河南省境内膨胀土工程试验

2017-04-14马向军��

中华建设科技 2017年2期

马向军��

【摘要】膨胀岩试验简介，膨胀岩（土）渠坡处理一直是工程界的难题，膨胀性岩（土）具有的特殊工程特性，易造成渠坡失稳，因而对工程安全运行影响较大，而输水渠道膨胀岩渠坡的处理与公路、铁路等膨胀岩土路堑边坡相比，因存在永久过水断面的特殊性，与水为邻更加深了膨胀岩渠道处理的难度。

【关键词】膨胀岩；试验

Experiment on Expansive Soil Engineering in Henan Province

Ma Xiang-jun

（Luoyang Water Conservancy Construction Investment Group Co.， Ltd Luoyang Henan 471000）

【Abstract】It is a difficult problem in the engineering sector. The expansive rock （soil） has special engineering characteristics， which can cause the slope of the slope to be unstable and thus have a great influence on the safe operation of the project. The treatment of the channel of the flood channel is similar to that of the highway and railway， and the difficulty of the treatment of the expanding channel is deepened due to the particularity of the permanent water cross section.

【Key words】Expansive rock；Test

1. 引言

膨脹岩（土）受胀缩特性的影响，多裂隙性和分布的不均一性以及所具有的渐进破坏的特点，受外界降雨影响均可能导致膨胀岩裂隙水位在短时间内迅速上升，与保护膨胀岩的换填土之间渗透系数的差异，产生水压力，对膨胀岩渠坡换填土稳定不利。

2. 由于膨胀岩似土非岩、成岩程度不均一的特点，在施工开挖时，坡面的泥灰岩碎屑不容易清除干净，遇水后崩解软化，强度降低，在换填结合面易形成薄弱带也对换填层稳定不利。综合考虑膨胀岩的成岩特点及与水软化的特点，对水上水下分别取不同的摩擦系数，即：水上取0.4，水下取0.3和0.35进行对比计算。回填土的容重，参照一般土体压实后的湿容重19.6 KN/m3。（见图1）

图1 计算受力示意图

将换填层作为刚性体进行抗滑稳定计算时，对稳定计算有影响的主要参数为换填层与坡体间的摩擦系数，以及换填土体的容重。

2.1 选取主要代表岩层——粘土岩和泥灰岩的原状样和扰动样，通过室内一系列物理力学试验，研究其天然含水率、结构、矿物成分等对膨胀岩膨胀特性的影响，为专项辅助性试验提供依据。具体试验内容如下：

2.1.1 物理性试验及矿化分析。

颗粒分析、比重、界限含水率、崩解性、膨胀力、膨胀率、自由膨胀率、粘土矿物成分、pH值、易溶盐、难溶盐、比表面积、阳离子交换量等。

2.1.2 类土膨胀岩的击实试验。

进行类土膨胀岩的击实试验以及击实后的直剪试验、三轴试验和渗透试验，研究类土膨胀岩的压实特性及其强度、变形和渗透特性。

2.1.3 胀缩变形特性研究。

胀缩变形特性试验分两种情况进行，一种在控制含水率的前提下，对不同压实度的膨胀岩试样进行胀缩特性试验研究；另一种在控制干密度的前提下，进行不同含水率状态下胀缩特性试验研究。

2.1.4 膨胀岩基本特性的现场测试。

（1）开展旁压试验，测试膨胀岩在不同深度的变形特性参数，研究膨胀岩层在干湿两种条件下的变形模量和膨胀率等参数。

（2）进行膨胀岩以及软弱结构面大型直剪试验，测试膨胀岩软弱结构面的抗剪强度指标。

（3）通过现场压水试验或双环试验，测定膨胀岩现场渗透系数，确定现场观测设备的埋设深度。

2.2 专项辅助性试验和研究。

采用室内试验、模型试验、数值分析等手段，进行气候和地下水对膨胀岩渠坡稳定性的影响，土工格栅、土工纤维对类土膨胀岩处理效果等研究，并比较各种处理方案的效果及作用，为现场试验实施方案的完善和确定提供依据。

