱石为主，局部裂隙面上附着褐黑色铁锰质薄膜。(4) 反复错动的中缓倾角裂隙裂隙面光滑，具腊状光泽以及清晰的擦痕和摩擦镜面，电镜扫描发现裂隙面上矿物颗粒高度定向排列2。(5)裂隙面的物质组成和特殊结构使其比周围土的亲水性更强，抗剪强度更低。如陶岔Q2膨胀土裂隙面现场抗剪强度试验c=4kPa、=16.7，而土块室内直剪试验(饱和固结快剪)平均c=51kPa、=21.8。（6）裂隙随土中含水量的增减而产生闭合和张开，土的干湿循环与裂隙的开闭循环是相应的2。（7）灰白色强膨胀性粘土比棕黄色中等膨胀性粉质粘土的胀缩裂隙更发育，而灰褐色、黄褐色弱膨胀性粉质粘土中胀缩裂隙不甚发育。2.3 开挖边坡上裂隙的发展趋势膨胀土开挖边坡上收缩裂隙的形成相当迅速。陶岔渠首Q2膨胀土中探槽开挖后不到半天即可在槽壁形成网格状的收缩裂隙，原有的裂隙张开度迅速加大，坡面浅表层土体迅速被裂隙切割成碎裂结构，土块粒径约310cm，半年后部分裂隙互相贯通（见照片5）。膨胀土钻孔岩芯在风吹日晒半天后，同样见到岩芯表面遍布收缩裂隙，原来深部隐蔽的闭合裂隙失水收缩后张开显现出来。随着时间的推移，坡体上裂隙互相追踪形成更长大的收缩裂隙和卸荷裂隙。总干渠陶岔渠首渠坡上裂隙走向的优势方向平行于坡面，倾角陡，为追踪早期收缩裂隙形成的卸荷裂隙。部分卸荷裂隙最终扩展形成滑坡的后缘拉裂和侧缘切割面。照片5 半年后探槽边坡上膨胀土裂隙发展情况Photo.5 Expansive soil crack at the exploration pit after half a year陶岔渠首4.4km渠道开挖施工期间，相继发生13处滑坡，经调查研究后发现，膨胀土中的裂隙与微裂隙的存在是渠坡失稳滑坡的主要内在原因。滑坡有两种类型：（1）滑坡发生在裂隙发育的粘土中，滑动面由裂隙联贯而成。（2）滑面由软弱带与裂隙组成。滑坡发生的外因是强降雨3。此外干裂的膨胀土遭雨淋后，水经裂隙迅速渗入土体中，于是土体迅速膨胀崩解成稀软的“粘胶泥”。坡面雨水集中到地表膨胀土的裂隙中径流，很容易从裂隙开始冲刷成雨淋沟。陶岔渠首由Q2膨胀土组成的边坡历经36年的地表径流冲刷后，形成的雨淋沟一条紧挨一条，雨淋沟深度超过1m（见照片6）。照片6 36年后膨胀土渠道边坡雨淋沟发育情况Photo.6 Gully development at expansive soil channel slope after 36 years另据冯玉勇等人在宁西铁路南阳段施工过程中对膨胀土路堑边坡开裂破坏的调查研究，在路堑边坡开挖后，原本闭合的裂隙由于卸荷作用而张开，由于水分蒸发作用也会产生收缩裂隙。在旱季常见未及时防护的路堑边坡普遍发生鱼鳞状剥落，原来裂隙越发育，鱼鳞状开裂越严重；蒸发量越大，开裂也越严重。边坡浅表层被裂隙分割的土块在重力作用下经常滚落于坡脚。土体浅表层的裂隙为雨水和地面径流的入渗和冲刷提供了条件，在地表径流冲刷作用下，经常发生边坡冲刷，形成冲沟、泥流和浅层溜塌。雨水经裂隙渗入到土体深部，裂隙面吸水膨胀，强度衰减，当存在缓倾角裂隙时，缓倾角裂隙发展成滑动面，在大气影响深度或卸荷带土体极易沿缓倾角裂隙滑动4。陶岔渠首通水已有36年历史，36年的运行实践表明，渠道开挖后30年左右，胀缩裂隙的发展基本达到新的平衡，但受深层软弱带控制的滑坡有一个较长时间的蠕变和强度衰减过程。例如2005年10月在傅营又发生了一起较大规模滑坡，表明由深部层间软弱面发育而成的滑动面以及由卸荷裂隙扩展而成的滑坡后缘拉裂的发展变化仍在继续。刘特洪1994年统计了国内21个中中偏强膨胀土渠道工程的边坡破坏情况，这些渠道边设计坡比在1：1.51：3.5之间，坡高一般720m，少数达2140m，统计发现约40%的工程在施工期和试运行期渠坡就发生了滑坡或蠕滑，表明膨胀土在裸露的条件下在短时间内就会发生显著的浅层变形破坏，因此对膨胀土开挖边坡及时进行防护至关重要。3 结语 南阳盆地膨胀土中发育不同程度张开的胀缩裂隙、卸荷裂隙和隐蔽的原生裂隙、构造裂隙，其中最为普遍的是胀缩裂隙。胀缩裂隙成不规则网纹状，多为陡倾角，主要发育在大气影响带，裂隙面通常附着软弱泥膜，裂隙面的强度很低。开挖边坡的浅表层收缩裂隙的形成和隐蔽裂隙的张开相当迅速，裂隙互相追踪可形成长大的卸荷拉裂隙和滑坡侧缘剪切裂隙，大气降水可通过裂隙快速渗入到土体内