《工程地质分析原理》期末报告


《工 程地 质分 析 原理 》期 末报 告

南水北调中线工程膨胀土边坡稳定分析

学院:环境与土木工程学院 姓名:魏义亮 学号:200302083 老师:刘汉超教授

成都理工大学环境与土木工程学院 2004.6

工程地质分析原理作业 2

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天然斜坡或人工边坡形成过程中,岩土体内部原有的应力状态将随着过程的进行而发 生变化,引起应力集中等效应。斜坡岩体潍适应这种新的应力状态,将发生不同形式和不同 规模的变形与破坏,使斜坡日趋变缓。这是推动斜坡演变的内在原因。气候条件通过多种作 用方式改变斜坡的稳定状况。如分化作用、降雨(暴雨)作用、风蚀作用以及高寒地区的融 冻作用等。以上作用方式中,暴雨作用造成的威胁尤为普遍和突出。暴雨的作用实际上是通 过改变斜坡岩体的水动力状态来影响斜坡稳定性的。 暴雨对膨胀土的影响是更加重要和突出 的。膨胀土的破坏是与水有关的。我们应该高度重视膨胀土的破坏防治,找到引起破坏的原 因和对策,减小经济损失。 1工程条件 拟建的南水北调中线工程输水总干渠在南阳、 沙河及邯郸等地带分布有膨胀 土,累计长度为346.85km,约占总干渠总长(1266.495km) 的 2 7 % 。其 中 南 阳 地 区 约 1 0 0 k m ,以 中 、弱 膨 胀 性 土 为 主 ,其 自 由 膨 胀 率 为 6 0 % ~ 8 0 % ,强 膨 胀 土 较 少( 2 .5 k m );沙 河 南 地 区 约 6 6 k m ,沙 河 北 地 区 约 5 6 k m ,均 以 弱 膨 胀 土 为 主 ;邯 郸 地 区 约 4 0 k m ,以 中 、强 膨 胀 土为主(占近70%)。 在 这 种 地 区 建 设 工 程 往 往 会 带 来 一 系 列 的 问 题 或 事 故 ,如 地 基 隆 起 、路 基 开 裂 、边 坡 失 稳 等 ,造 成 了 巨 大 的 损 失 。这 类 问 题 不 论 国 内 或 国 外 均 时 有 发 生 。据 报 道 ,我 国 前 几 年 因 膨 胀 土 造 成 的 直 接 损 失 也 在 亿 元 级 之 数 。在 中 线 工 程 总 干 渠 上 有 这 么 长 的 膨 胀 土 渠 道 ,无 疑 会 给 工 程 建 设 带 来 不 少 的 麻 烦 。事 实 上 ,早 在 2 0 世 纪 7 0 年 代 初 ,在 南 阳 陶 岔 引 水 渠 的 开 挖 施 工 中 ,就 曾 在 膨 胀 土 层 中 发 生 过 1 3 处 大 滑 坡 。后 经 过 大 量 研 究 ,主 要 采 用 支 挡 加 固 的 方 法 ,才 稳 定 了 边 坡 ,但 这 样 不 仅 耗 费 了 大 量 资 金 ,也 影 响 完 建 的 工 期 。类 似 的 情 况 若 在 未 来 南 水 北 调 输 水渠道建设中再现,将会严重影响工程的建设和输水的安全性。 值 得 指 出 的 是 ,上 述 的 大 滑 坡 ,并 不 都 在 边 坡 较 陡 的 区 段 发 生 ,有 一 些 是 在 1 ∶ 6 的 平 缓 渠 坡 上 出 现 的 ,这 就 更 值 得 引 起 我 们 的 注 意 。情 况 表 明 ,放 缓 边 坡 并 非 解 决 膨 胀 土 边 坡 稳 定 的 良 策 ,有 时 甚 至 效 果 不 大 ,因 为 膨 胀 土 边 坡 的 破 坏 机 理 与 一 般 土 坡 失 稳 的 情 况 不 尽 相 同 。不 针 对 毛 病 对 症 下 药 ,其 结 果 可 能 是 既 耗 费 了 大 量 财 力 和 土 地 ,又 于 事 无 补 。因 此 ,如 何 解 决 好 膨 胀 土 渠 坡 滑 动 问 题 对 中 线 工程来说确是一个不可忽视的问题。

