南水北调中线膨胀性土地区边坡支护技术

南水北调中线膨胀性土地区边坡支护技术

1膨胀土物理、力学及胀缩特性试验成果河南省南阳市和平顶山市的引水线路陶岔至沙河南段位于河南省南阳市和平原。它从秀川县九峪村出发，到升平区琅琊县薛寨村。渠道全长23公里。渠道沿线大部分为膨胀土地区,工程地质条件复杂,由于膨胀性土具有胀缩性、裂隙性、超固结等特殊的工程特性,对渠道边坡的施工及工后运营影响极大,因此,需要针对膨胀性土的基本物理力学等性质开展勘探试验,为工程设计提供依据。本文针对南水北调中线一期工程总干渠陶岔—沙河南渠段膨胀土的工程特性,进行了大量原状膨胀土的物理、力学及胀缩特性试验,试验内容丰富、系统,试验规模大,具有较大的工程实用价值。本次试验所用的南阳膨胀土主要有褐色、棕红色和灰白色3种,试样普遍含铁锰结核、钙质结核等,共完成4381组试样,工作量很大,取其中最有代表性的陶岔—沙河段中勘探孔号为SC的土样(共1371组)试验成果进行物理、力学及膨胀特性指标的统计分析。室内土工试验均按现行的《土工试验规程》(SL237-1999)所规定的操作方法进行。2膨胀土的性质2.1其它土类所占比例由表1可知,本段膨胀土土类主要为粉质粘土、粘土和重粉质壤土,其所占百分数分别为58.1%、18.1%和8.6%,其它土类所占百分比为15.2%。从表1中可以看出,粉质粘土、粘土和重粘土的粘粒含量平均值超过40%,胶粒含量平均值超过25%,也就是说陶岔—沙河段即本段85.9%的膨胀土的粘粒、胶粒含量均很高,这和液塑限试验得到的大部分膨胀土一般具有高液限和高塑性指数的特点相一致。2.2土的矿物成分按照土性分类,对膨胀土的比重、含水滤、孔隙比进行了统计分析,试验成果见表2。(1)各类土的比重在2.64～2.77,最大值在2.76～2.77,最小值在2.64～2.67,均值为2.71。同一类土,比重变化幅度很小,不同土类之间变化也很小,说明土中矿物成分较均匀。(2)各类土含水率在9.3%～39.1%,相差较大,最大值在34.4%～39.1%,最小值在9.3%～15.9%,平均值在23.9%～24.7%。含水率除与土的种类、埋藏条件及其所处的自然地理环境等有关外,还受取样时的气候、降雨等因素的影响。(3)各类土的孔隙比在0.369～1.074,最大值在0.942～1.074,最小值在0.369～0.435,这是由于地理位置、取土深度及土类不一,导致其变化范围较大。孔隙比均值在0.690～0.692,可判断土为较密实的中低压缩性土。2.3测试河段孔号sc液限和塑限指标由光电式液塑限联合测定仪进行测定,根据试验要求,渠道地基按SL237-1999《土工试验规程》进行试验,建筑物地基土按JTJ051-93《公路土工试验规程》进行试验。陶岔—沙河段(孔号SC)均属于渡槽段,按SL237-1999《土工试验规程》进行试验,取其锥深17mm的液限、塑性指数进行统计,成果见表3。由表3可知,各类土液限在29.2%～91.7%,最大值在67.2%～91.7%,最小值在29.2%～34.4%,均值在41.8%～57.6%,可知南阳膨胀土的液限相当高,大多属高液限粘土或粉质粘土。塑性指数在11.0～57.5,最大值在39.4～57.5,最小值在11.0～17.2,均值在21.7～33.2。说明膨胀土的塑性指数比较高,通过试验观察发现天然状态下的膨胀土其含水量一般低于或接近塑限,表现为硬塑或可塑状态。3土壤肥力学和渗透特性基本力学及渗透试验包括压缩、渗透、直剪和三轴试验。根据试验要求,本次试验主要为天然状态和饱和状态下的强度和变形试验。