膨胀土工程特性渠坡破坏机理及防治对策文档格式.docx
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此外，其反复胀缩变形及引起的强度衰减还对工程的长期安全运行构成隐患。
矿物及化学成分和微观结构是膨胀土胀缩特性的内在因素。
膨胀土的粘土矿物主要为蒙脱石、伊利石和高岭石等，但胀缩特性主要由亲水性粘土矿物蒙脱石和伊利石决定，它具有较大的比表面及阳离子交换量，在与水相互作用过程中，能吸水引起粒间膨胀及矿物晶体膨胀。
粘土矿物在微观下具有不同的形状、排列方式及定向性等，不同的微观结构具有不同的膨胀特性。
对膨胀土蒙脱石含量和阳离子交换量的测定，可以作为膨胀特性评判的依据之一。
（1）膨胀土颗粒组成
我国膨胀土中含有较多的粘粒，一般粘粒含量高达35%以上，常属高分散性土，见表1-1。
在同一地质单元或地貌单元区，粘粒含量与土的膨胀性有一定相关性，总体上两者间呈正相关。
但在不同地质单元区之间，粘粒含量与土体膨胀性之间相关性不明显，见图1-1。
表1-1我国部分水利工程膨胀土颗粒成分
序号
工程名称
地区
粒级含量
>
0.05mm
0.05~0.005mm
<
0.005mm
0.002mm
1
新汴河排洪渠
安徽宿州
10
46
44
26
2
高级渠
河北邯郸
11
39
50
30
3
南湾灌渠
河南信阳
7
40
53
32
4
漳河总干渠
湖北荆门
8
47
45
37
5
东风灌渠
四川成都
6
那板干渠
广西上思
35
58
42
南盛引水渠
广东茂名
28
西大沟引水渠
云南蒙自
57
38
9
花溪水库
贵州贵阳
61
36
引嫩工程
黑龙江富裕
引丹五干渠
湖北襄樊
12
岳城水库
河北磁县
27
67
41
（据刘特洪，1998）
图1-1南阳膨胀土试验段及南阳盆地膨胀土（岩）粘粒含量与膨胀性关系
（2）矿物组成
膨胀土的矿物成分包括粘土矿物和碎屑矿物。
影响膨胀土特性的是粘土矿物比例和成分。
矿物成分测定主要利用X射线衍射法（简称XRD法）。
XRD法是通过粘土矿物X射线衍射图谱，采用专用程序并根据粘土矿物2θ角强度和波峰宽度定量计算粘土矿物含量的方法。
膨胀土的碎屑矿物主要成分为石英和长石，少量为方解石和赤铁矿。
碎屑矿物的特点是物理、化学性质稳定或较稳定，这也是为什么膨胀土中掺砂、掺粉煤灰能够改变其膨胀性的原因。
粘土矿物中，蒙脱石含量的多少是决定土体膨胀潜势的关键。
南阳盆地灰绿色膨胀土蒙脱石含量最高，占30%~50%；
棕红色、赤红色膨胀土蒙脱石含量次之，占25%~30%；
褐黄色、黄褐色、棕黄色膨胀土蒙脱石含量占11%~25%；
灰褐色膨胀土蒙脱石含量最低，占7%~15%
我国的膨胀土主要分布在侏罗系、白垩系、第三系和第四系。
长江流域中下游地区侏罗系层间软弱夹层富含蒙脱石矿物，常常发育成为大型或巨型滑坡的滑带，如重庆万州一系列水平滑坡、嘉陵江流域众多的水平滑坡、云阳等地的巨型岩质滑坡。
新近世（N）粘土岩普遍具有中—强膨胀性，特别是灰绿色、灰白色粘土岩蒙脱石含量高、颗粒细腻，膨胀性强，膨胀力大。
第四系膨胀土的矿物成分、膨胀性具有强烈的随机性。
总地看，湖泊相或河湖相沉积的膨胀土蒙脱石含量相对较高，冲积、冰积膨胀土蒙脱石含量较小；
具有红土特性的残坡积膨胀土蒙脱石含量较高。
从膨胀土的化学成分Si/Al比也可间接判断矿物成分。
（3）阳离子交换量