工程地质分析原理作业 3

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2膨胀土边坡稳定问题的研究 有 关 膨 胀 土 的 研 究 ,国 际 上 在 2 0 世 纪 5 0 ~ 7 0 年 代 曾 形 成 一 个 热 潮 ,因 为当时在工程中出现不少问题。 我国最早的研究是从20世纪60年代为解决膨 胀 土 地 区 房 屋 开 裂 和 倒 塌 而 兴 起 的 ,曾 研 究 过 膨 胀 土 的 鉴 别 ,测 试 技 术 等 ,以 及 制定规程规范的工作。研究的内容偏重于膨胀土的变形问题,也涉及其他问题, 如膨胀土的填筑标准等。 20世纪70~80年代, 铁路部门针对当时中西部地区若干条新建铁路的 边坡失稳问题,花了大量的研究经费进行了“裂土基本特性及其在路堤、路堑、 边 坡 工 程 中 的 应 用 技 术 条 件 研 究 ”,对 裂 土( 即 膨 胀 土 )的 基 本 性 质 、测 试 方 法 、 判 别 标 准 ,填 土 的 填 筑 条 件 以 及 处 理 措 施 等 进 行 了 多 方 面 的 试 验 研 究 ,获 得 了 许 多有用的成果。 20世纪80~90年代初, 长江水利委员会综勘局在南阳地区做过膨胀土 的 物 理 力 学 特 性 、边 坡 稳 定 分 析 的 方 法 和 参 数 等 方 面 的 较 系 统 的 研 究 ,这 些 研 究 除 了 涉 及 变 形 问 题 外 ,主 要 偏 重 于 强 度 参 数 及 其 变 化 规 律 的 研 究 。加 深 了 人 们 对 膨 胀 土 边 坡 失 稳 问 题 的 认 识 ,有 一 定 的 实 用 价 值 和 学 术 意 义 。但 上 述 成 果 中 对 膨 胀 土 的 破 坏 机 理 和 预 防 以 及 治 理 方 法 的 研 究 上 ,还 有 进 一 步 深 入 的 余 地 。2 0 世 纪 7 0 年 代 中 后 期 起 ,国 际 上 兴 起 研 究 非 饱 和 土 特 性 的 热 潮 ,并 将 已 举 办 了 多 届 的国际膨胀土会议转化为国际非饱和土会议, 其主要特点是将膨胀土作为一种主 要的非饱和土类来研究, 着力于研究非饱和膨胀土实际存在的吸力 (负孔隙压力) 对其力学性质的影响。 这种吸力的大小及其变化是影响膨胀土边坡稳定的重要因 素 。由 此 使 膨 胀 土 的 研 究 进 入 到 一 个 新 的 更 理 性 的 阶 段 。在 我 国 ,把 非 饱 和 土 理 论引入到膨胀土的研究中是从20世纪80年代后期至90年代初期开始的。 其 间 对 吸 力 在 非 饱 和 膨 胀 土 中 的 大 小 、特 性 、变 化 规 律 ,以 及 边 坡 稳 定 的 理 论 分 析 方 面 均 有 不 少 研 究 ,对 边 坡 失 稳 的 预 报 方 面 也 进 行 了 初 步 的 认 识 ,并 在 近 年 进 行 了 若 干 次 大 型 现 场 试 验 ,对 失 稳 机 理 有 了 更 深 刻 的 认 识 ,并 在 防 治 措 施 方 面 的 选 择 和 优 化 有 了 更 准 确 的 依 据 。这 些 成 果 将 对 膨 胀 土 地 区 的 工 程 建 设 ,具 有 实 际 意 义。 3膨胀土的特性和滑坡形态