3.1膨胀土的压缩性按照土性分类,对膨胀土的快压试验数据进行了统计分析,成果见表4。由表4可以看出,压缩系数均值在0.132～0.162MPa-1,压缩模量均值在15.57～17.85MPa,南阳膨胀土的压缩性普遍较低,各类土压缩性质相差不大。3.2土性分类试验结果采用变水头的渗透试验得到了饱和状态下膨胀土的渗透性指标,在试验前用抽气法饱和。按照土性分类进行统计,所得试验结果见表5。可知膨胀土渗透系数数量级在10-9～10-4cm/s,均值在2.86×10-6～3.91×10-5cm/s,渗透性较差。3.3内摩擦角变化规律(1)从表6可以看出南阳膨胀土的饱和固结快剪强度粘聚力均值在37.9～51.0kPa,内摩擦角均值在16.6°～20.0°。本次天然固结快剪试验相对较少,天然固结快剪粘聚力平均值在63.5～72.9kPa之间,内摩擦角平均值在15.3°～17.8°。饱和快剪粘聚力平均值在44.0～60.9kPa之间,内摩擦角平均值在13.1°～14.3°。天然快剪粘聚力平均值在51.4～72.6kPa之间,内摩擦角平均值在16.7°～19.4°。慢剪粘聚力平均值在28.9～34.3kPa之间,内摩擦角平均值在19.5°～22.1°。排水反复剪峰值强度:粘聚力平均值为22.4～23.9kPa,内摩擦角平均值为18.6°～22.3°;残余强度:粘聚力平均值为12.7～14.0kPa,内摩擦角平均值为13.3°～19.1°。(2)膨胀土粘聚力、内摩擦角与试样的初始含水量状态、铁锰结核有关,一般说来初始含水量越低粘聚力越大,所含铁锰结核越多内摩擦角越大。(3)对比饱和与天然状态膨胀土的强度指标,无预固结:天然状态的粘聚力大,内摩擦角大;预固结后:天然状态的粘聚力大,内摩擦角规律跟土性有关,粉粒含量高时天然状态的内摩擦角小,粘粒含量高时天然状态的内摩擦角大。(4)对比预固结与无预固结膨胀土的强度指标,天然状态:固结后的内摩擦角小,粘聚力规律与土性有关,粘粒含量高时固结后的粘聚力小,粉粒含量高时固结后的粘聚力大;饱和状态:固结后的粘聚力小,内摩擦角大。(5)不同剪切速度强度指标比较:剪切速度越慢,粘聚力小,内摩擦角大。(6)反复剪残余强度指标与峰值强度指标比较:残余强度的粘聚力与内摩擦角均比峰值强度的粘聚力与内摩擦角要低,尤其是粘聚力降低幅度较大,表明膨胀土具有较强的结构性。3.4膨胀土试验特性由于膨胀土属于裂隙性粘土,其原生与次生结构面十分发育,室内小尺寸的直剪试验很难反映其结构面特性。三轴试验没有固定的剪切面,其剪切破坏一般发生在软弱面上,因此更能反应膨胀土在实际工程中的力学特性。陶岔—沙河段膨胀土进行了99组试样的各种三轴试验,主要统计特性见表7。三轴UU试验粘聚力均值在49.5～111.4kPa,内摩擦角均值在3.5°～5.5°;三轴CU试验总应力指标粘聚力均值在26.4～50.0kPa,内摩擦角均值在12.3°～21.7°;三轴CD试验粘聚力均值在19.1～39.9kPa,内摩擦角均值在12.5°～25.8°;膨胀土采取预固结与排水处理措施,有利于膨胀土内摩擦角的提高。4膨胀土壤收缩特征4.1膨胀性土样的测定(1)自由膨胀率试验是测定人工制备的松散的、干燥的试样,在纯水中膨胀稳定后的体积增量与原体积之比。由表8可知,各类土体自由膨胀率均值在37%～69%。按照自由膨胀率区分标准,自由膨胀率在40%～65%为弱膨胀性土,65%～90%为中膨胀性土,陶岔—沙河段膨胀土粉质粘土自由膨胀率为54%,粘土自由膨胀率为69%,重粉质壤土自由膨胀率为37%,又由于粉质粘土、粘土、重粉质壤土所占土样百分数分别为58.1%、18.1%和8.6%,因此试验土样主要为弱膨胀土,其次为中膨胀土。