南水北調(diào)中線邯邢段渠道抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選取

王永宣

南水北調(diào)中線工程邯邢渠段長(zhǎng)172.751km，渠道全部采取明挖，根據(jù)鉆孔揭露，該段地層相變大，地質(zhì)條件復(fù)雜。由于地面起伏較大，渠段內(nèi)有近35m的深挖方，也有13m厚的高填方，渠道巖土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)直接影響著渠道邊坡的穩(wěn)定計(jì)算與設(shè)計(jì)，對(duì)工程占地、工程量及投資具有不可小覷的影響。

1. 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的取值原則

邯邢渠段土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取依據(jù)，一是遵循“勘察規(guī)范”，二是執(zhí)行項(xiàng)目牽頭單位長(zhǎng)江水利委員會(huì)綜合勘測(cè)局編制的有關(guān)技術(shù)文件。

按照“勘察規(guī)范”，土的抗剪強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可采用直剪試驗(yàn)峰值強(qiáng)度的小值平均值；當(dāng)采用有效應(yīng)力進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)，三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)定的抗剪強(qiáng)度宜采用試驗(yàn)平均值。

長(zhǎng)江委綜合勘測(cè)局有關(guān)技術(shù)文件規(guī)定，地質(zhì)建議值：可在平均值減（或加）均方差的范圍中選??；可在小值平均值至大值平均值范圍內(nèi)選取，當(dāng)試驗(yàn)組數(shù)足夠多時(shí)，也可取平均值；采用參數(shù)的可靠性估值。另外對(duì)于膨脹土宜按強(qiáng)、中、弱選取不同的強(qiáng)度參數(shù)建議值。弱膨脹土一般可按黏性土取值；中等膨脹土可采用峰值平均值經(jīng)折減后取值；強(qiáng)膨脹土宜取殘余強(qiáng)度作為地質(zhì)建議值 （膨脹巖強(qiáng)度參數(shù)可參照膨脹土選?。Ｅc試驗(yàn)條件的差別，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整，提出地質(zhì)建議值。因此，首先要根據(jù)地層時(shí)代、成因類型、巖性組合等對(duì)地層劃分工程地質(zhì)單元（段），并按照數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)各工程地質(zhì)單元（段）主要地層的試驗(yàn)數(shù)據(jù)按規(guī)則進(jìn)行取舍并統(tǒng)計(jì)計(jì)算，包括組數(shù)、最大值、最小值、平均值、大值平均值、小值平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)。

邯邢渠段工程地質(zhì)條件復(fù)雜，地層相變大，巖性種類多，尤其大部分渠段分布有第三系和第四系下更新統(tǒng)膨脹性土以及濕陷性黃土狀土，因而在抗剪強(qiáng)度參數(shù)的選取上需要充分把握各種影響因素。碎石土類及砂類土的抗剪強(qiáng)度取值一般采取工程類比的方法提出，對(duì)于大型重要工程項(xiàng)目也可進(jìn)行專題研究，在本項(xiàng)目中對(duì)中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)泥礫進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)大型抗剪試驗(yàn)研究。因此在選取抗剪強(qiáng)度參數(shù)過(guò)程中主要是對(duì)黏性土進(jìn)行試驗(yàn)成果的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。

2.1 膨脹土類

南水北調(diào)中線工程河北省南段膨脹土（巖）抗剪強(qiáng)度參數(shù)

膨脹土（巖）類的土體強(qiáng)度與其膨脹性有關(guān)。而第三系黏土（巖）的膨脹性與成巖程度關(guān)系密切，膨脹巖一般表現(xiàn)為微膠結(jié)或半膠結(jié)狀態(tài)，膨脹性相對(duì)較弱，強(qiáng)度較高；風(fēng)化后和未膠結(jié)黏性土，膨脹性強(qiáng)，土體強(qiáng)度較低。第四系下更新統(tǒng)棕紅色黏性土裂隙不發(fā)育、密度相對(duì)較大、膨脹性較弱，土體強(qiáng)度相對(duì)較高；帶有灰綠色團(tuán)塊的黏性土裂隙發(fā)育、密實(shí)程度相對(duì)較差、膨脹性強(qiáng)，強(qiáng)度較低。同樣表現(xiàn)出膨脹性和強(qiáng)度指標(biāo)的差異性。

