赵二平9.19日报告.pdf

1 南水北调中线干线工程膨胀岩基本力学特性分析南水北调中线干线工程膨胀岩基本力学特性分析 2014, 宜昌, 中国 赵二平赵二平 三峡大学三峡大学 2 1 前言前言 2 膨胀岩力学特性研究膨胀岩力学特性研究 3 结论与建议结论与建议 Contents 会议汇报会议汇报2014 2014, 宜昌, 中国 3 1 前言前言 2 膨胀岩力学特性研究膨胀岩力学特性研究 3 结论与建议结论与建议 Contents 会议汇报会议汇报2014 2014, 宜昌, 中国 4 工程背景工程背景 南水北调是缓解中国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工南水北调是缓解中国北方水资源严重短缺局面的重大战略性工 程。大多采用明渠输水，总干渠渠坡或渠底涉及到膨胀岩土的程。大多采用明渠输水，总干渠渠坡或渠底涉及到膨胀岩土的 渠段累计约渠段累计约340公里，约占明渠段的三分之一。公里，约占明渠段的三分之一。 南水北调线路图南水北调线路图 5 本研究所取研究岩取自中线本研究所取研究岩取自中线河南安阳段河南安阳段。。安阳段属于安阳段属于温带季风温带季风 气候区气候区。。夏秋夏秋两季受太平洋副热带高压控制，两季受太平洋副热带高压控制，多东南风、炎热多东南风、炎热 多雨多雨；；冬春冬春两季受西伯利亚和蒙古高压控制，盛行两季受西伯利亚和蒙古高压控制，盛行西北风、干西北风、干 燥少雨燥少雨。。土岩双层结构上层以土岩双层结构上层以粘性土粘性土为主，下层为为主，下层为膨胀泥灰膨胀泥灰 岩岩段。本渠段以半挖半填为主，渠道挖深一般段。本渠段以半挖半填为主，渠道挖深一般1 1～～9m9m。泥灰岩。泥灰岩 具微～中等透水性，前期地质勘探资料显示大部分地下水位具微～中等透水性，前期地质勘探资料显示大部分地下水位 低于渠底。低于渠底。 6 取样取样 7 泥灰岩基本物理性质成果总表泥灰岩基本物理性质成果总表 编号编号 含含 水水 率率 湿湿 密密 度度 干干 密密 度度 比比 重重 液液 限限 塑限塑限 塑性塑性 指数指数 塑性塑性 指数指数 按塑性按塑性 图定名图定名 17mm 自自 由由 膨膨 胀胀 率率 w ρ ρ d d Gs wL10 wL17 wp I10P I17P g/cm3 g/cm3 1-1 11.8 2.23 2.23 2.67 34.6 38.8 17.2 17.4 21.6 CL 50.5 1-2 13.3 2.23 2.22 2.68 35.1 44.2 17.7 17.4 26.5 CL 44.5 1-3 11.4 2.36 2.36 2.69 26.8 32.7 14.6 12.2 18.1 CL 59.5 2-2 14.0 2.31 2.30 2.61 29.5 35.9 16.4 13.1 19.5 CL 45.0 2-3 12.7 2.38 2.38 2.67 30.3 36.9 17.1 13.2 19.8 CL 50.0 2-5 15.5 1.79 1.79 2.68 31.7 37.1 19.1 12.6 18 CL 42.5 8 1.该段膨胀岩具有低液限、低塑性。该段膨胀岩具有低液限、低塑性。 2.南水北调河南安阳段泥灰岩样的自由膨胀率介于南水北调河南安阳段泥灰岩样的自由膨胀率介于 34-57之间，依据之间，依据膨胀土地区建筑技术规范膨胀土地区建筑技术规范 （（GBJ112-87），南水北调河南安阳段泥灰岩属于弱），南水北调河南安阳段泥灰岩属于弱 膨胀。膨胀。 基本物理性质小结基本物理性质小结 9 试样编号试样编号 蒙脱石蒙脱石 石英石英 方解石方解石 1-1 15 15 70 1-3 10 5 85 2-5 15 20 65 矿物成分含量表矿物成分含量表 10 1 前言前言 2 膨胀岩力学特性研究膨胀岩力学特性研究 3 结论与建议结论与建议 Contents 会议汇报会议汇报2014 2014, 宜昌, 中国 11 对于某一特定挖方边坡而言， 土（岩）的结构与密度在局 部范围内的变化不会太大。 相对而言，含水量的变化对 强度的影响可能远大于其它 因素，对结构稳定性的影响 更明显。 