河南省境內(nèi)膨脹土工程試驗

馬向軍??

【摘 要】膨脹巖試驗簡介，膨脹巖（土）渠坡處理一直是工程界的難題，膨脹性巖（土）具有的特殊工程特性，易造成渠坡失穩(wěn)，因而對工程安全運行影響較大，而輸水渠道膨脹巖渠坡的處理與公路、鐵路等膨脹巖土路塹邊坡相比，因存在永久過水?dāng)嗝娴奶厥庑?，與水為鄰更加深了膨脹巖渠道處理的難度。

【關(guān)鍵詞】膨脹巖；試驗

Experiment on Expansive Soil Engineering in Henan Province

Ma Xiang-jun

（Luoyang Water Conservancy Construction Investment Group Co.， Ltd Luoyang Henan 471000）

【Abstract】It is a difficult problem in the engineering sector. The expansive rock （soil） has special engineering characteristics， which can cause the slope of the slope to be unstable and thus have a great influence on the safe operation of the project. The treatment of the channel of the flood channel is similar to that of the highway and railway， and the difficulty of the treatment of the expanding channel is deepened due to the particularity of the permanent water cross section.

【Key words】Expansive rock；Test

1. 引言

膨脹巖（土）受脹縮特性的影響，多裂隙性和分布的不均一性以及所具有的漸進(jìn)破壞的特點，受外界降雨影響均可能導(dǎo)致膨脹巖裂隙水位在短時間內(nèi)迅速上升，與保護(hù)膨脹巖的換填土之間滲透系數(shù)的差異，產(chǎn)生水壓力，對膨脹巖渠坡?lián)Q填土穩(wěn)定不利。

2. 由于膨脹巖似土非巖、成巖程度不均一的特點，在施工開挖時，坡面的泥灰?guī)r碎屑不容易清除干凈，遇水后崩解軟化，強(qiáng)度降低，在換填結(jié)合面易形成薄弱帶也對換填層穩(wěn)定不利。綜合考慮膨脹巖的成巖特點及與水軟化的特點，對水上水下分別取不同的摩擦系數(shù)，即：水上取0.4，水下取0.3和0.35進(jìn)行對比計算?；靥钔恋娜葜?，參照一般土體壓實后的濕容重19.6 KN/m3。（見圖1）

圖1 計算受力示意圖

將換填層作為剛性體進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計算時，對穩(wěn)定計算有影響的主要參數(shù)為換填層與坡體間的摩擦系數(shù)，以及換填土體的容重。

2.1 選取主要代表巖層——粘土巖和泥灰?guī)r的原狀樣和擾動樣，通過室內(nèi)一系列物理力學(xué)試驗，研究其天然含水率、結(jié)構(gòu)、礦物成分等對膨脹巖膨脹特性的影響，為專項輔助性試驗提供依據(jù)。具體試驗內(nèi)容如下：

2.1.1 物理性試驗及礦化分析。

顆粒分析、比重、界限含水率、崩解性、膨脹力、膨脹率、自由膨脹率、粘土礦物成分、pH值、易溶鹽、難溶鹽、比表面積、陽離子交換量等。

2.1.2 類土膨脹巖的擊實試驗。

進(jìn)行類土膨脹巖的擊實試驗以及擊實后的直剪試驗、三軸試驗和滲透試驗，研究類土膨脹巖的壓實特性及其強(qiáng)度、變形和滲透特性。

2.1.3 脹縮變形特性研究。

脹縮變形特性試驗分兩種情況進(jìn)行，一種在控制含水率的前提下，對不同壓實度的膨脹巖試樣進(jìn)行脹縮特性試驗研究；另一種在控制干密度的前提下，進(jìn)行不同含水率狀態(tài)下脹縮特性試驗研究。

2.1.4 膨脹巖基本特性的現(xiàn)場測試。

（1）開展旁壓試驗，測試膨脹巖在不同深度的變形特性參數(shù)，研究膨脹巖層在干濕兩種條件下的變形模量和膨脹率等參數(shù)。

（2）進(jìn)行膨脹巖以及軟弱結(jié)構(gòu)面大型直剪試驗，測試膨脹巖軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