引起膨胀土膨胀的主要矿物是蒙脱石，蒙脱石层间含有可交换性阳离子，阳离子交换量可以大致反映膨胀土中蒙脱石粘土矿物的近似含量。
阳离子交换量依据国标《膨润土》（GB/T20973—2007）的原理，用氯化钡溶液处理膨胀土，钡离子与膨胀土中交换性阳离子发生等量交换，膨胀土中交换性钡与硫酸镁反应，生成硫酸钡沉淀，以消耗加入的标准硫酸镁溶液测定出膨润土的阳离子交换量。
南阳盆地坡积灰褐色粉质粘土阳离子交换量最低；
弱膨胀粉质粘土阳离子交换量24.47~36.69mmol/100g，平均值31.08mmol/100g；
中膨胀粉质粘土阳离子交换量29.10~36.07mmol/100g，平均值36.07mmol/100g。
南阳石膏坑灰绿色粘土岩阳离子交换量最高，为67.57mmol/100g。
说明膨胀土阳离子交换性能与其沉积环境密切相关，阳离子交换量与土体膨胀性有很好的对应性。
（4）钙质结核
钙质结核在膨胀土中十分普遍，且对膨胀土的性质有重要影响。
钙质结核一般分布在古沉积界面下方，分布密度与土体膨胀性有一定关系。
当结核含量超过30%或局部富集成层时，会明显提高土体强度。
南阳盆地Q1紫红色膨胀土及Q2膨胀土中结核含量较高，Q2底部膨胀土局部甚至因钙质富集而胶结成岩，Q3膨胀土中含量较低。
（5）微观结构
絮凝结构：
其基本单元主要为扁平状聚集体和片状颗粒。
它们以边-面接触为主，边-边和面-面接触为辅构成。
在这种结构中，扁平状和片状颗粒无明显的取向优势。
絮凝结构是粘性土最不牢固的微观结构，其特点是孔隙率可以变化很大，吸湿可以产生剧烈的体积膨胀或产生膨胀力。
层流结构：
其基本结构单元为片状和叠片状颗粒，它们以面-面接触为主构成的高度定向排列结构。
在光滑裂面上常可见到厚约10μm的这种高度定向排列薄层，土体中有时也可看到这种局部高度定向排列结构。
紊流结构：
其结构单元也以片状和扁平状颗粒为主，含有粒状颗粒，它们之间形成似山涧流水似的结构。
从总体看，片状、扁平状颗粒有一定的取向优势。
粒状堆积结构：
其基本结构单元主要为聚集体和单粒体，它们存在于以高岭石为主的残积土或石英等杂质含量较高的土中。
胶粘式结构：
其结构单元可以是单粒体和团粒体，也可以是片状体和叠片体，它们之间可以以各种形式接触，然后被一层糊状物所包裹，单元体有明确的边界和清晰的轮廓。
这种结构常发生在淋滤孔、淋滤裂隙面上。
复式结构：
对于大多数膨胀土来说，不可能仅有某一种结构特征，而往往是各种结构特征的综合，如叠片体的絮凝结构中嵌入粒状颗粒后则形成复式结构。
膨胀土微观形态见图1-2。
图1-2膨胀土微观形态（左放大30倍，右放大6000倍）
（6）膨胀土的胀缩特性
膨胀土的胀缩特性受颗粒组成、（粘土）矿物成分、化学成分和微观结构等因素的影响，而表征胀缩特性的指标主要为自由膨胀率。
我国目前对膨胀土的评价体系不统一，评价指标和标准不同，除了自由膨胀率外，还有塑性指数、粘粒（胶粒）含量、线（体）胀缩率、膨胀力等，这些指标之间通常具有较好的相关性。
在南水北调中线工程，对膨胀土的评价方法开展了二十多年的研究，揭示自由膨胀率在大多情况下可以反映土体的膨胀性，与膨胀土的宏观特征（如地貌、微裂隙光面、边坡稳定性等）具有较好的对应性，是一个简便易操作的指标。
2.膨胀土的超固结性与开挖卸荷反应
南阳盆地Q2膨胀土体颗粒比重一般在2.70~2.76g/cm3之间，含水量19%~28%，湿重度19.0~20.2kN/cm3，干重度15~17kN/cm3，孔隙比0.61~0.77，饱和度84%~98%，液性指数-0.18~0.2，一般呈坚硬状~可塑状。
