趙 鑫，陽云華，朱瑛潔，張良平，麻 斌

（長江巖土工程總公司（武漢），武漢 430010）

1 引 言

南水北調(diào)中線工程總干渠全長約1 432 km，其中，總干渠明渠段渠坡或渠底涉及到膨脹土（巖）累計(jì)長度約380 km。渠道沿線存在多種復(fù)雜的工程地質(zhì)問題，其中膨脹土（巖）質(zhì)邊坡穩(wěn)定就是中線需要解決的關(guān)鍵工程地質(zhì)問題之一。

膨脹土具有多裂隙性，這使得膨脹土邊坡容易產(chǎn)生滑坡。膨脹土內(nèi)部天然分布著較多的裂隙，使其天生具有“內(nèi)傷”。當(dāng)雨水或地表水進(jìn)入膨脹土內(nèi)部，且膨脹土含水率發(fā)生改變時(shí)，裂隙面強(qiáng)度降低，脹縮作用導(dǎo)致已有裂隙產(chǎn)生擴(kuò)展、剪切變形，在渠坡附近則可能由此引發(fā)變形失穩(wěn)。裂隙的存在使土體強(qiáng)度不均勻和復(fù)雜化，膨脹土裂隙通常十分光滑，強(qiáng)度低，裂隙的分布、規(guī)模和產(chǎn)狀控制了膨脹土邊坡滑坡的發(fā)生。膨脹土體中的裂隙不僅控制了渠道邊坡穩(wěn)定性，還決定了膨脹土滑坡的形態(tài)和破壞機(jī)制[1－6]。

2 現(xiàn)場大剪試驗(yàn)

2.1 地層基本情況

本次采取的強(qiáng)膨脹土位于南陽二標(biāo)樁號(hào)95+300位置，崗地地形，據(jù)現(xiàn)場開挖編錄情況，原地表高程142～134 m揭露地層為al-plQ2黏土，淺褐黃，硬塑狀，短小裂隙較發(fā)育，據(jù)室內(nèi)自由膨脹率試驗(yàn)結(jié)果，自由膨脹率δef=57%，屬弱膨脹土，該層底部有一層鐵錳質(zhì)結(jié)核富集層與強(qiáng)膨脹土分界，厚度約20～30 cm，134 m以下至渠底130 m高程，均為強(qiáng)膨脹土。

圖1 試驗(yàn)地點(diǎn)強(qiáng)膨脹土Fig.1 Strong expansive soil in test site

表1 強(qiáng)膨脹土物理性能參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 1 Parametric statistics of physical properties of strong expansive soil

2.2 試驗(yàn)基本情況

本次試驗(yàn)試樣尺寸為40 cm×40 cm×15 cm，加壓系統(tǒng)為千斤頂，采用油壓表與百分表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，按照試驗(yàn)計(jì)劃均勻施加垂直荷載至某一預(yù)定值，讓試塊土體在此荷載下進(jìn)行壓縮，每隔20 min記錄其垂直變形，當(dāng)垂直變形達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定（0.01 mm/h）后，開始施加水平荷載；適當(dāng)選擇施加水平荷載的速率，一般每隔1 min施加水平荷載1次，及時(shí)記錄其垂直方向、水平方向的應(yīng)力、應(yīng)變，同時(shí)觀察周圍土的變形現(xiàn)象，水平剪切試驗(yàn)控制在 20 min內(nèi)；當(dāng)水平變形急劇增長或水平變形量達(dá)試體尺寸的1/10時(shí)，即認(rèn)為土體已經(jīng)破壞，可結(jié)束試驗(yàn)；最后及時(shí)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，繪制水平位移與剪切應(yīng)力曲線[7－8]。

根據(jù)渠段開挖情況，選取強(qiáng)膨脹土揭露高程133 m進(jìn)行試驗(yàn)，共進(jìn)行了11組試驗(yàn)，均沿水平面進(jìn)行剪切，試驗(yàn)編號(hào)及剪切類型見表2。

表2 現(xiàn)場直剪試驗(yàn)工作量一覽表Table 2 Work schedule of in-situ direct shear test

通過觀察試樣施加的正應(yīng)力，可以發(fā)現(xiàn)，與天然快剪相比，飽和快剪的正應(yīng)力普遍較小，這是因?yàn)閺?qiáng)膨脹土具有遇水膨脹軟化、強(qiáng)度降低的水理特性。當(dāng)進(jìn)行飽和快剪試驗(yàn)時(shí)，如果所施加的垂直荷載過大，試樣垂直方向的變形極易變得很大，使試樣產(chǎn)生壓縮破壞，故在試驗(yàn)過程中，無法像天然快剪一樣施加過高設(shè)定的垂直荷載，這正是反映了強(qiáng)膨脹土在水理力學(xué)方面的特性。