（3）通過現(xiàn)場壓水試驗或雙環(huán)試驗，測定膨脹巖現(xiàn)場滲透系數(shù)，確定現(xiàn)場觀測設(shè)備的埋設(shè)深度。

2.2 專項輔助性試驗和研究。

采用室內(nèi)試驗、模型試驗、數(shù)值分析等手段，進(jìn)行氣候和地下水對膨脹巖渠坡穩(wěn)定性的影響，土工格柵、土工纖維對類土膨脹巖處理效果等研究，并比較各種處理方案的效果及作用，為現(xiàn)場試驗實施方案的完善和確定提供依據(jù)。

2.2.1 氣候和地下水對膨脹巖渠坡穩(wěn)定性的影響研究。

（1）膨脹巖在干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度變化規(guī)律

進(jìn)行原狀膨脹巖在不同含水率條件下的強(qiáng)度試驗，研究試驗區(qū)膨脹巖在干濕循環(huán)條件下的強(qiáng)度變化規(guī)律。

（2）類土膨脹巖處理后的強(qiáng)度～變形～滲透特性室內(nèi)試驗研究

通過室內(nèi)強(qiáng)度、變形及膨脹性等試驗手段，研究干濕循環(huán)對類土膨脹巖處理后的強(qiáng)度、變形、滲透特性，研究采用類土膨脹巖翻挖回填的可行性。

（3）干濕循環(huán)對膨脹巖裂隙的影響

采用室內(nèi)小比尺模型，控制模型水分環(huán)境，觀測裂隙的發(fā)展規(guī)律，并與現(xiàn)場裂隙觀測進(jìn)行對比分析，建立裂隙統(tǒng)計模型，研究膨脹巖在干濕循環(huán)條件下裂隙的發(fā)展規(guī)律。

2.2.2 土工格柵加筋效果研究。

研究土工格柵加筋類土膨脹巖復(fù)合體的強(qiáng)度、變形、膨脹性及土工格柵加筋類土膨脹巖的作用機(jī)理，為渠坡穩(wěn)定性分析提供合適的計算模型和強(qiáng)度參數(shù)，為現(xiàn)場處理方案的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

（1）格柵加筋影響范圍研究。

采用格柵的拉拔試驗，研究類土膨脹巖加筋的筋材、加筋層數(shù)（間距），為現(xiàn)場處理方案的確定提供依據(jù)。同時，研究垂直荷載、拉拔速率及筋材強(qiáng)度對筋土界面拉拔特性的影響規(guī)律，以及筋土界面剪應(yīng)力沿筋材不同位置的分布規(guī)律。研究土工格柵在類土膨脹巖土體中的拉拔效果。

（2）土工格柵與類土膨脹巖界面直剪試驗。

研究土工格柵加筋體在格柵與類土膨脹巖接觸面的強(qiáng)度、變形，以及垂直荷載、剪切速率及筋材強(qiáng)度對筋土界面剪切特性的影響規(guī)律。獲得筋土界面的似摩擦系數(shù)指標(biāo)。分析土工格柵加筋在巖土體界面的界面效應(yīng)，提出數(shù)值分析模型參數(shù)。

（3）土工格柵加筋類土膨脹巖土體的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系試驗。

研究加筋體的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系，測試加筋復(fù)合體強(qiáng)度～變形參數(shù)。

（4）土工格柵加筋效果的物理模型試驗。

采用大比尺的靜力模型，模擬土工格柵在渠坡處理中的加筋作用，研究格柵間距對加筋效果的影響。

2.2.3 土工合成纖維加筋效果的初步研究。

對本試驗區(qū)類土膨脹巖進(jìn)行纖維改性試驗，為現(xiàn)場處理方案的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

通過一系列室內(nèi)物理力學(xué)試驗，對不同材料、不同形狀、不同摻量條件下的纖維改性土的物理、力學(xué)、膨脹性、水力學(xué)特性等進(jìn)行試驗研究，評價纖維改性土的性質(zhì)，研究纖維改性土的工作機(jī)理和本構(gòu)關(guān)系。重點比較：1）加筋前后的膨脹特性指標(biāo)，評價纖維加筋改性效果；2）纖維改性土的應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系。同時，在室內(nèi)開展小規(guī)模的纖維摻拌技術(shù)和工藝的研究。