近地表2—3m土体的物性参数变化较大，3m下趋于稳定。
典型的膨胀土具有非饱和特点和超固结性，其含水量20.0%~23%，干重度16~17kN/m3，孔隙比0.62~0.68，饱和度88%~92%。
前期固结压力一般大于200kPa。
由于膨胀土的超固结特点，渠道开挖过程中会出现明显的卸荷回弹效应。
南阳膨胀土试验段2009年开挖过程中，通过多点位移计观测到弱膨胀土挖深10m时的垂直回弹变形达到10mm，中膨胀土挖深15m时的垂直回弹变形达到20mm。
膨胀土具有比一般粘性土更大的密度和强度，加上土体的吸水膨胀作用，因而天然情况下土体内储藏了一定的应变能，一旦渠道开挖改变其约束条件，能量释放及卸荷作用就会立即显现出来。
伴随着卸荷回弹，土体内发生沿袭已有结构面的剪切位移，结构面发生扩张，渗透性增强，坡肩出现拉应力或拉张破坏，坡脚出现剪应力集中或渐进式压剪破坏。
土体卸荷作用对土体强度具有明显的损伤影响，在渠道开挖早期，卸荷回弹速度很快，其影响范围垂向可达开挖面以下3—5m，侧向影响距离可达开挖深度的0.5—1.0倍。
开挖结束后，卸荷变形可能很快停止，也可能进入缓慢的应变软化变形期，取决于渠坡的稳定条件（潜在破坏面的连通率、地下水、坡高、剪切面强度等）。
由于卸荷变形，渠周土体的物理力学性能和水文地质条件在开挖前后都将发生较大的变化。
首先是土体由孔隙—裂隙型介质向裂隙型介质转化，坡肩的垂直渗透性和坡内的水平渗透性会明显增强，加有利于雨水、地表水的入渗，水的影响范围和影响程度加大；
其次是导致原有裂隙面扩张、甚至逐步贯通，坡肩产生新的拉张裂隙；
第三是伴随卸荷变形和裂隙面的扩张，潜在破坏面上的强度逐步减小。
受上述三方面因素的共同影响，有的渠坡在开挖同时就会产生滑坡，有的的滞后数天、数月产生滑坡，甚至滞后数年、数十年出现滑坡。
因此，卸荷作用对膨胀土渠坡稳定是十分有害的一种作用，应尽量加以约束。
从这一原理出发，对于一些很可能产生滑动破坏的渠坡，主动抗滑比被动抗滑更要优越。
3.膨胀土的结构特性
膨胀土无论在水平方向还是垂直方向上都是不均一的，它表现在颜色、物质组成、颗粒大小、赋水特征、膨胀性、渗透性等方面均存在较大的差异性。
横向变化是受沉积环境和当前地质和地貌环境控制的土体固有特征，垂向变化则还与当前大气环境、工程活动密切相关。
土体垂直方向上岩性、颜色、裂隙发育程度及裂隙特征、土体含水量、赋水状态、土体宏观特征（可塑性）等方面的变化，往往意味着土体物质成分、膨胀性、边坡稳定性发生了变化。
国内外以往对膨胀土的地质结构分带特征研究较少，过去主要分为大气影响带和非影响带两个带，通过对对南阳盆地膨胀土的研究，认为以Q2地层为代表的膨胀土地区存在三个带，即大气影响带、过渡带和非影响带三个带。
过渡带具有以下宏观特征：
1）分布上层滞水，该带不同于地表大气影响带，土体含水量高，力学强度较低，是膨胀土边坡产生浅层滑坡的主要滑带部位。
静力触探显示该带呈低值。
2）该带为当地居民生活用水和少量灌溉用水的主要水源，常在岗坡的陡坎部位产生湿地或泉水，常与地表水体（塘、水沟）的水位连成一致。
3）该带水量有限，旱季或特干旱年，该层地下水常消失，造成当地居民饮水困难，说明该带的厚度是一个不定值，厚度随年度的降雨量有一定的变化。