2.2.1 气候和地下水对膨胀岩渠坡稳定性的影响研究。

（1）膨胀岩在干湿循环条件下的强度变化规律

进行原状膨胀岩在不同含水率条件下的强度试验，研究试验区膨胀岩在干湿循环条件下的强度变化规律。

（2）类土膨胀岩处理后的强度～变形～渗透特性室内试验研究

通过室内强度、变形及膨胀性等试验手段，研究干湿循环对类土膨胀岩处理后的强度、变形、渗透特性，研究采用类土膨胀岩翻挖回填的可行性。

（3）干湿循环对膨胀岩裂隙的影响

采用室内小比尺模型，控制模型水分环境，观测裂隙的发展规律，并与现场裂隙观测进行对比分析，建立裂隙统计模型，研究膨胀岩在干湿循环条件下裂隙的发展规律。

2.2.2 土工格栅加筋效果研究。

研究土工格栅加筋类土膨胀岩复合体的强度、变形、膨胀性及土工格栅加筋类土膨胀岩的作用机理，为渠坡稳定性分析提供合适的计算模型和强度参数，为现场处理方案的优化设计提供依据。

（1）格栅加筋影响范围研究。

采用格栅的拉拔试验，研究类土膨胀岩加筋的筋材、加筋层数（间距），为现场处理方案的确定提供依据。同时，研究垂直荷载、拉拔速率及筋材强度对筋土界面拉拔特性的影响规律，以及筋土界面剪应力沿筋材不同位置的分布规律。研究土工格栅在类土膨胀岩土体中的拉拔效果。

（2）土工格栅与类土膨胀岩界面直剪试验。

研究土工格栅加筋体在格栅与类土膨胀岩接触面的强度、变形，以及垂直荷载、剪切速率及筋材强度对筋土界面剪切特性的影响规律。获得筋土界面的似摩擦系数指标。分析土工格栅加筋在岩土体界面的界面效应，提出数值分析模型参数。

（3）土工格栅加筋类土膨胀岩土体的应力～应变关系试验。

研究加筋体的应力～应变关系，测试加筋复合体强度～变形参数。

（4）土工格栅加筋效果的物理模型试验。

采用大比尺的静力模型，模拟土工格栅在渠坡处理中的加筋作用，研究格栅间距对加筋效果的影响。

2.2.3 土工合成纤维加筋效果的初步研究。

对本试验区类土膨胀岩进行纤维改性试验，为现场处理方案的优化设计提供依据。

通过一系列室内物理力学试验，对不同材料、不同形状、不同掺量条件下的纤维改性土的物理、力学、膨胀性、水力学特性等进行试验研究，评价纤维改性土的性质，研究纤维改性土的工作机理和本构关系。重点比较：1）加筋前后的膨胀特性指标，评价纤维加筋改性效果；2）纤维改性土的应力～应变关系。同时，在室内开展小规模的纤维掺拌技术和工艺的研究。

2.2.4 现场开挖后膨胀岩快速防护材料研究。

进行膨胀岩坡面防护材料的室内试验，研究防护材料的种类、配比及其防护效果，推荐经济有效的防护材料用于现场试验，以防止渠道开挖后坡面岩石风化、剥蚀而降低其稳定性。

2.2.5 膨胀岩渠坡坡顶防护范围和减载措施研究。

通過渗流数值计算，分析不同坡顶防护方式的防护效果，为设计确定坡顶防护材料、防护层厚度、防护宽度提供参考。

通过数值分析手段，研究采用宽马道减载方式的适用性和合理性，比较不同减载措施对渠坡稳定性的影响。

2.2.6 膨胀岩（土）现场判别方法研究。

在国内外膨胀岩（土）分类方法、判别标准的基础上，通过大量的对比试验，提出膨胀等级的现场判别方法。

2.2.7 膨胀岩渠坡稳定分析和分析方法研究。

（1）现场试验方案的计算分析。

结合室内基本特性试验、气候和地下水对膨胀岩渠坡稳定性的影响研究、土工格栅加筋效果研究的试验成果以及相应的静力模型试验、离心模型试验成果，采用常规稳定分析和有限元分析方法对初拟现场试验方案进行边坡稳定计算分析论证，为调整和完善初步拟定的处理方案提供依据。

在边坡稳定计算分析中，针对膨胀岩强度特征、变形特征以及存在膨胀力的特点做相应的简化处理。

（2）膨胀岩渠坡稳定分析方法研究。

考虑膨胀岩强度特征、变形特征以及存在膨胀力的特点，进行膨胀岩渠坡破坏模式与机理研究、膨胀岩渠坡稳定分析方法研究，开发膨胀岩渠坡稳定性分析系统，提出膨胀岩渠坡稳定简化分析方法。