强度特性强度特性 12 膨胀岩重塑样膨胀岩重塑样 不同含水率试样直剪试不同含水率试样直剪试 验和干湿循环试验验和干湿循环试验 试验设 计 对象对象 方法方法 13 试样抗剪强度 随着上覆压力 的增大，逐渐 增加。 试验结果 分析 抗剪强度随含水率的变化规律抗剪强度随含水率的变化规律 0 50 100 150 200 250 300 350 400 050100150200250 垂直应力/KPa 剪应力/KPa 含水率15.54 含水率13.46 含水率12.46 1-2 0 50 100 150 200 250 300 050100150200250300350400450 垂直应力/KPa 剪应力/KPa 含水率18.48 含水率14.77 含水率11.54 1-1 0 50 100 150 200 250 300 350 050100150200250 垂直应力/KPa 剪应力/KPa 含水率13.37 含水率11.91 含水率9.28 1-3 14 粘聚力随着含 水率的增大而 减小 试验结 果分析 粘聚力随含水率的变化规律粘聚力随含水率的变化规律 c -11.877w 251.75 R2 0.9262 0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00 140.00 10.00 11.00 12.00 13.00 14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 含水率（） 粘聚力/KPa 1-1 c -38.889w 671.27 R2 0.8077 0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 10.0011.0012.0013.0014.0015.0016.00 含水率（） 粘聚力/KPa 1-2 c -17.016w 303.52 R2 0.7348 0 20 40 60 80 100 120 140 160 9.0010.0011.0012.0013.0014.00 含水率/ 粘聚力/kpa 1-3 15 摩擦角随着含 水率的增大而 减小 试验结果 分析 摩擦角随含水率的变化规律摩擦角随含水率的变化规律 φ -4.8839w 95.235 R2 0.9588 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 45.00 9.0011.0013.0015.0017.0019.00 含水率（） 粘聚力/KPa 1-1 φ -6.3158w 112.96 R2 0.8265 0.00 5.00 10.00 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 9.0010.0011.0012.0013.0014.0015.0016.00 含水率（） 粘聚力/KPa 1-2 1-3 φ -4.0529w 71.42 R2 0.9479 0 5 10 15 20 25 30 35 40 9.0010.0011.0012.0013.0014.00 含水率（） 粘聚力/KPa 16 粘聚力c在第一 次循环以后，急剧衰 减，第二次循环 以后继 续衰减，但是在 第3次循环时其值 又稍微增大了一点， 第四次循环后继续 衰减。 试验结果 分析 粘聚力与摩擦角随干湿循环的变化规律粘聚力与摩擦角随干湿循环的变化规律 Φ值在第一次循环时衰减较大值在第一次循环时衰减较大，，之后其值又回升之后其值又回升，，再再 之后起伏变化之后起伏变化，，但总的数值变动幅度不大但总的数值变动幅度不大。。 0 10 20 30 40 50 60 012345 干湿循环次数 2--4粘聚力/kPa 2--4摩擦角 17 试验结果 分析 粘聚力与摩擦角随干湿循环的变化规律粘聚力与摩擦角随干湿循环的变化规律 干湿循环对膨胀岩粘聚力的影响很大干湿循环对膨胀岩粘聚力的影响很大，，特别是第一次特别是第一次 干湿循环干湿循环，，其粘聚力急剧衰减其粘聚力急剧衰减，，在进行边坡设计和稳在进行边坡设计和稳 定性分析时定性分析时，，必须考虑季节性干湿循环对土体抗剪强必须考虑季节性干湿循环对土体抗剪强 度的影响度的影响。。 