2.2.4 現(xiàn)場開挖后膨脹巖快速防護(hù)材料研究。

進(jìn)行膨脹巖坡面防護(hù)材料的室內(nèi)試驗，研究防護(hù)材料的種類、配比及其防護(hù)效果，推薦經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)材料用于現(xiàn)場試驗，以防止渠道開挖后坡面巖石風(fēng)化、剝蝕而降低其穩(wěn)定性。

2.2.5 膨脹巖渠坡坡頂防護(hù)范圍和減載措施研究。

通過滲流數(shù)值計算，分析不同坡頂防護(hù)方式的防護(hù)效果，為設(shè)計確定坡頂防護(hù)材料、防護(hù)層厚度、防護(hù)寬度提供參考。

通過數(shù)值分析手段，研究采用寬馬道減載方式的適用性和合理性，比較不同減載措施對渠坡穩(wěn)定性的影響。

2.2.6 膨脹巖（土）現(xiàn)場判別方法研究。

在國內(nèi)外膨脹巖（土）分類方法、判別標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，通過大量的對比試驗，提出膨脹等級的現(xiàn)場判別方法。

2.2.7 膨脹巖渠坡穩(wěn)定分析和分析方法研究。

（1）現(xiàn)場試驗方案的計算分析。

結(jié)合室內(nèi)基本特性試驗、氣候和地下水對膨脹巖渠坡穩(wěn)定性的影響研究、土工格柵加筋效果研究的試驗成果以及相應(yīng)的靜力模型試驗、離心模型試驗成果，采用常規(guī)穩(wěn)定分析和有限元分析方法對初擬現(xiàn)場試驗方案進(jìn)行邊坡穩(wěn)定計算分析論證，為調(diào)整和完善初步擬定的處理方案提供依據(jù)。

在邊坡穩(wěn)定計算分析中，針對膨脹巖強(qiáng)度特征、變形特征以及存在膨脹力的特點做相應(yīng)的簡化處理。

（2）膨脹巖渠坡穩(wěn)定分析方法研究。

考慮膨脹巖強(qiáng)度特征、變形特征以及存在膨脹力的特點，進(jìn)行膨脹巖渠坡破壞模式與機(jī)理研究、膨脹巖渠坡穩(wěn)定分析方法研究，開發(fā)膨脹巖渠坡穩(wěn)定性分析系統(tǒng)，提出膨脹巖渠坡穩(wěn)定簡化分析方法。

A.膨脹巖渠坡破壞模式與機(jī)理研究。

采用模型試驗、數(shù)值仿真分析等手段，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，考慮膨脹巖的特殊力學(xué)特性，研究膨脹巖渠坡的破壞及失穩(wěn)模式與發(fā)生機(jī)理。

B.膨脹巖渠坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)開發(fā)研究。

綜合考慮膨脹巖的特性、膨脹巖渠坡失穩(wěn)破壞模式、失穩(wěn)機(jī)理及影響因素，重點解決現(xiàn)行數(shù)值分析中分析理論、分析程序、分析方法缺乏針對性的問題，提出膨脹巖渠坡穩(wěn)定性分析方法，建立膨脹巖渠坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)。

C.膨脹巖渠坡穩(wěn)定簡化分析方法研究

在上述研究的基礎(chǔ)上，考慮膨脹巖渠坡的地質(zhì)條件、巖土特性、氣候條件、處理措施等因素，提出可供工程設(shè)計人員使用的簡化計算分析方法。

2.3 現(xiàn)場試驗。

在室內(nèi)基本特性試驗和專項輔助性試驗的基礎(chǔ)上，調(diào)整完善初步擬定的處理方案，最終確定現(xiàn)場試驗實施方案，進(jìn)行膨脹巖渠坡處理的現(xiàn)場試驗、現(xiàn)場觀測和分析。