A.膨胀岩渠坡破坏模式与机理研究。

采用模型试验、数值仿真分析等手段，结合实际工程经验，考虑膨胀岩的特殊力学特性，研究膨胀岩渠坡的破坏及失稳模式与发生机理。

B.膨胀岩渠坡稳定分析系统开发研究。

综合考虑膨胀岩的特性、膨胀岩渠坡失稳破坏模式、失稳机理及影响因素，重点解决现行数值分析中分析理论、分析程序、分析方法缺乏针对性的问题，提出膨胀岩渠坡稳定性分析方法，建立膨胀岩渠坡稳定分析系统。

C.膨胀岩渠坡稳定简化分析方法研究

在上述研究的基础上，考虑膨胀岩渠坡的地质条件、岩土特性、气候条件、处理措施等因素，提出可供工程设计人员使用的简化计算分析方法。

2.3 现场试验。

在室内基本特性试验和专项辅助性试验的基础上，调整完善初步拟定的处理方案，最终确定现场试验实施方案，进行膨胀岩渠坡处理的现场试验、现场观测和分析。

2.3.1 膨胀岩渠坡开挖期观测和开挖面防护措施验证。

观测渠道开挖过程中的变形（卸荷变形和胀缩变形）、应力和含水量的变化规律；同时采用数码照相结合手工素描和计算机图像处理技术，进行膨胀岩裂缝扩展过程量化描述，为膨胀岩边坡失稳机理研究、防护和加固时机的选择提供依据。

（1）在膨胀岩试验区布置2个观测断面，在试验区渠道开挖施工前，预先埋设深层沉降标、测斜管、分层沉降管、土压力盒、含水量探头等观测设施，边开挖边观测渠坡不同部位膨胀岩的变形、应力和含水量随开挖卸荷的变化规律，观测期间注意收集和记录降雨等气候条件和渠道开挖施工过程等边界条件。

（2）采用数码照相结合手工素描的方法，选取代表性坡面，对裂隙的走向、倾角、宽度、深度、长度、间距等影响裂隙的工程力学性质的主要几何要素进行测量和描述，采用计算机图像处理技术进行膨胀岩裂缝扩展过程量化描述，结合数理统计方法，建立概化统计模型。

（3）通过开挖过程中的现场观测，掌握卸荷过程中渠坡不同部位的变形发展规律，并根据渠坡局部滑塌发生前后的变形和应力等观测资料，建立施工期渠坡稳定现场控制标准（包括监控变量的选择及其临界值的确定），为今后渠道大面积信息化施工奠定基础。

（4）观测并分析渠道开挖过程中的变形、应力、含水量变化规律，以及对膨胀岩裂缝扩展过程进行量化描述，为膨胀岩边坡失稳机理研究、防护和加固时机的选择提供依据。

（5）针对膨胀岩在开挖过程中及后继干湿循环过程中工程特性的变化特点，确定开挖面的保护时机，将专项辅助性试验中提出的防护材料用于现场试验区，验证防护效果。

2.3.2 膨胀岩渠坡处理施工工艺研究。

对换填粘性土、土工格栅加筋、纤维改性土等处理措施，根据国内外施工经验，初步拟定施工工艺，在试验段施工前，由试验研究单位选定碾压试验场（结合隔离堤施工进行），在施工单位的配合下，进行现场碾压试验，研究各种处理措施的施工工艺、碾压控制参数，确定适宜的施工方法和检测标准，制订各种措施的施工方法，并在试验段施工中验证和完善。

2.3.3 试验区施工质量控制要素和检测指标筛选。

根据不同的膨胀土（岩）工程处理措施，结合现场监测、检测成果，对施工质量要素和检测指标进行综合分析，提出试验区施工质量控制要素和现场检测指标，为大面积施工质量控制提供依据。

2.3.4 膨胀岩渠坡处理效果现场观测和分析。

在渠坡埋设大量观测仪器，获取渠坡处理后膨胀岩体内的应力、变形、含水量等指标，研究膨胀岩渠坡处理后的应力～变形特性，为分析处理方案的实际效果提供依据。

2.3.4.1 观测断面布置。

观测断面仪器布置以现场勘探断面为依据，并根据试验方案的目的和特点，统筹考虑试验区和常规处理区的观测。对于试验区，将观测断面分为重点观测断面和一般观测断面。对重点观测断面，按不同深度、层位，全面进行含水量、应力、变形等指标观测；对于一般观测断面，以变形观测为主，辅以局部的应力和含水量的观测。对于常规处理区，则按照初步设计的总体要求进行布置，观测项目和观测设备在初步设计相关的内容中提出。