18 渗透特性渗透特性 膨胀岩渗透特性主要影响因素 粒度成分、矿物成分、土体结构、孔隙比、比土中结粒度成分、矿物成分、土体结构、孔隙比、比土中结 合水膜的厚度、土中密闭的气体、饱和度及土中水的合水膜的厚度、土中密闭的气体、饱和度及土中水的 粘滞度等等粘滞度等等 19 膨胀岩重塑样膨胀岩重塑样 饱和与非饱和渗透试验饱和与非饱和渗透试验 试验设 计 对象对象 方法方法 20 渗透系数在9.16E-78.58E-6 cm/s（9.16E-98.58E-8 m/s）之间，属于 弱、微透水性。 试验结 果分析 饱和渗透特性饱和渗透特性 试样编号试样编号 初始含水率初始含水率 初始密度（初始密度（g/cm3）） 饱和渗透系数（饱和渗透系数（cm/s）） 1-1 11.80 1.85 9.16E-07 1-3 11.40 1.92 8.58E-06 2-2 13.96 2.02 1.50E-06 2-4 14.50 1.92 2.17E-06 21 试验结 果分析 不同干密度膨胀岩的饱和渗透特性不同干密度膨胀岩的饱和渗透特性 干密度干密度 渗透系数（渗透系数（cm/s）） 孔隙比孔隙比 孔隙率孔隙率 1-1 1.55 4.81E-06 0.722581 0.419476 1.6 2.37E-06 0.66875 0.400749 1.65 9.16E-07 0.618182 0.382022 1.7 8.68E-07 0.570588 0.363296 2-4 1.65 4.28E-06 0.624242 0.384328 1.68 2.17E-06 0.595238 0.373134 1.7 1.67E-06 0.576471 0.365672 1.8 1.46E-07 0.488889 0.328358 随着干密度的增加，饱和渗透系数逐渐减小。 22 试验结 果分析 不同孔隙比膨胀岩的饱和渗透特性不同孔隙比膨胀岩的饱和渗透特性 2-4 1-1 y 7E-10e12.089x R2 0.9264 0 0.000001 0.000002 0.000003 0.000004 0.000005 0.000006 00.10.20.30.40.50.60.70.8 e kcm/s y 7E-13e25.194x R2 0.9935 0 0.0000005 0.000001 0.0000015 0.000002 0.0000025 0.000003 0.0000035 0.000004 0.0000045 0.000005 00.10.20.30.40.50.60.7 e kcm/s 23 土水特征曲线试验结果分析土水特征曲线试验结果分析 0.2650 0.2700 0.2750 0.2800 0.2850 0.2900 0.2950 0.3000 0.3050 1101001000 Ψ kPa θ m3/m3 实测值 预测值 V-G模型拟合结果 24 小结小结 （（1 1）膨胀岩重塑样的饱和渗透系数介于）膨胀岩重塑样的饱和渗透系数介于9.16e9.16e- -7 7 cm/s 8.58e8.58e- -6 6 cm/scm/s之间，属于之间，属于弱、微透水性弱、微透水性。膨胀岩的饱和渗。膨胀岩的饱和渗 透系数随着干密度的增加近似呈透系数随着干密度的增加近似呈负指数关系负指数关系递减。递减。 （（2 2）在）在0 0400kPa400kPa的吸力范围内，膨胀岩体积含水量随着的吸力范围内，膨胀岩体积含水量随着 吸力的增加降低幅度较小。利用吸力的增加降低幅度较小。利用V V- -G G模型模型，将试验结果进，将试验结果进 行行拟合拟合，得出了该膨胀岩试样的土水特征曲线。同时，，得出了该膨胀岩试样的土水特征曲线。同时，预预 测测了该膨胀岩试样的非饱和渗透系数。了该膨胀岩试样的非饱和渗透系数。 25 1 前言前言 2 膨胀岩力学特性研究膨胀岩力学特性研究 3 结论与建议结论与建议 Contents 会议汇报会议汇报2014 2014, 宜昌, 中国 26 3结论结论 1.1.根据现场踏勘，选取河南安阳段进行取样。试样自由膨胀根据现场踏勘，选取河南安阳段进行取样。试样自由膨胀 率介于率介于4040- -6565之间，具有弱膨胀潜势。