2.3.1 膨脹巖渠坡開挖期觀測和開挖面防護(hù)措施驗證。

觀測渠道開挖過程中的變形（卸荷變形和脹縮變形）、應(yīng)力和含水量的變化規(guī)律；同時采用數(shù)碼照相結(jié)合手工素描和計算機(jī)圖像處理技術(shù)，進(jìn)行膨脹巖裂縫擴(kuò)展過程量化描述，為膨脹巖邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究、防護(hù)和加固時機(jī)的選擇提供依據(jù)。

（1）在膨脹巖試驗區(qū)布置2個觀測斷面，在試驗區(qū)渠道開挖施工前，預(yù)先埋設(shè)深層沉降標(biāo)、測斜管、分層沉降管、土壓力盒、含水量探頭等觀測設(shè)施，邊開挖邊觀測渠坡不同部位膨脹巖的變形、應(yīng)力和含水量隨開挖卸荷的變化規(guī)律，觀測期間注意收集和記錄降雨等氣候條件和渠道開挖施工過程等邊界條件。

（2）采用數(shù)碼照相結(jié)合手工素描的方法，選取代表性坡面，對裂隙的走向、傾角、寬度、深度、長度、間距等影響裂隙的工程力學(xué)性質(zhì)的主要幾何要素進(jìn)行測量和描述，采用計算機(jī)圖像處理技術(shù)進(jìn)行膨脹巖裂縫擴(kuò)展過程量化描述，結(jié)合數(shù)理統(tǒng)計方法，建立概化統(tǒng)計模型。

（3）通過開挖過程中的現(xiàn)場觀測，掌握卸荷過程中渠坡不同部位的變形發(fā)展規(guī)律，并根據(jù)渠坡局部滑塌發(fā)生前后的變形和應(yīng)力等觀測資料，建立施工期渠坡穩(wěn)定現(xiàn)場控制標(biāo)準(zhǔn)（包括監(jiān)控變量的選擇及其臨界值的確定），為今后渠道大面積信息化施工奠定基礎(chǔ)。

（4）觀測并分析渠道開挖過程中的變形、應(yīng)力、含水量變化規(guī)律，以及對膨脹巖裂縫擴(kuò)展過程進(jìn)行量化描述，為膨脹巖邊坡失穩(wěn)機(jī)理研究、防護(hù)和加固時機(jī)的選擇提供依據(jù)。

（5）針對膨脹巖在開挖過程中及后繼干濕循環(huán)過程中工程特性的變化特點，確定開挖面的保護(hù)時機(jī)，將專項輔助性試驗中提出的防護(hù)材料用于現(xiàn)場試驗區(qū)，驗證防護(hù)效果。

2.3.2 膨脹巖渠坡處理施工工藝研究。

對換填粘性土、土工格柵加筋、纖維改性土等處理措施，根據(jù)國內(nèi)外施工經(jīng)驗，初步擬定施工工藝，在試驗段施工前，由試驗研究單位選定碾壓試驗場（結(jié)合隔離堤施工進(jìn)行），在施工單位的配合下，進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗，研究各種處理措施的施工工藝、碾壓控制參數(shù)，確定適宜的施工方法和檢測標(biāo)準(zhǔn)，制訂各種措施的施工方法，并在試驗段施工中驗證和完善。

2.3.3 試驗區(qū)施工質(zhì)量控制要素和檢測指標(biāo)篩選。

根據(jù)不同的膨脹土（巖）工程處理措施，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測、檢測成果，對施工質(zhì)量要素和檢測指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，提出試驗區(qū)施工質(zhì)量控制要素和現(xiàn)場檢測指標(biāo)，為大面積施工質(zhì)量控制提供依據(jù)。

2.3.4 膨脹巖渠坡處理效果現(xiàn)場觀測和分析。

在渠坡埋設(shè)大量觀測儀器，獲取渠坡處理后膨脹巖體內(nèi)的應(yīng)力、變形、含水量等指標(biāo)，研究膨脹巖渠坡處理后的應(yīng)力～變形特性，為分析處理方案的實際效果提供依據(jù)。