2.3.4.2 观测项目。

现场观测主要包括：应力场、变形场、孔压场（正或负孔压）和气象条件（包括降雨量、蒸发量等）。

（1）影响膨胀岩渠坡稳定的环境变量，如降雨量，入渗量、地下水位等；

（2）膨胀岩的含水量、吸力、裂隙的发展等；

（3）表征边坡岩（土）体应力和变形状态的参量，如土压力、孔隙水压力、垂直变形和水平变形等；

（4）混凝土衬砌板的变形和接缝宽度的变化。

2.3.4.3 观测设备

观测数据的取得主要通过下列手段来实现：

（1）含水量：埋设体积含水率探头，用频率计观测；

（2）吸力：埋设张力计、热传导或TDR等探头，用频率计观测；

（3）土压力：埋设土压力盒，用频率计观测；

（4）孔隙水压力：埋设孔隙水压力探头，用频率计观测；

（5）垂直变形：埋设表面沉降标，用水准仪观测；

（6）分层沉降：埋设分层沉降管和磁环，用分层沉降仪观测；

（7）水平变形：埋设表面变形标，用经纬仪观测，并在典型部位钻孔埋设测斜管或多点位移计、观测不同深度处土体的水平变形；

（8）格栅局部变形：埋设柔性位移计，用读数仪观测；

（9）土壤温度：埋设温度传感器，用读数仪观测；

（10）降雨量：采用雨量计观测，并注意收集当地同期气象资料；

（11）入渗量：地表径流测量装置；

（12）地下水位：钻孔埋设地下水位观测管，采用电测水位计观测；

（13）衬砌板接缝宽度：采用测缝计观测。

此外，在重点断面处还布置观测数据自动采集系统，进行观测数据的自动采集。

2.3.4.4 试验区观测。

针对拟定的现场试验方案，每个试验区渠道左右两侧各布置一个观测断面，共12个观测断面，其中5个重点观测断面，7个一般观测断面。

2.3.4.5 常规处理区观测。

以初步设计工程监测为主，另选择一个典型断面，按试验区一般观测断面的要求进行观测布置，其余观测断面布设按初步设计的工程监测要求进行。

2.3.4.6 观测资料的整理和分析。

（1）变形观测数据分析：分析渠坡不同部位的水平变形和垂直变形变化规律，分析处理方案的实际效果。

（2）應力观测数据分析：分析渠坡不同部位的侧向水平应力，建立同一测点的应力与变形之间的对应关系。

（3）含水量和吸力观测数据分析：分析处理后渠坡表面处理层及一定深度内渠坡原状膨胀岩层的含水量和吸力变化规律，评价处理层对下伏原状膨胀岩体的防护效果，并建立含水量（吸力）与渠坡变形之间的关系。

（4）在上述基础上，对膨胀岩渠坡处理方案的实际效果进行初步评价，并为膨胀岩渠坡变形和破坏的仿真模拟提供依据。

（5）通过混凝土衬砌板变形和接缝宽度变化的观测，为一级马道以下衬砌板的分缝设计提供参考。

2.3.5 处理后渠坡岩土体参数现场测试。

研究内容如下：

（1）进行处理后岩土体、加筋复合体的原位测试和室内力学特性试验，比较处理前后参数的变化；

（2）在现场试验期间和试验完成后，对膨胀岩渠坡进行现场钻探取样，确定含水量的分布，研究降雨入渗及干湿循环影响深度；

（3）对出现明显滑动变形迹象的部位，进行现场钻探取样，研究滑动面或滑动带岩土体的物理力学特性。

2.4 膨胀岩渠坡处理效果的综合评价。

2.4.1 膨胀岩渠坡稳定分析。

采用开发的膨胀岩渠坡稳定分析系统，对现场试验方案进行膨胀岩变形和破坏的数值分析，研究膨胀岩边坡在各工况下的安全状态，比较各种处理措施和结构形式的效果，对大型膨胀岩渠坡的处理效果做出评价，研究提出利用膨胀岩渠坡处理后短期观测资料来评价长期稳定性的方法。

2.4.2 处理效果的综合评价。

（1）将现场观测成果按照不同的膨胀性、处理措施进行分类，建立现场观测控制参数与渠坡稳定状态之间的关系模型，研究提出渠坡处理方案技术可靠性的评价标准和评价方法。

（2）以边坡的变形和应力观测数据为基础，结合渠坡稳定分析成果，研究渠坡变形～应力随时间、气候环境、应力环境等因素的变化趋势，预测渠坡变形和稳定状态，评价渠坡处理措施的合理性和可靠性。