通過(guò)野外實(shí)地調(diào)查和觀測(cè)，膨脹土自然穩(wěn)定邊坡 8°～15°， 坡比 1:4.0～1:7.0，這是膨脹土暴露在空氣中經(jīng)過(guò)反復(fù)脹縮破壞了土體原生結(jié)構(gòu)而強(qiáng)度顯著降低的結(jié)果，這就是為什么膨脹土宜取殘余強(qiáng)度的原因。但是建筑物基礎(chǔ)是不可能砌置在這樣的土層上的，對(duì)于渠道邊坡，在現(xiàn)代社會(huì)資源極度緊張的情況下也不可能采取1:4.0～1:7.0的邊坡系數(shù)。眾所周知，膨脹土地區(qū)建筑物的破壞一般均為含水量的改變使地基土產(chǎn)生脹縮引起，并非由于原生土體強(qiáng)度低產(chǎn)生塑性變形所至。所以結(jié)構(gòu)與含水量穩(wěn)定的原生膨脹土（巖）體具有較高的強(qiáng)度，要保持這種強(qiáng)度就必須采取相應(yīng)的工程措施。因此，在總干渠初步設(shè)計(jì)中，對(duì)膨脹土渠道邊坡采取了換填一般黏性土的方案：強(qiáng)膨脹土段換填厚度2.5～3.5m，中等膨脹土段換填厚度2.0～2.5m,弱膨脹土段換填厚度1.0m，目的就是防止土體含水量的改變而引起脹

2. 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)建議值的選取

根據(jù)規(guī)范要求，巖土物理力學(xué)參數(shù)應(yīng)以試驗(yàn)成果為依據(jù)，以整理后的試驗(yàn)值作為標(biāo)準(zhǔn)值。然后根據(jù)巖土體巖性、巖相變化、試樣代表性、實(shí)際工作條件縮變形。

2.2 黃土狀壤土、壤土類

除膨脹土外，本渠段構(gòu)成渠坡的主要巖性還有黃土狀土和一般壤土、砂壤土類土。該類土抗剪強(qiáng)度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算與膨脹土基本相同，但取值一般以統(tǒng)計(jì)修正值或小值平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值。

3. 問(wèn)題分析

3.1 離散性

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)指標(biāo)離散性較大，直接影響了統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果。同一種土由于粒度組分、均勻程度、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等因素的影響，會(huì)出現(xiàn)c值較小而φ值較大或c值較大而φ值較小，如果對(duì)c、φ值同時(shí)取小值平均值，則抗剪強(qiáng)度指標(biāo)會(huì)大大降低。如渠道第55段中21組c、φ值離散性較大，c值過(guò)低時(shí)φ值偏大（c＝6.0kPa，φ＝22.11°），c 值較高時(shí) φ值偏?。╟＝40.7kPa，φ＝6.9°），取小值平均值 c＝9.2kPa，φ＝8.95°這樣的組合關(guān)系是不合理的，未能反映出土體的真實(shí)強(qiáng)度，應(yīng)給于充分關(guān)注。

3.2 試驗(yàn)方法

統(tǒng)計(jì)計(jì)算的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，均是采取飽和快剪試驗(yàn)所得，試驗(yàn)方法單一。雖然部分渠段進(jìn)行了少量三軸試驗(yàn)，膨脹土進(jìn)了中剪、殘余剪試驗(yàn)，但均是嘗試性的，數(shù)量較少，終沒(méi)有達(dá)到代表全渠段之程度。同時(shí)試驗(yàn)也未能充分考慮具體的水文工程地質(zhì)條件以及渠道的運(yùn)行工況（過(guò)水?dāng)嗝嬉陨匣蛞韵拢┒鴳?yīng)采取不同的試驗(yàn)條件。不同的試驗(yàn)方法和條件直接影響了抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選取。

4. 結(jié)語(yǔ)

土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)是工程設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)工程的安全和經(jīng)濟(jì)影響巨大，要遵循規(guī)程規(guī)范合理選擇。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算過(guò)程中應(yīng)仔細(xì)分析指標(biāo)的可靠性，可采取不同的統(tǒng)計(jì)方法或根據(jù)其他測(cè)試方法取得的指標(biāo)相互驗(yàn)證其合理性。同時(shí)要根據(jù)具體的水文工程質(zhì)條件及工程的運(yùn)行工況，采取不同的試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件，以達(dá)到合理選取抗剪強(qiáng)度參數(shù)的目的。