2.3.4.1 觀測斷面布置。

觀測斷面儀器布置以現(xiàn)場勘探斷面為依據(jù)，并根據(jù)試驗方案的目的和特點，統(tǒng)籌考慮試驗區(qū)和常規(guī)處理區(qū)的觀測。對于試驗區(qū)，將觀測斷面分為重點觀測斷面和一般觀測斷面。對重點觀測斷面，按不同深度、層位，全面進(jìn)行含水量、應(yīng)力、變形等指標(biāo)觀測；對于一般觀測斷面，以變形觀測為主，輔以局部的應(yīng)力和含水量的觀測。對于常規(guī)處理區(qū)，則按照初步設(shè)計的總體要求進(jìn)行布置，觀測項目和觀測設(shè)備在初步設(shè)計相關(guān)的內(nèi)容中提出。

2.3.4.2 觀測項目。

現(xiàn)場觀測主要包括：應(yīng)力場、變形場、孔壓場（正或負(fù)孔壓）和氣象條件（包括降雨量、蒸發(fā)量等）。

（1）影響膨脹巖渠坡穩(wěn)定的環(huán)境變量，如降雨量，入滲量、地下水位等；

（2）膨脹巖的含水量、吸力、裂隙的發(fā)展等；

（3）表征邊坡巖（土）體應(yīng)力和變形狀態(tài)的參量，如土壓力、孔隙水壓力、垂直變形和水平變形等；

（4）混凝土襯砌板的變形和接縫寬度的變化。

2.3.4.3 觀測設(shè)備

觀測數(shù)據(jù)的取得主要通過下列手段來實現(xiàn)：

（1） 含水量：埋設(shè)體積含水率探頭，用頻率計觀測；

（2）吸力：埋設(shè)張力計、熱傳導(dǎo)或TDR等探頭，用頻率計觀測；

（3）土壓力：埋設(shè)土壓力盒，用頻率計觀測；

（4） 孔隙水壓力：埋設(shè)孔隙水壓力探頭，用頻率計觀測；

（5）垂直變形：埋設(shè)表面沉降標(biāo)，用水準(zhǔn)儀觀測；

（6）分層沉降：埋設(shè)分層沉降管和磁環(huán)，用分層沉降儀觀測；

（7）水平變形：埋設(shè)表面變形標(biāo)，用經(jīng)緯儀觀測，并在典型部位鉆孔埋設(shè)測斜管或多點位移計、觀測不同深度處土體的水平變形；

（8） 格柵局部變形：埋設(shè)柔性位移計，用讀數(shù)儀觀測；

（9）土壤溫度：埋設(shè)溫度傳感器，用讀數(shù)儀觀測；

（10）降雨量：采用雨量計觀測，并注意收集當(dāng)?shù)赝跉庀筚Y料；

（11） 入滲量：地表徑流測量裝置；

（12）地下水位：鉆孔埋設(shè)地下水位觀測管，采用電測水位計觀測；

（13）襯砌板接縫寬度：采用測縫計觀測。

此外，在重點斷面處還布置觀測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)，進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的自動采集。

2.3.4.4 試驗區(qū)觀測。

針對擬定的現(xiàn)場試驗方案，每個試驗區(qū)渠道左右兩側(cè)各布置一個觀測斷面，共12個觀測斷面，其中5個重點觀測斷面，7個一般觀測斷面。

2.3.4.5 常規(guī)處理區(qū)觀測。

以初步設(shè)計工程監(jiān)測為主，另選擇一個典型斷面，按試驗區(qū)一般觀測斷面的要求進(jìn)行觀測布置，其余觀測斷面布設(shè)按初步設(shè)計的工程監(jiān)測要求進(jìn)行。

2.3.4.6 觀測資料的整理和分析。

（1）變形觀測數(shù)據(jù)分析：分析渠坡不同部位的水平變形和垂直變形變化規(guī)律，分析處理方案的實際效果。

（2）應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)分析：分析渠坡不同部位的側(cè)向水平應(yīng)力，建立同一測點的應(yīng)力與變形之間的對應(yīng)關(guān)系。

（3）含水量和吸力觀測數(shù)據(jù)分析：分析處理后渠坡表面處理層及一定深度內(nèi)渠坡原狀膨脹巖層的含水量和吸力變化規(guī)律，評價處理層對下伏原狀膨脹巖體的防護(hù)效果，并建立含水量（吸力）與渠坡變形之間的關(guān)系。