3 試驗(yàn)成果對(duì)比分析

將不同壓力下、不同剪切類型所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制水平位移-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線，見圖2。

圖2 不同剪切類型、不同荷載下水平位移-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.2 Horizontal displacement-shear stress curves with different shear types and loadings

通過圖2分析得知，水平位移-剪切應(yīng)力基本上呈現(xiàn)雙曲線關(guān)系，荷載越大，則其抗剪強(qiáng)度也越大；飽和剪切由于土體含水率高于天然剪切土體，故其抗剪強(qiáng)度明顯降低，這反映在工程實(shí)際中，當(dāng)膨脹土邊坡遇地下水、降雨浸泡時(shí)，其土體的抗剪強(qiáng)度較天然狀態(tài)下小，此時(shí)更容易產(chǎn)生滑坡等地質(zhì)現(xiàn)象，所以應(yīng)當(dāng)避免膨脹土邊坡長期浸泡。

為了對(duì)比分析在相同荷載作用下，不同的裂隙分布地帶其抗剪強(qiáng)度的差別，在高程133 m處分別進(jìn)行了50、75、100 kPa試驗(yàn)對(duì)比，繪制曲線如圖3～6所示。

圖3 相同荷載下(50 kPa)天然快剪水平位移-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.3 Horizontal displacement-shear stress curves of natural quick shear under the same loading (50 kPa)

圖4 相同荷載下(75 kPa)天然快剪水平位移-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 Horizontal displacement-shear stress curves of natural quick shear under the same loading (75 kPa)

圖5 相同荷載下(100 kPa)天然快剪水平位移-剪切應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.5 Horizontal displacement-shear stress curves of natural quick shear under the same loading (100 kPa)

圖6 不同垂直荷載下的試驗(yàn)剪切面Fig.6 Test shear surfaces under different vertical loadings

表3 不同垂直荷載下的試驗(yàn)剪切面參數(shù)Table 3 Parameters of testing shear surface under different vertical loadings

分析圖3～6及表3可以發(fā)現(xiàn)，即使在相同的垂直荷載作用下，土體的抗剪強(qiáng)度也有所不同。

（1）當(dāng)荷載50 kPa時(shí)，95133T-2試樣的剪切強(qiáng)度略大于 95133T-4試樣，現(xiàn)場描述發(fā)現(xiàn)該兩組裂隙面占剪切面面積均約為90%，但是裂隙面產(chǎn)狀不同，95133T-2以中～陡傾角為主，而95133T-4以緩傾角為主，故當(dāng)施加剪切荷載時(shí)，試樣更容易沿著緩傾角的裂隙面產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度較低。

（2）當(dāng)荷載75 kPa時(shí)，95133T-7試樣的剪切強(qiáng)度略大于 95133T-5試樣。在剪切面描述中，95133T-7試樣裂隙面僅占剪切面的25%，且以中～陡傾角為主，裂隙面最大起伏高差達(dá) 10 cm，而95133T-5試樣裂隙面占剪切面的40%，且以緩傾角為主，裂隙面最大起伏高差僅為1～5 cm，故當(dāng)施加剪切荷載時(shí)，試樣容易沿著緩傾角裂隙面滑動(dòng)產(chǎn)生破壞。

（3）當(dāng)荷載100 kPa時(shí)，95133T-6試樣的剪切強(qiáng)度略大于95133T-3試樣，雖然95133T-6試樣裂隙面占剪切面比例為90%，95133T-3試樣裂隙面占剪切面比例為70%，前者大于后者，但是前者裂隙面是以陡傾角為主，而后者以緩傾角為主，故當(dāng)施加剪切荷載時(shí)，試樣容易沿著緩傾角裂隙產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。

4 結(jié) 論

強(qiáng)膨脹土體由于長大裂隙極發(fā)育，且裂隙之間的貫通性非常好，裂隙之間充填的黏土厚度一般均比較大，使得強(qiáng)膨脹土體的承載力受裂隙的影響很大，裂隙發(fā)育程度主要影響土體的抗剪強(qiáng)度，因此強(qiáng)膨脹土的抗剪強(qiáng)度除了土體強(qiáng)度，還有裂隙強(qiáng)度，影響試樣抗剪強(qiáng)度的因素可以歸結(jié)為以下三點(diǎn)，按優(yōu)先考慮程度排序：

（1）裂隙面占剪切面的百分比，所占比例越大，裂隙面連通性越好，則抗剪強(qiáng)度就越小。

（2）當(dāng)裂隙面占剪切面的百分比相當(dāng)時(shí)，應(yīng)考慮裂隙面的產(chǎn)狀，與剪切面傾角相近的裂隙面更容易產(chǎn)生滑動(dòng)，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度偏小。

（3）裂隙面的起伏高差越大，裂隙面越不容易產(chǎn)生滑動(dòng)，抗剪強(qiáng)度也越大。

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