膨胀土边坡及其防护对策

膨胀土边坡及其防护对策长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室张家发刘晓明第四届全球华人岩土工程学术论坛2009.82问题背景•即使采用很低的强度指标进行设计，膨胀土边坡仍然会失稳。•南水北调中线工程极其重要，膨胀土地区渠线累计长度约340km，边坡防护工程必须有足够的可靠性和经济合理性。3主要内容一．膨胀土的特殊性和裂隙的危害二．膨胀土坡防护思路三．防护材料选择四．理论分析和研究成果支持五．建议方案一．膨胀土的特殊性和裂隙的危害5膨胀土的特殊性‹胀缩性：物质成分决定的固有特性‹超固结性：膨胀土接受地质作用造成的附加特性，与膨胀岩相应的就是成岩作用‹裂隙性：在地质、卸荷和气候作用下产生的附加特性6膨胀土的裂隙性•原生裂隙•次生裂隙卸荷裂隙构造裂隙干缩裂隙促进和引导作用与胀缩性和超固结性有关，在很大程度上不是独立特性，是可控制的。7气候作用下膨胀土的裂隙性原生构造裂隙暴露于大气后张开扩展干缩裂隙（次生裂隙）对水文气候条件敏感裂隙性8膨胀土裂隙的危害（1）破坏土体完整性‹降低边坡的稳定性‹降低土体抗侵蚀能力9膨胀土裂隙的危害（2）增加与大气接触面积，促进蒸发裂隙进一步增加、扩展10膨胀土裂隙的危害（3）增强雨水和地表水入渗能力土体产生膨胀力、降低强度、增加自重坡体变形增加裂隙内的水压力、或造成冻胀作用裂隙扩展二．膨胀土坡防护思路12目前列入南水北调膨胀土渠坡防护措施研究的方案(1)一级马道以下：防渗封闭或缓冲保护层措施，防渗材料包括催化沥青、土工膜等，缓冲保护层为非膨胀土或改性土，表面均采用混凝土衬砌；(2)一级马道以上：护坡+地面排水措施，护坡措施包括干砌石护坡、砌石联拱、混凝土六方块护坡、土工格栅等；(3)马道及坡顶：隔水防渗措施。总体倾向：防渗为主！13防护目的与途径控制土体含水量的变化防止膨胀土展现裂隙特性！途径包括：•防渗（要注意长期有效性和双向水流）•排水（要注意淤堵可能影响长期有效性）•隔温（要注意长期有效性）14防护层（若干特性）被防护层（若干特性）防护设计方案：材料、结构防护设计思路15防护层特性:a,b,c,d,e,f被防护层特性:d,e,f,g,h,ia,b,cd,e,fg,h,i如果d,e,f是造成边坡失稳的特性无效防护防护效果（1）16防护层被防护层a+b+cd+e+fg+h+i如果d,e,f不是,而g,h,i是造成边坡失稳的特性,‹a,b,c不能有效制约g,h,i的作用:无效防护！‹a,b,c可以有效制约g,h,i的作用:有效防护！9防护效果（2）三．防护材料选择18防护材料方案选择被防护材料AB与被防护材料共同点多与被防护材料共同点少备选防护材料集19粘土膨胀土共同点:‹隔热性能‹排水性能(侧向渗透性)‹土体完整性好时的入渗能力材料比较(1)粘土：9膨胀性弱9动植物洞穴和裂隙9……膨胀土:9膨胀性明显9裂隙性9……20水泥砂浆膨胀土共同点:‹隔热性能‹排水性能(侧向渗透性)‹完整性好时的入渗能力‹裂隙性（程度不同）水泥砂浆：9膨胀性弱9……膨胀土:9膨胀性明显9……材料比较(2)21透水材料（碎石）膨胀土共同点:„……„……碎石:9无膨胀性9饱和条件下入渗能力强9饱和条件下排水性强9隔热性好膨胀土：9有膨胀性9入渗能力差，裂隙会加大入渗能力9排水性差9隔热性差材料比较(3)非饱和条件下渗透和排水能力会降低22透水材料（碎石）粘土共同点:„……„……碎石:9无膨胀性9饱和条件下入渗能力强9饱和条件下排水性强9隔热性好9生态效果差粘土：9膨胀性弱9入渗能力差，动植物作用和产生裂隙后会加大9排水性差9隔热性差9生态效果好材料比较(4)23材料比较结论•透水材料与膨胀土材料特性共同点少，差异性大。防护材料选择：选用性能对比差异明显的材料成功的可能性大!四．理论分析和研究成果支持25多孔介质的非饱和水力特性1.饱和状态下，K细砾K混凝土砂K粉砂K泥岩2.非饱和状态下，上述关系会发生转换：吸力水头7cm时，细砾的水力传导度最低，而且吸力水头越高，差别越大转换点转换点1.E-171.E-151.E-131.E-111.E-091.E-071.E-051.E-031.E-011.E+010.11101001000吸力水头/cm水力传导度/m•s-1细砾-J.C.Stormont混凝土砂-J.C.Stormont粉砂-J.C.Stormont泥岩-西垣誠26非饱和水力特性的重要意义较粗颗粒的材料1.