（4）在上述基礎(chǔ)上，對膨脹巖渠坡處理方案的實際效果進(jìn)行初步評價，并為膨脹巖渠坡變形和破壞的仿真模擬提供依據(jù)。

（5）通過混凝土襯砌板變形和接縫寬度變化的觀測，為一級馬道以下襯砌板的分縫設(shè)計提供參考。

2.3.5 處理后渠坡巖土體參數(shù)現(xiàn)場測試。

研究內(nèi)容如下：

（1）進(jìn)行處理后巖土體、加筋復(fù)合體的原位測試和室內(nèi)力學(xué)特性試驗，比較處理前后參數(shù)的變化；

（2）在現(xiàn)場試驗期間和試驗完成后，對膨脹巖渠坡進(jìn)行現(xiàn)場鉆探取樣，確定含水量的分布，研究降雨入滲及干濕循環(huán)影響深度；

（3）對出現(xiàn)明顯滑動變形跡象的部位，進(jìn)行現(xiàn)場鉆探取樣，研究滑動面或滑動帶巖土體的物理力學(xué)特性。

2.4 膨脹巖渠坡處理效果的綜合評價。

2.4.1 膨脹巖渠坡穩(wěn)定分析。

采用開發(fā)的膨脹巖渠坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)，對現(xiàn)場試驗方案進(jìn)行膨脹巖變形和破壞的數(shù)值分析，研究膨脹巖邊坡在各工況下的安全狀態(tài)，比較各種處理措施和結(jié)構(gòu)形式的效果，對大型膨脹巖渠坡的處理效果做出評價，研究提出利用膨脹巖渠坡處理后短期觀測資料來評價長期穩(wěn)定性的方法。

2.4.2 處理效果的綜合評價。

（1）將現(xiàn)場觀測成果按照不同的膨脹性、處理措施進(jìn)行分類，建立現(xiàn)場觀測控制參數(shù)與渠坡穩(wěn)定狀態(tài)之間的關(guān)系模型，研究提出渠坡處理方案技術(shù)可靠性的評價標(biāo)準(zhǔn)和評價方法。

（2）以邊坡的變形和應(yīng)力觀測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合渠坡穩(wěn)定分析成果，研究渠坡變形～應(yīng)力隨時間、氣候環(huán)境、應(yīng)力環(huán)境等因素的變化趨勢，預(yù)測渠坡變形和穩(wěn)定狀態(tài)，評價渠坡處理措施的合理性和可靠性。

（3）在各種處理方案技術(shù)可靠性評價基礎(chǔ)上，根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，對各種處理方案，從施工方便性和經(jīng)濟(jì)合理性等方面進(jìn)行綜合評價，最后推薦出總干渠膨脹巖渠坡的處理方案，為南水北調(diào)中線工程膨脹巖渠坡處理設(shè)計和大面積施工提供指導(dǎo)和借鑒。

2.5 膨脹巖渠坡穩(wěn)定分析仿真模擬。

針對各種典型的地質(zhì)條件、氣候條件、處理措施等因素，開發(fā)出膨脹巖渠坡設(shè)計的多媒體集成仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)膨脹巖渠坡處理前后應(yīng)力、變形、含水量變化過程、穩(wěn)定狀態(tài)（安全系數(shù)）、控制滑動面、處理措施的實時可視化表達(dá)，為膨脹巖渠段設(shè)計、施工和運行管理提供有力手段。

3. 工作基礎(chǔ)和技術(shù)路線

3.1 工作基礎(chǔ)。

（1）項目工作涉及到勘察、設(shè)計、室內(nèi)外試驗研究、現(xiàn)場施工、現(xiàn)場觀測和分析等，技術(shù)難度大。參加項目實施單位各具特色和優(yōu)勢，同時在膨脹土（巖）的研究和處理方面均具有相應(yīng)的基礎(chǔ)和條件，配合南水北調(diào)中線工程的規(guī)劃和設(shè)計工作，曾進(jìn)行過大量的試驗和研究，為南水北調(diào)中線工程論證提供了科學(xué)依據(jù)。

