膨胀岩边坡稳定性与处治方案研究

摘要

膨胀岩属于软岩中的特殊类型。它具有似岩非岩、似土非土的特点。由于其含有大量的亲水矿物，与水的关系极其密切，亲水性异常强烈，湿度变化时体积发生较大变化，变形受约束时产生较大内应力。由于膨胀岩所具有的复杂的工程特性，造成了严重而且分布广泛的各种地质灾害的发生，使得膨胀岩问题成为工程界最为关注的问题之一。伴随着我国经济的飞速发展，越来越多的工程建设不可避免的穿越膨胀岩土地区，其灾害防治问题日益突出。
　　 在水利工程中，膨胀岩渠坡处理一直是工程界的难题，而输水渠道膨胀岩渠坡的处理与公路、铁路等膨胀岩土路堑边坡相比，因其存在永久过水断面的特殊性，与水为邻更加深了膨胀岩渠道处理的难度。本文依托安阳发生失稳的渠道工程，在总结和吸收前人研究成果的基础上，综合运用现场调查、试验、理论分析和数值计算等手段，重点对膨胀岩的工程特性、膨胀岩渠坡失稳的机理和防治问题进行研究。
　　 本文通过对失稳渠坡膨胀岩进行现场调研，全面了解膨胀岩的野外特征、工程地质条件和水文气候条件等，开展一系列的室内外试验研究，对膨胀岩的矿物成分、结构特性、物理力学性质、裂隙性、胀缩特性和强度特性进行了研究。根据这些试验所得结果，采用极限平衡法和有限元法相结合的方法对膨胀岩渠坡失稳展开进一步的研究，找出失稳的关键因素。根据渠坡失稳的原因，本文通过计算分析，确定以换填和排水相结合的方法对失稳渠坡进行处治，为保证处理后膨胀性渠坡的长期稳定，增加强排井作为处理方案。本文对室内研究结果和失稳机理分析得出：
　　 观测现场开挖的情况发现裂隙的十分复杂：有微裂隙和长大裂隙；有表层分布的裂隙和浅层及深层裂隙；既有随机分布的无方向裂隙，也有组合性和优势方向的裂隙。这些裂隙都使土体成为不连续体，破坏土体的均一性和结构性，使土体存在软弱结构面，为水分的入渗提供通道，使土体强度降低，同时软弱结构面的存在，当水分进入后，易形成薄弱带造成渠坡失稳。
　　 膨胀岩的胀缩特性受到含水率、上覆压力和压实度的影响。膨胀性同压实度成正比，同含水率成反比；而收缩性同压实度成反比，同含水率成正比。本文所研究的是膨胀力较大的弱膨胀岩，含水量的变化造成渠坡一定深度内的土体发生非均匀膨胀变形，加之膨胀力的释放，改变渠坡的应力状态，坡脚处存在应力集中，导致坡脚处土体的剪应力会首先越过峰值强度而破坏，先期破坏区的剪应力降低、卸载并释放应变能，引起临近区域相继越过其峰值强度，破坏区逐渐扩大，当等效塑性应变从坡脚到坡面某一范围完全贯通时，渠坡产生失稳滑动。
　　 膨胀岩的强度和膨胀岩的物质成分、周围环境水分的变化(干湿循环)、土体的密实程度和初始含水率、上覆压力、裂隙的发育以及膨胀土的吸力等因素有关。
　　 本文的研究结果在实际施工中得到了较好的应用，取得了较为可观的经济效益和社会效益。