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膨胀土是一种特殊土, 这是由于它具有一般粘性土所没有的特殊性质而致然 的 。通 常 把 这 些 特 殊 性 质 归 结 为“ 三 性 ”,即 胀 缩 性 、裂 隙 性 和 超 固 结 性 。然 而 这“ 三 性 ”既 不 是 互 不 联 系 ,也 不 是 并 立 的 ,它 们 对 边 坡 稳 定 的 作 用 也 不 尽 相 同 。 在 这 三 者 中 ,胀 缩 性 是 由 于 土 的 粘 土 矿 物 成 分 、胶 结 物 质 成 分 和 结 构 特 征 而 造 成 的 遇 水 膨 胀 、失 水 收 缩 的 特 性 ,属 于“ 内 因 ”。由 于 膨 胀 软 化 或 收 缩 开 裂 而 导 致 土的体积和状态的变化, 从而使土开裂, 故胀缩性是引起裂隙性的主要原因之一。 但 裂 隙 性 对 土 体 的 强 度 影 响 极 大 ,因 为 裂 隙 不 仅 破 坏 了 膨 胀 土 的 整 体 性 ,而 且 裂 隙 为 雨 水 的 渗 入 开 了“ 方 便 之 门 ”,使 水 分 快 速 进 入 土 体 中 并 特 别 使 在 裂 隙 周 边 的 土 体 迅 速 软 化 ,并 逐 渐 向 周 围 扩 展 ,同 时 负 孔 隙 压 力( 吸 力 )也 迅 速 降 低 ,由 此 大 大 地 降 低 了 土 的 抗 剪 强 度 ,使 土 体 容 易 沿 薄 弱 面 滑 动 ,因 此 裂 隙 性 是 影 响 土 坡 稳 定 性 的 关 键 因 素 。至 于 超 固 结 性 是 由 于 土 层 的 沉 积 受 荷 历 史 、年 代 和 土 体 干 燥 和 陈 化 等 因 素 引 起 的 ,它 会 促 进 裂 隙 的 发 展 和 土 体 软 化 特 性 的 加 剧 ,因 此 是 一 个 促 进 膨 胀 土 特 殊 性 质 的 因 素 。鉴 此 ,可 以 认 为 ,裂 隙 性 是 影 响 膨 胀 土 力 学 性 质 和 边 坡 稳 定 性 的 关 键 因 素 ,胀 缩 性 是 内 在 因 素 ,超 固 结 性 是 促 进 因 素 ,三 者 互 有 联系但不是并立的。鉴于裂隙对膨胀土性质的重要性,因此有些部门(铁道等) 将 膨 胀 土 称 为“ 裂 土 ”是 有 道 理 的 。当 研 究 膨 胀 土 坡 稳 定 时 ,裂 隙 是 一 个 不 能 忽 视 的 问 题 。目 前 有 些 研 究 中 绕 开 了 这 个 难 题 ,使 成 果 的 价 值 降 低 ,也 不 能 很 好 解 决实际问题。 膨 胀 土 坡 的 失 稳 在 工 程 中 屡 屡 发 生 ,导 致 这 种 滑 坡 的 原 因 主 要 有 :① 古 滑 坡 或现存的薄弱结构面因工程施工造成应力状态改变而重新复活; ②膨胀的特殊性 质 。对 于 前 者 ,只 要 探 明 古 滑 坡 或 结 构 面 的 位 置 ,比 较 容 易 解 决 ;对 于 后 者 ,问 题复杂些,本文只就后者加以讨论,但有些观点也适用于前者。 首 先 必 需 指 出 ,膨 胀 土 滑 坡 一 般 具 有 几 个 显 著 的 特 征 :① 滑 动 往 往 在 持 续 降 雨 的 情 况 下 发 生 ;② 多 数 属 浅 层 滑 动 ;③ 有 不 少 滑 坡 是 渐 进 式 的 或 牵 引 式 的 ;④ 在 相 当 平 缓 的 边 坡 上 也 会 发 生 。膨 胀 土 滑 坡 的 这 些 特 征 ,除 了 当 地 的 气 象 和 地 形 等因素外,主要是由膨胀土本身的特性决定的。 2001年中期, 长江科学院与香港科技大学在南阳地区附近枣阳的一个运 用多年的渠道上进行了大规模的现场降雨入渗试验,得到了不少有意义的成果, 有助于解释上述的滑坡特征。 4膨胀土边坡失稳的原因分析