在饱和状态下，渗透性强，可以起到排水作用2.在非饱和状态下，渗透性对比发生转换后，渗透性弱，可以起到防渗作用27粉砂/细砾土柱下部细砾层阻碍入渗水流-Stormontetal.28细砂/中砂土柱下部中砂层阻碍入渗水流-Yangetal.29壤土/砂土/壤土土柱中的夹砂层在高饱和度时加速上覆土层排水，低饱和度时阻碍上覆土层排水张家发.地下水位匀速下降条件下层状非均质多孔介质给水度的初步研究(J).水利学报，1988（8）：9-17.水位降速：8cm/d30夹砂层土影响土柱的毛管水上升的高度和速度，明显降低地下水的蒸发量.史文娟等.夹砂层土体构型毛管水上升的实验研究(J).水土保持学报，2004（6）.砂层级配对于水分的阻滞作用最大!31碎石层的热屏蔽作用孙志忠等.块石层对其下部路基土体温度的影响(J).铁道工程学报，2003（4）.•块石调温路堤是多年冻土区铁路采取的保护冻土的措施。•块石材料孔隙性大，起热量屏蔽的作用。五．建议方案33建议：兼具防渗、排水功能的双层结构防护方案根据粗粒土作为夹层时的优良特性，膨胀土渠坡宜采用双层结构的防护方案，表层为混凝土护坡，也可以采用粘性土或回填土料，下部为粗粒土层，简称为（具有防渗、排水功能的）双层结构防护方案。34表层采用粘性土或回填土的作用可以起到一定的防渗作用，还可以绿化，也可以防止粗粒土的流失，既有工程作用，又有生态环境效果。35膨胀土碎石粘土1.在高吸力条件下，阻碍入渗水流通过，制约降雨入渗对膨胀土层含水量的影响；2.在低吸力条件下，加速排水，防止水份在膨胀土坡面的滞留和入渗粗粒土层的作用36膨胀土碎石粘土3.防护层隔温和阻碍毛细运动，制约蒸发作用粗粒土层的作用37膨胀土碎石粘土4.隔热保温，抑制膨胀土层对气温变化的响应，控制冻胀变形粗粒土层的作用38粗粒土层的作用5.阻碍上覆土层的排水，有利于保持水份和植被生长；6.粗粒土不像粘性土等防渗材料一样由于气候作用而产生裂隙，比防渗材料具有性能稳定、长期有效的优势，不仅自身不会产生裂隙，还会切断相邻土层的裂隙扩展路径。39方案的效果研究选取新乡潞王坟膨胀岩渠坡处理试验段的典型剖面，利用当地的实际气象资料，对渠坡的饱和非饱和非稳定渗流过程进行了数值模拟。刘晓明.气候作用下膨胀岩渠坡的响应特征及防护方案研究[硕士学位论文D].武汉：长江科学院，2009.40裸坡/粘土防护/双层结构防护模拟计算结果对比埋深0.5m处节点孔压水头-5-4.5-4-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.5050100150200250300350计算天数孔压水头(m)-10010203040506070日降雨量与蒸发量(mm)降雨量蒸发量方案三（0.7粘土+0.3砂）方案二（0.5粘土+0.5砂）方案一（0.3粘土+0.7砂）方案四（粘土护坡）裸坡初步结论：气候条件对于裸坡作用最显著；粘土防护条件下气候作用降低；双层结构防护条件下气候影响更小41粗粒土选用的原则性要求1.E-081.E-061.E-041.E-021.E+001.E+021.E+041.E+061.E+080.11101001000吸力水头/cm水力传导度比值细砾和泥岩水力传导度比值随吸力水头变化曲线（1）粗粒土与膨胀土之间饱和渗透系数有显著差别；（2）粗粒土与表层土之间的转换点吸力水头较低；（3）与上下土层之间的水力传导度比值随吸力水头变化呈高度非线性关系。（4）粗粒土尽可能用窄级配料，良好的大孔隙性将使得保温隔热效果更好。转换点42方案应用需要满足的条件1.通过温度和含水量控制防止边坡土体开裂2.防护层自身满足结构稳定要求3.防护层满足生态和水土保持要求4.料源充足，对环境无恶劣和不可补偿的影响5.施工方便，进度易于控制6.造价可以接受43重要启示1.防护材料的选择应该优先指向水力特性差异性大的材料，这一原则至少可以沿用于大多数条件下的渗流控制设计。2.粗、细粒土之间渗透性对比关系可以互相转换的规律，可以更广泛地指导渗流控制方案的设计创新。例如，垃圾填埋场覆盖层的设计就可以参考。3.粗粒土作为夹层，可以如此“聪明”地发挥多种作用，我们要“聪明”地领会和利用它的优良特性，使其为工程的变形控制和稳定性做出贡献。44致谢该方案的有关内容在水利部岩土力学与工程重点实验室内进行过讨论，程展林教授级高工等提出过有益的建议。45谢谢大家！