4）在膨胀土过渡带，裂隙相对发育，是开挖边坡最容易发生滑坡的部位。
5）膨胀岩的三带特性相对较弱，上层滞水厚度更小、水量也更为贫乏，裂隙发育规律性较差。
膨胀土的结构性特点在宏观层面表现为土体物理力学性质在空间上的差异性及其一定的变化规律，如当上层滞水带发育长大裂隙、或弱膨胀土地区在上层滞水带分布中膨胀土夹层时，容易产生受长大裂隙或中膨胀土夹层控制的滑坡；
又如，长大裂隙及土体中的植物根孔在垂直方向上呈现规律性变化，对边坡稳定性和地下水活动具有明显的制约性。
结构性特点在微观上表现为原状膨胀土与重塑膨胀土的物理力学性质存在本质的差别，两者在应变过程中的力学行为甚至完全不同。
4.膨胀土水文地质及其对工程影响
膨胀土地区渠道开挖时可能遇见上层滞水、透镜状或夹层状地下水和下层承压含水层越流补给地下水等三种地下水类型。
膨胀土浅层地下水具有上层滞水的特点，上层滞水主要以孔洞水的形式存在。
膨胀土渗透性具有各向异性特点。
不同介质类型的地下水对开挖施工及边坡稳定性的影响不同，其处理对策也有差别。
除上层滞水和透镜状（夹层状）地下水外，膨胀土更多的是以非饱和土的形式出现，其中的结合水并不产生扬压力而影响建筑物的安全，但含水量变化可引起土体力学强度发生变化。
渠道开挖后，裂隙透水性增强，裂隙性渗流会引发边坡稳定性恶化。
新近系泥灰岩中往往存在潜水或承压水，膨胀岩本身性状对地下水位变化不敏感，但容易引起扬压力问题。
（1）膨胀土水文地质结构及地下水类型
Ø
均质膨胀土结构及上层滞水。
广泛分布于由厚层膨胀土构成的岗状地貌区和平原区。
天然情况下，地下水主要储存于由植物根孔形成的近垂向孔洞中，横向联系微弱，富水性总体较弱，在地表冲沟、堰塘部位相对丰富。
主要接受大气降水和地表水补给。
由于根孔发育程度随深度减弱，因此这类地下水具有上层滞水特点，埋深较小，厚度多1-3m。
深挖方渠道工程区，由于开挖卸荷，渠道两侧及底板附近土体中的裂隙发生不同程度的拉张，坡肩土体甚至出现新的拉张裂隙，土体呈现裂隙介质特点，一旦雨水、渠水进入坡体内，将引发膨胀变形和渠坡稳定问题。
这类地下水对渠道开挖一般不产生明显影响，只要连续开挖，不会出现基坑积水。
料场开挖时，一旦不能连续施工，就会出现含水量偏高的问题，因此需要准备排水设施。
膨胀土多层结构及透镜状地下水。
受沉积环境控制，膨胀土局部相变为针孔状结构粉质粘土或砂体，从而形成透镜状（夹层状）地下水。
此类地下水开挖揭露后会出现时间不等的持续渗水现象，富水性一般。
它对施工、处理层稳定、乃至渠坡稳定均有一定影响，需要采取引排措施。
上膨胀土、下含水层结构及承压水。
渠道开挖范围由膨胀土构成，基坑下不远处分布新近系砂岩、砂砾岩或其它时代透水性地层，下部含水层地下水常具有承压性。
基坑开挖过程中，下部承压水通过膨胀土中的孔洞、裂隙等向上越流补给，对施工及衬砌板稳定造成长期的影响。
底板下膨胀土较薄或承压水头较大时，甚至还会造成底板突破。
对于这一类型的地下水，施工期间需要采取降排措施，正常运行时多数情况下可不作处理，渠道检修期需要通过引排或抽排使地下承压水位不高于渠水位。
膨胀土（岩）与含水层互层结构及孔隙地下水。
在南水北调中线工程沿线主要有Q3膨胀土与砂层互层结构和新近系粘土岩与砂（砾）岩互层结构两种类型。
地下水以微承压水为主。
Q3砂层一般与河水存在水力联系，渗透性强、富水性好、补给稳定，一旦开挖揭露会产生大量涌水，并容易引发边坡稳定问题。