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降 雨 入 渗 是 触 发 滑 坡 发 生 的 主 要 诱 因 。要 了 解 膨 胀 边 坡 失 稳 的 机 理 ,必 须 研 究 降 雨 对 滑 坡 是 如 何 发 生 作 用 的 ,2 0 0 1 年 5 ~ 9 月 ,长 江 科 学 院 与 香 港 科 技 大 学 在 香 港 R G C( R e s e a r c h G r a n t s C o u n c i l )基 金 和 长 科院科研基金的资助下, 选择了与南阳地区相近的一个已运用多年的输水渠边坡 上进行了大规模的人工降雨试验。 试验段坡高11m, 坡度比为1∶2. 5左右, 试 验 坡 面 约 为 3 1 m ×1 6 m ,在 试 验 场 地 埋 设 了 许 多 精 密 可 靠 的 观 测 仪 器 ,用 以 观 测 吸 力 、含 水 量 、位 移 、沉 降 、土 压 力 、土 温 、降 雨 量 、蒸 发 量 和 地 表 径 流 量 等 ,并 用 专 门 布 置 的 降 雨 器 进 行 了 两 次 人 工 降 雨 ,累 计 量 达 5 7 0 m m ,试 验 中获取了大量的试验数据和相关资料,并得出了一些有价值的结论。 4.1吸力和含水量的变化 从 吸 力 和 含 水 量 的 变 化 看 ,降 雨 2 d 后 ,土 的 表 层 的 吸 力( 负 孔 压 )开 始 急 剧 降 低 ,甚 至 达 到 零 或 小 量 正 孔 压 ,但 其 影 响 深 度 仅 为 2 .0 m 左 右 。这 是 因 为 降 雨 前 土 体 受 气 候 等 影 响 ,在 1 .5 ~ 2 .0 m 深 度 内 ,发 育 了 密 集 而 又 有 一 定 开 度 的 裂 隙 。当 降 雨 时 ,雨 水 很 快 沿 裂 隙 下 渗 到 这 个 深 度 ,使 裂 隙 周 边 的 土 吸 水 膨 胀 并 逐 渐 向 周 边 扩 散 ,从 而 使 上 层 2 .0 m 左 右 内 的 土 体 饱 和 。与 此 同 时 ,裂 隙 也 因 膨 胀 而 逐 渐 闭 合 ,土 体 的 渗 透 系 数 因 而 减 小 ,达 到 一 般 高 塑 性 粘 土 1 0 - 8 c m ?s 的 量 级 , 水 分 下 渗 的 阻 力 增 大 。 这 时 的 入 渗 情 况 与 降 雨 初 期 的 入 渗 情 况 有 根 本 的 区 别 ,因 此 继 续 入 渗 深 度 极 其 有 限 ,一 旦 雨 停 后 ,入 渗 即 刻 停 止 ,土 中 的 水 分 继 续 向 周 围 扩 散 ,土 中 的 负 孔 压 又 会 再 次 出 现 和 发 展 。含 水 量 的 变 化 规 律基本与此相同。 土 体 的 吸 水 膨 胀 带 来 两 方 面 的 问 题 :① 降 低 了 土 中 的 负 孔 压( 吸 力 ),使 有 效应力降低;②土体因膨胀而软化,使土的抗剪强度指标降低(尤其是C值)。 这两者都削弱了土的抗剪强度从而使边坡失稳。 但这种情况只发生1. 5~2. 0 m 左 右 的 深 度 内 ,以 下 的 土 层 影 响 较 小 ,它 们 的 抗 剪 强 度 也 基 本 保 持 在 原 来 非 饱 和 状 态 时 的 值 。这 就 是 膨 胀 土 边 坡 常 常 是 浅 层 滑 坡 的 主 要 原 因 之 一 。以 往 膨 胀 土 边 坡 分 析 中 ,常 套 用 饱 和 粘 土 边 坡 的 稳 定 分 析 方 法 和 强 度 指 标 进 行 设 计 ,这 是 不 真实的,也不合理,对下部土层过于保守,而对上层土体可能不够安全。 4.2上部土层水平应力变化