(2)膨胀力试验是测定土体体积受到限制时,吸水膨胀所产生的最大内应力。按土性分类后统计,由表8可知,各类土膨胀力均值在24.9～116.6kPa。(3)无荷膨胀率试验是测定试样无加载,有侧限条件下膨胀的增量与初始高度之比值。由表8可知,各类土无荷膨胀率均值在1.4%～12.3%。4.2土线收缩变形参数(1)收缩系数试验是测点原状土样在直线收缩阶段,含水量减少1%时的竖向线缩率,收缩系数是用来评价地基胀缩等级,计算膨胀土地基胀缩变形量的指标。取各类土收缩系数均值进行统计,由表9可知,其均值在0.30～0.51。(2)缩限是土在收缩过程中其体积开始停止变化时的含水量。由表9可知,各类土体缩限含水量均值在12.9%～17.4%。(3)线率试验是测定原状土样的竖向收缩变形与原始高度之比值(%),由表9可知,各类土线收缩率均值在1.9%～5.8%。(4)体缩试验是测定土体收缩达稳定时的体积收缩量与原体积的比值(%),由表9可知,各类土体收缩率均值在9.4%～18.3%。5膨胀土主要特性(1)南阳膨胀土的粘粒和胶粒含量较高,粉质粘土、粘土和重粘土的平均粘粒含量超过40%,粘粒中胶粒成分大于60%。南阳膨胀土的比重变化幅度很小,不同土类之间变化也很小,均值为2.71,说明土中矿物成分较均匀。南阳膨胀土的平均孔隙比约为0.690～0.692,最大可达到1.0以上,南阳膨胀土的平均压缩系数变化范围为0.132～0.162MPa-1,压缩模量均值在15.57～17.85MPa,为较密实的中、低压缩性土。南阳膨胀土的平均天然含水率在23.9%～24.7%,液限平均值在41.8%～57.6%,绝大部分大于40%,塑性指数平均值在21.7～33.2,可知南阳膨胀土的液限相当高,大多属高液限粘土或粉质粘土,呈硬塑或可塑状态。南阳膨胀土大部分试样的平均渗透系数在2.86×10-6～3.91×10-5cm/s,饱和状态膨胀土渗透性较差。(2)南阳膨胀土的饱和固结快剪强度粘聚力均值在37.9～51.0kPa,内摩擦角均值在16.6°～20.0°;天然固结快剪粘聚力平均值在63.5～72.9kPa,内摩擦角平均值在15.3°～17.8°;饱和快剪粘聚力平均值在44.0～60.9kPa,内摩擦角平均值在13.1°～14.3°;天然快剪粘聚力平均值在51.4～72.6kPa,内摩擦角平均值在16.7°～19.4°;慢剪粘聚力平均值在28.9～34.3kPa,内摩擦角平均值在19.5°～22.1°;排水反复剪峰值强度:粘聚力平均值为22.4～23.9kPa,内摩擦角平均值为18.6°～22.3°;排水反复剪残余强度:粘聚力平均值为12.7～14.0kPa,内摩擦角平均值为13.3°～19.1°。(3)对比饱和与天然状态膨胀土的强度指标,无预固结:天然状态的粘聚力大,内摩擦角大;预固结后:天然状态的粘聚力大,内摩擦角规律跟土性有关。对比预固结与无预固结膨胀土的强度指标,天然状态:固结后的内摩擦角小,粘聚力规律与土性有关;饱和状态:固结后的粘聚力小,内摩擦角大。不同剪切速度强度指标比较,剪切速度越慢,粘聚力小,内摩擦角大。反复剪残余强度指标与峰值强度指标比较:残余强度的粘聚力与内摩擦角均比峰值强度的粘聚力与内摩擦角要低,尤其是粘聚力降低幅度较大,表明膨胀土具有较强的结构性。(4)南阳膨胀土三轴UU试验粘聚力均值在49.5～111.4kPa,内摩擦角均值在3.5°～5.5°;三轴CU试验总应力指标粘聚力均值在26.4～50.0kPa,内摩擦角均值在12.3°～21.7°;三轴CD试验粘聚力均值在19.1～39.9kPa