（2）在膨脹土的基礎(chǔ)研究方面，開展了丹江口、引丹灌渠和南陽膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)、粘土礦物對膨脹土的力學(xué)特性影響、膨脹土工程特性及填筑控制標(biāo)準(zhǔn)、非飽和壓實土的滲透及強(qiáng)度特性、膨脹土膨脹壓力實驗方法等研究；開展過非飽和膨脹土應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度特性、膨脹土離心模型試驗等多項研究工作。出版了《土工譯叢》（膨脹土專集）、制定了水利部《土工試驗規(guī)程》中膨脹土實驗方法標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在現(xiàn)場試驗研究方面，曾在河南刁南灌渠進(jìn)行了歷時五年的膨脹土渠坡現(xiàn)場觀測和現(xiàn)場試驗；在湖北棗陽對無處理措施的膨脹土渠道進(jìn)行了“降雨對膨脹土邊坡穩(wěn)定的影響”大型現(xiàn)場試驗研究；進(jìn)行過膨脹巖現(xiàn)場大型直剪試驗。

（4）在土工合成材料的研究和應(yīng)用方面，結(jié)合大中型水利工程和公路軟基加固等工程，開展了土工織物、土工格柵加固土體等方面的室內(nèi)試驗、離心模型試驗、現(xiàn)場監(jiān)測等研究工作，編寫了《土工合成材料工程應(yīng)用手冊》、《土工合成材料在水利工程中的應(yīng)用技術(shù)》、《堤防工程土工合成材料應(yīng)用技術(shù)》等，參與編制了土工合成材料的測試規(guī)程。擁有全套土工合成材料檢測設(shè)備，包括數(shù)控式土工合成材料多功能試驗儀、滲透儀、大型直剪儀、老化儀等。

（5）參加單位擁有國內(nèi)外先進(jìn)的試驗研究設(shè)備，有充分的工程經(jīng)驗，具有完成該項大型試驗研究的有利條件。

3.2 技術(shù)路線。

本項目的技術(shù)路線如圖3.2.1所示。試驗研究的總體技術(shù)路線主要可分為四個階段：即項目準(zhǔn)備階段、專項輔助性試驗階段、現(xiàn)場試驗研究階段和技術(shù)總結(jié)階段，這四個階段既相互關(guān)聯(lián)，又具有相對的獨立性。

3.2.1 項目準(zhǔn)備階段

本階段的工作包括四方面研究內(nèi)容，其技術(shù)路線如下：

（1）廣泛收集國內(nèi)外膨脹巖渠坡處理的工程實例和相關(guān)資料，了解國內(nèi)外膨脹巖工程處理措施的最新進(jìn)展，為試驗段渠坡的處理方案設(shè)計提供借鑒經(jīng)驗。廣泛收集試驗段當(dāng)?shù)貧v年氣象資料，調(diào)查當(dāng)?shù)卮髿庥绊懮疃龋瑸樵囼炑芯刻峁┗A(chǔ)資料。

（2）進(jìn)行旁壓試驗、現(xiàn)場滲透試驗，測定巖土層的變形模量、鉆孔膨脹率、滲透系數(shù)等。

（3）開展試驗段膨脹巖的基本特性研究，通過物理性試驗、力學(xué)性試驗（包括三軸、直剪、壓縮試驗等）、滲透性試驗、礦化分析、膨脹特性測試等試驗手段，掌握試驗段膨脹巖的水理特性、變形與強(qiáng)度特性、滲透特性及膨特性等基本工程特性，為開展專項輔助性試驗、現(xiàn)場試驗和最終成果分析等提供基礎(chǔ)資料。

（4）根據(jù)膨脹巖邊坡的處理原則以及試驗段膨脹巖的特性，借鑒參考類似工程經(jīng)驗，初步擬定試驗段試驗區(qū)膨脹巖渠坡處理方案。

3.2.2 專項輔助性試驗研究階段

本階段主要對現(xiàn)場試驗方案和可能采用的處理措施進(jìn)行有針對性的專題研究，為完善初擬的膨脹巖渠坡處理方案提供技術(shù)支撐，以便確定合理的現(xiàn)場試驗方案。