新近系砂岩、砂砾岩透水性变化较大，从弱到强均有分布，由于其分布范围大，基坑渗流稳定，对施工及处理层稳定影响较大。
对于这类地下水，需要采取引排处理。
当排水可能引发周边环境问题或居民生产生活用水问题时，需要采取截渗处理。
新近系泥灰岩均质结构及裂隙-溶隙水。
泥灰岩一般具有弱膨胀性，其强度较高，裂隙、溶隙发育。
南水北调中线工程沿线主要分布在黄河北河南境内，地下水位随季节发生明显变化，一般为裂隙-溶隙潜水。
由于泥灰岩具有较弱的膨胀性、较高的强度、较强的透水性，且地下水位升降变化对强度影响不大，泥灰岩渠道处理的目的和结构形式也应该有别于膨胀土或膨胀粘土岩渠道。
此时，处理层应具备两个功能：
一是均化泥灰岩可能出现的不均匀膨胀变形，二是能起导水作用。
因此，采用复合土工膜加砾石垫层是泥灰岩渠坡处理的最佳选择，土工膜起到防止或减少渠水入渗的作用，砾石垫层起到均化膨胀变形和导水作用，通过集水井抽排或单向排水设施，将坡内地下水位控制在衬砌板能承受的范围内，从而达到保护渠坡、减少渗漏的目的。
（2）膨胀土的渗透性
根据现场和室内渗透性试验，中膨胀土深度6m以上垂直渗透系数9.10×
10-6～4.77×
10-4cm/s，多为弱透水，局部中等透水；
水平渗透系数1.30×
10-6～7.06×
10-6cm/s，多为弱—微透水，垂直和水平透水性相差一个数量级。
大部分中膨胀土6m以下土体垂直和水平透水性无差异，多为微透水，局部弱透水。
弱膨胀土深度10m以上垂直渗透系数1.61×
10-5～1.26×
10-3cm/s，具有中等—弱透水性，水平渗透系数2.81×
10-8～2.94×
10-5cm/s，多为弱—微透水，少量极微透水性，垂直和水平透水性相差1～2个数量级。
10m以下土体垂直和水平透水性差异不大，渗透系数2.36×
10-7～2.65×
10-4cm/s，多为微透水，局部弱透水。
总体上看，膨胀土渗透性较弱，属于“进得去、难出来”渗透性量级。
2009年在南阳膨胀土试验段右岸中5区与中6区结合部位曾布置了排水孔，尽管雨季确实排出了部分地下水，但由于坡面防护措施不足，渠道建成数月后仍然发生了滑坡，表明仅靠排水孔尚不足以消除雨水入渗的影响。
粘土岩的渗透性基本属于微透水级，但如果长大裂隙发育，渠道开挖后可能会出现透水性显著增强现象。
泥灰岩的渗透性变化较大，河南安阳、鹤壁等地的泥灰岩具有中到强渗透性，其它埋藏于地下的泥灰岩一般只具弱渗透性。
（3）膨胀土（岩）地下水对渠坡稳定性影响
地下水的参与是膨胀土渠坡产生滑动破坏的必备条件。
膨胀土渠道发生的滑坡绝大部分都具有近于水平的滑动面，后缘拉裂带的水压力及拉裂带土体膨胀产生的推力是膨胀土滑坡唯一的动力源泉。
南阳膨胀土试验段及引丹干渠的滑坡变形监测揭示，膨胀土滑坡变形具有阶梯式发展特点，每次降雨都会引起一次明显的变形，降雨停止后变形也随之停止下来。
因此，对于膨胀土渠坡稳定，防渗具有最重要的作用，包括坡顶、坡面防渗，以及过水断面防渗。
5.膨胀土裂隙特点及其工程意义
裂隙控制了膨胀土的强度，裂隙的增加和扩展导致土体强度衰减，并对渠坡稳定性具有控制作用。
已建的引丹干渠和南阳膨胀土试验段在施工及运行期间多次发生与裂隙有关的边坡变形现象。
膨胀土的裂隙特性是膨胀土不同于一般粘性土的根本所在。
（1）膨胀土裂隙的分类
按膨胀土裂隙的成因可分为原生裂隙和次生裂隙。
原生裂隙是指土沉积和固结过程中形成的裂隙（结构面），它是由于沉积环境变化、温度、湿度和压密等作用产生的结构面。