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膨胀土浅层滑坡的另一重要原因是与上部土层中顺坡向的水平应力σ h, a c与横坡内 (顺渠道水流方向) 水平应力σ h, al在降雨2d后急剧增大有关, 据 测 定 ,在 坡 面 的 不 同 部 位 ,上 层 土 体 中 某 处 的 水 平 应 力 σ h 与 垂 直 应 力 σ v 的 应 力 比( σ h σ v )在 2 后 即 由 0 .4 增 至 2 .7 ,且 σ h ,a l 的 应 力 比 比 σ h ,a c 的 应 力 比 要 大 ,最 大 应 力 比 可 达 3 .2 。该 应 力 比 与 按 朗 肯 土 压 力 理 论 算 得 的 被 动 极 限 状 态 土 压 力 系 数( 2 .0 ~ 3 .1 )相 近 。由 此 可 见 ,膨 胀 土 上 部 土 体 已 接 近 和 达 到 被 动 极 限 状 态 ,这 种 状 态 发 展 下 去 ,将 会 使 部 分 应 力 迁 移 到 周 围 土 体 上 ,导 致 塑 性 区 沿 膨 胀 土 的 裂 隙 面 扩 展 最 后 形 成 滑 动 面 ,这 也 是 浅 层 滑 坡发生的原因之一。上面提到的超固结性将会促进这种机理的发展。 4.3土体膨胀和位移对浅层滑动的影响 土体膨胀和位移对浅层滑动也有影响。 土体膨胀也是在降雨1~2d后开始 发 生 的( 有 的 部 位 则 要 延 滞 4 ~ 6 d )。测 得 的 最 大 膨 胀 量 为 3 1 m m 。其 规 律 是 坡 面 上 部 比 坡 面 下 部 的 膨 胀 量 大 。这 是 与 坡 面 下 部 的 应 力 较 大 有 关 ,也 可 能 与 下部的含水量较高有关。 土 体 中 的 水 平 位 移 是 由 测 斜 管 施 测 的 。降 雨 初 期 ,水 平 位 移 主 要 沿 顺 坡 向 发 展 ,沿 横 坡 向 的 较 小 ,这 与 顺 坡 向 压 应 力 有 关 。其 次 ,坡 面 下 部 的 水 平 位 移 比 坡 面 上 部 的 大 得 多 。这 预 示 着 如 果 边 坡 失 稳 ,则 滑 坡 可 能 从 下 部 先 发 生 ,然 后 逐 步 向上牵引式发展。 5关于膨胀土滑坡防治对策的建议 根据上述的分析, 我们已了解了膨胀土边坡滑动通常具有浅层性和渐进性的 特 点 。依 据 这 个 认 识 ,我 们 就 可 以 对 防 治 对 策 提 出 一 些 想 法 ,这 些 措 施 包 括 以 下 几点: ( 1 )首 先 必 须 对 边 坡 的 防 水 和 排 水 措 施 进 行 细 致 的 设 计 ,一 方 面 要 防 止 边 坡 上 雨 水 的 大 量 渗 入 ,同 时 又 要 设 置 良 好 的 畅 通 的 排 水 系 统 ,使 雨 水 尽 快 从 坡 面 上排走。 ( 2 )对 已 经 产 生 了 裂 隙 的 上 部 土 层 ,最 好 采 用 就 地 翻 松 和 再 压 实 的 方 法 将 裂 隙 消 除 ,并 在 其 上 加 一 定 的 覆 盖( 临 时 性 的 也 可 ),不 要 让 已 处 理 好 的 土 坡 在 阳光下暴露过久,使新的裂缝不再产生。

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( 3 )为 了 尽 量 消 除 膨 胀 性 的 影 响 ,可 以 在 表 层 再 压 实 的 过 程 中 掺 入 一 定 量 的 土 工 合 成 纤 维 ,形 成 纤 维 土 ,以 增 强 土 体 抵 抗 体 积 膨 胀 的 能 力 ,或 者 采 用 土 工 加 筋 带 加 强 边 坡 抗 滑 能 力 。这 个 措 施 需 作 专 门 的 实 验 研 究 。目 前 如 果 抓 紧 立 项 进 行研究,还来得及为中线工程提供合理的实用的方案。 ( 4 )渠 道 护 坡 的 护 面 设 计 中 应 注 意 护 面 下 设 一 定 厚 度 的 过 渡 垫 层 。该 垫 层 可 以 采 用 砂 ,也 可 以 采 用 刚 度 适 宜 且 具 有 一 定 透 水 性 的 泡 沫 土 工 合 成 材 料 ,后 者 可以起垫层和排水层的作用, 也可起保温层的作用, 有助于北方地区的冬季输水, 而且还可起吸收膨胀能的作用,这项措施也要抓紧先做必要的研究工作。 (5)对深层整体滑动也要进行校核,但所用强度指标应与浅层的不同。 6结语 膨胀土边坡稳定性问题是当前南水北调中线工程中一个需要进一步研究解 决 的 紧 迫 问 题 。本 文 从 膨 胀 土 特 性 出 发 ,针 对 膨 胀 土 地 区 边 坡 滑 动 形 态 具 有 浅 层 性 和 牵 引 性 的 特 征 ,分 析 了 失 稳 的 机 理 和 原 因 ,并 在 此 基 础 上 针 对 性 地 提 出 了 防 治 对 策 的 建 议 。同 时 指 出 ,在 设 计 中 套 用 饱 和 粘 土 边 坡 的 稳 定 分 析 方 法 或 仅 采 取 放缓边坡的措施,并不是解决膨胀土边坡失稳的良策。


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