之间，具有弱膨胀潜势。 2. 膨胀岩的抗剪强度指标粘聚力c，摩擦角φ，均随着含水 率的变化而变化；粘聚力c和摩擦角φ随着含水量的增加， 基本呈线性逐渐减小，表明膨胀岩试样吸水后产生软化； 干湿循环试验中，膨胀岩在第一次干湿循环以后，粘聚 力c的降低非常大，经历几次干湿循环以后，c值逐渐趋 于稳定；而内摩擦角φ，随着干湿循环的进行，其值起 伏不定，但起伏的幅度并不大。 27 3. 膨胀岩饱和试样渗透系数介于9.16E-78.58E-6之间， 具有弱、微透水性；非饱和试样的下渗能力随着初始含 水量的增加而逐渐减小；并且同一种膨胀岩试样，其饱 和渗透系数随着干密度的增加，呈负指数形式递减。 28 4. 天然状态膨胀岩试样的无荷膨胀率介于2.3410.8之 间；膨胀岩试样的膨胀性随着初始含水量的增加而减小。 膨胀岩试样的有荷膨胀膨胀率随着上覆压力的增大，逐 渐减小，当垂直压力超过一定大小时，膨胀率变为负值， 产生了压缩变形，此时膨胀岩试样不再膨胀，膨胀岩有 荷膨胀率与上覆压力基本呈负指数关系。 29 5. 开挖施工期对膨胀土（岩）渠坡的稳定有一定的影响。 可能会造成岩体松动，并在岩体内部产生裂隙，降低岩 体质量，进而引起渠坡的失稳。对坡体开挖进行数值模 拟结果也显示，考虑开挖卸荷效应对岩土体造成的损伤， 坡体的稳定性会有所减小。 30 6. 降雨条件下，坡体材料吸水软化，边坡稳定性受到较大 影响。降雨强度越大、时间越长，坡体稳定安全系数越 低。当降雨强度和降雨时间超过一定值时，边坡将失稳 破坏。 31 7. 蓄水条件下，渠坡膨胀土（岩）内部的含水率均会随着 蓄水的进行逐渐增大。说明渠道存在一定的渗漏。渠坡 膨胀土（岩）含水率升高，膨胀土（岩）吸水软化，可 能使衬砌结构产生裂缝和断裂。同时，水位降落阶段， 渠坡膨胀土（岩）内部的含水率逐渐减小。对水位升降 作用下渠坡的稳定性进行数值模拟，结果显示，蓄水速 度越快，水位越高，坡体内部的渗流场对边坡的稳定越 不利。水位降落以后，坡体内部岩土体含水率降低，边 坡的稳定性又会有所提高。 32 8. 降雨强度、降雨持时、蓄水高度、蓄水速度、水位降落 速度均对边坡的稳定性产生重要影响。降雨时间越长， 降雨强度越大，边坡稳定安全系数越小。蓄水高度越高， 边坡稳定安全系数越小。水位降落速度越快，边坡稳定 安全系数越小。在进行边坡设计施工时，必须考虑到降 雨以及水位升降可能对边坡体内地下水位以及渗流场产 生的影响，提前采取预防措施，有效防止或控制坡体的 变形破坏，保证构筑物的正常运行，减小财产的损失。 33 建议 渠坡的开挖，应尽量在旱季施工，并事先采取可靠的措 施以防不测风雨；预留保护层；根据实际情况抽排或疏 排；已开挖好的边坡上，应尽量避免大型的挖掘和碾压 或吊装的重型设备通行，坡顶附近尽量避免堆放渣土和 有关施工材料，否则会导致坡体内裂隙的贯通，边坡向 临空面的变形增大，从而引起边坡的变形破坏。 可适当增加上覆换填土层厚度或者采用水泥土等措施增 加下伏膨胀岩上覆压力，控制膨胀岩的膨胀变形。 34 可适当增加上覆换填土层厚度或者采用水泥土等措施增 加下伏膨胀岩上覆压力，控制膨胀岩的膨胀变形。 必须采取有效的排水与防渗措施防止膨胀岩的含水量产 生过大的变幅。若坡顶未做防渗排水处理，雨水渗入渠 坡，坡体含水量增大，容易产生滑坡，所以坡顶要做防 渗处理；同时，为防止坡顶截流沟积水渗入渠道，必要 时也要进行防渗；坡体内部布置排水盲沟等；施工时设 置降水井或集水井降水排水；也可采取铺设涵洞、涵管 的方法。 35  换填土层与膨胀岩的渗透性存在较大差异时，为防止雨季 产生过大的水头差，导致出现处理层的顶托破坏，应复核 处理层的稳定性。 边坡的防护结构，仅仅采用刚性衬砌形式对吸收膨胀变 形是不利的，应以柔性结构为宜，这样能够适应边坡土 体可能产生的胀缩变形，对提高膨胀岩渠坡的稳定性有 力，同时也可以减小衬砌破坏的概率可能性。可采用聚 苯乙烯泡沫板，外加混凝土衬砌面表两部分，实现刚柔 并济，增加渠坡稳定性。 36 加强坡脚和渠底的沉降监测，做到早发现，早治理。 37 ACKNOWLEDGEMENTS 非常感谢各位的聆听非常感谢各位的聆听 谢谢谢谢 Thank you for your attention