它包括沉积层理、沉积间断等原生长大结构面和土体压密固结过程中所形成的裂隙。
其长度大小不一，一般数厘米至数十米。
次生裂隙是指土体受构造、卸荷、风化作用和胀缩作用所产生的裂隙，如卸荷裂隙、风化裂隙、胀缩裂隙、构造裂隙等。
其中卸荷裂隙是因土体中应力释放和调整而产生，观测显示，膨胀土深挖方段开挖引起的土体卸荷及裂隙扩张可能对后期边坡稳定有着重要影响。
风化作用（干湿循环和崩解）一般在大气影响深度范围内形成密集的微裂隙，观测显示，膨胀土新鲜开挖面一周后的风化深度可达10cm，一个月后可达50cm左右。
胀缩作用是造成膨胀土大裂隙密集分布的最主要因素，只要土体的含水量发生变化，便可能引起土体内部出现剪切变形，并产生极其光滑的剪切面，其产状多变，与土体内部应力条件和地形地貌有关，其中规模较大的裂隙以缓倾角裂隙居多，裂面多光滑，并成为地下水活动的重要通道，多充填灰绿色粘土。
膨胀土裂隙规模差异极大，长度从数毫米到数十米，甚至上百米。
根据裂隙的延伸长度及其对工程边坡稳定性的影响，划分为微裂隙、小裂隙、大裂隙和长大裂隙等4类。
根据南水北调中线工程沿线膨胀土裂隙发育特征，微裂隙和小裂隙发育密度主要取决于土体膨胀性；
大裂隙和长大裂隙发育密度除了与土体膨胀性、钙质结核发育密度有关外，也与当地的气候条件、水文地质条件有关。
钙质结核发育密度（面积比例）超过20%--30%时，对长大裂隙发育具有抑制作用。
地下水活动越弱，裂隙也越不发育。
裂隙规模越大，缓倾角裂隙所占比例越大。
（2）裂隙对膨胀土强度和渠坡稳定性的影响
裂隙作为膨胀土中的软弱结构面，随着规模和密度的增大，对膨胀土体抗剪强度和边坡稳定性的控制作用将逐步明显。
在南阳膨胀土试验段施工开挖过程中，发生多处受长大裂隙控制的边坡变形失稳，试验渠道建成后也发生多起因裂隙逐步贯通而产生的渠坡滑动。
从试验结果看，裂隙面抗剪强度低。
室内天然含水量下快剪试验Cq=2.8～15.2kPa、φq=8.0～11.0°
；
现场大剪试验Cq=8.3～12.5kPa、φq=5.7～11.8°
。
现场大剪试验与室内试验结果非常接近，且由于爬坡效应略大于室内试验值。
膨胀土强度可由土块强度、裂隙面强度及土体强度等表征，其中土块强度最高、裂隙面强度最低、土体强度介于二者之间。
裂隙发育的程度、规模和充填情况直接影响土体的抗剪强度，见图1-3。
从工程应用角度，膨胀土体强度需要根据裂隙发育程度予以综合确定。
当土体中可能构成滑动面的裂隙不发育时，室内小尺寸原状样试验确定的强度基本可以反映土体的实际情况；
当土体中存在可能构成滑动面的长大裂隙或长大裂隙密度较大时，土体强度主要受裂隙面强度控制。
从这一意义上，在渠道开挖前要准确地得到土体的力学参数是不现实的，由于膨胀土的不均一性，实际力学参数沿渠道走向、甚至左右岸都是变化的。
因此，对于膨胀土渠道，开挖期的施工地质工作尤为重要。
在渠道开挖过程中，需要随时观测记录土体中裂隙的密度、规模、产状，并及时根据裂隙发育分布规律对土体的强度参数进行调整、对渠坡的稳定性进行分析预测，供设计人员及时调整完善渠坡处理方案。
裂隙面强度
土块强度
土块与裂隙综合强度
图1-3膨胀土体强度与裂隙关系
膨胀土中微裂隙极发育，土体被切割成细小土粒状，易崩解，现场崩解试验1天崩解量达到10.4%～1
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