（3）在各种处理方案技术可靠性评价基础上，根据现场试验结果，对各种处理方案，从施工方便性和经济合理性等方面进行综合评价，最后推荐出总干渠膨胀岩渠坡的处理方案，为南水北调中线工程膨胀岩渠坡处理设计和大面积施工提供指导和借鉴。

2.5 膨胀岩渠坡稳定分析仿真模拟。

针对各种典型的地质条件、气候条件、处理措施等因素，开发出膨胀岩渠坡设计的多媒体集成仿真系统，实现膨胀岩渠坡处理前后应力、变形、含水量变化过程、稳定状态（安全系数）、控制滑动面、处理措施的实时可视化表达，为膨胀岩渠段设计、施工和运行管理提供有力手段。

3. 工作基础和技术路线

3.1 工作基础。

（1）项目工作涉及到勘察、设计、室内外试验研究、现场施工、现场观测和分析等，技术难度大。参加项目实施单位各具特色和优势，同时在膨胀土（岩）的研究和处理方面均具有相应的基础和条件，配合南水北调中线工程的规划和设计工作，曾进行过大量的试验和研究，为南水北调中线工程论证提供了科学依据。

（2）在膨胀土的基础研究方面，开展了丹江口、引丹灌渠和南阳膨胀土的微观结构、粘土矿物对膨胀土的力学特性影响、膨胀土工程特性及填筑控制标准、非饱和压实土的渗透及强度特性、膨胀土膨胀压力实验方法等研究；开展过非饱和膨胀土应力～应变关系、强度特性、膨胀土离心模型试验等多项研究工作。出版了《土工译丛》（膨胀土专集）、制定了水利部《土工试验规程》中膨胀土实验方法标准。

（3）在现场试验研究方面，曾在河南刁南灌渠进行了历时五年的膨胀土渠坡现场观测和现场试验；在湖北枣阳对无处理措施的膨胀土渠道进行了“降雨对膨胀土边坡稳定的影响”大型现场试验研究；进行过膨胀岩现场大型直剪试验。

（4）在土工合成材料的研究和应用方面，结合大中型水利工程和公路软基加固等工程，开展了土工织物、土工格栅加固土体等方面的室内试验、离心模型试验、现场监测等研究工作，编写了《土工合成材料工程应用手册》、《土工合成材料在水利工程中的应用技术》、《堤防工程土工合成材料应用技术》等，参与编制了土工合成材料的测试规程。拥有全套土工合成材料检测设备，包括数控式土工合成材料多功能试验仪、渗透仪、大型直剪仪、老化仪等。

（5）参加单位拥有国内外先进的试验研究设备，有充分的工程经验，具有完成该项大型试验研究的有利条件。

3.2 技术路线。

本项目的技术路线如图3.2.1所示。试验研究的总体技术路线主要可分为四个阶段：即项目准备阶段、专项辅助性试验阶段、现场试验研究阶段和技术总结阶段，这四个阶段既相互关联，又具有相对的独立性。

3.2.1 项目准备阶段

本阶段的工作包括四方面研究内容，其技术路线如下：

（1）广泛收集国内外膨胀岩渠坡处理的工程实例和相关资料，了解国内外膨胀岩工程处理措施的最新进展，为试验段渠坡的处理方案设计提供借鉴经验。广泛收集试验段当地历年气象资料，调查当地大气影响深度，为试验研究提供基础资料。

（2）进行旁压试验、现场渗透试验，测定岩土层的变形模量、钻孔膨胀率、渗透系数等。

（3）开展试验段膨胀岩的基本特性研究，通过物理性试验、力学性试验（包括三轴、直剪、压缩试验等）、渗透性试验、矿化分析、膨胀特性测试等试验手段，掌握试验段膨胀岩的水理特性、变形与强度特性、渗透特性及膨特性等基本工程特性，为开展专项辅助性试验、现场试验和最终成果分析等提供基础资料。

（4）根据膨胀岩边坡的处理原则以及试验段膨胀岩的特性，借鉴参考类似工程经验，初步拟定试验段试验区膨胀岩渠坡处理方案。

3.2.2 专项辅助性试验研究阶段

本阶段主要对现场试验方案和可能采用的处理措施进行有针对性的专题研究，为完善初拟的膨胀岩渠坡处理方案提供技术支撑，以便确定合理的现场试验方案。

专项辅助性试验研究的技术路线可以概括为：采用室内试验、模型试验、数值分析等手段，分析处理措施的适用性和合理性，对初拟的处理措施进行优化和完善，在现场试验中加以验证。具体分解如下：