專項輔助性試驗研究的技術(shù)路線可以概括為：采用室內(nèi)試驗、模型試驗、數(shù)值分析等手段，分析處理措施的適用性和合理性，對初擬的處理措施進(jìn)行優(yōu)化和完善，在現(xiàn)場試驗中加以驗證。具體分解如下：

（1）在室內(nèi)模擬降雨和蒸發(fā)等氣候條件和環(huán)境因素，研究膨脹巖在溫度、含水量變化條件下的膨脹性指標(biāo)以及風(fēng)化、軟化特性，采用計算機(jī)圖像處理技術(shù)，將膨脹巖裂縫擴(kuò)展過程量化描述，并建立裂隙的統(tǒng)計模型。

（2）采用室內(nèi)試驗手段，研究土工合成材料加筋體的物理力學(xué)特性、應(yīng)力～應(yīng)變關(guān)系等，采用物理模型試驗分析不同措施防護(hù)效果；

（3）采用數(shù)值分析手段，研究坡頂防護(hù)范圍和減載效果、比較不同處理措施和結(jié)構(gòu)型式效果，為現(xiàn)場試驗方案的優(yōu)化和完善提供依據(jù)；

（4）通過室內(nèi)試驗，研究膨脹巖開挖面防護(hù)材料的種類、配比及其防護(hù)效果；

（5）通過收集相關(guān)資料和大量的對比試驗，研究提出膨脹巖膨脹等級的現(xiàn)場判別方法。

3.2.3 現(xiàn)場試驗階段。

（1）現(xiàn)場試驗方案的確定。

在室內(nèi)基本特性試驗和專項輔助性試驗的基礎(chǔ)上，調(diào)整和完善初步擬定的處理方案，最終確定現(xiàn)場試驗實施方案。

（2）現(xiàn)場試驗區(qū)渠道設(shè)計及施工。

根據(jù)現(xiàn)場試驗方案，結(jié)合總體可研對渠道設(shè)計的具體要求，由設(shè)計單位完成試驗區(qū)段渠道設(shè)計，施工單位進(jìn)行試驗區(qū)施工，其施工工藝、工序、進(jìn)度等應(yīng)滿足現(xiàn)場試驗的要求。

（3）環(huán)境因素的模擬。

在現(xiàn)場試驗中，采用人工降雨等手段加速渠坡巖體的干濕循環(huán)過程；采用局部破壞手段模擬襯砌開裂、防滲失效和渠坡處理層開裂防護(hù)失效條件。

（4）現(xiàn)場觀測。

在試驗方案實施后的較長時間內(nèi)，對渠坡表面水平變形和垂直變形、渠坡內(nèi)部深層水平變形和垂直變形、土壓力、孔隙水壓力、含水量、吸力等參數(shù)進(jìn)行觀測，同時觀測降雨量、入滲量、蒸發(fā)量、地下水位等環(huán)境參數(shù)。

（5）施工工藝和質(zhì)量控制研究。

對選定處理措施，根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)施工經(jīng)驗，初步擬定施工工藝，在試驗區(qū)施工之前，在施工單位的配合下，進(jìn)行各種處理措施的施工試驗，確定適宜的施工方法和參數(shù)，形成各種措施的施工工藝，并在試驗區(qū)施工中驗證和完善施工工藝研究，同時進(jìn)行施工質(zhì)量要素和檢測指標(biāo)的綜合分析，提出試驗區(qū)施工質(zhì)量控制要素和現(xiàn)場檢測指標(biāo)。

（6）處理后渠坡巖土體參數(shù)測試。

對各試驗區(qū)經(jīng)歷若干個干濕循環(huán)后的渠坡巖土體進(jìn)行原位測試和室內(nèi)試驗，研究經(jīng)不同方案處理后巖土體的基本參數(shù)，供渠坡穩(wěn)定性分析和處理效果評價使用。

4. 技術(shù)總結(jié)階段

系統(tǒng)總結(jié)室內(nèi)外試驗研究成果，重點對膨脹巖處理方案進(jìn)行綜合評價，在此基礎(chǔ)上，推薦膨脹巖渠坡的處理方案，提出膨脹巖渠坡處理的設(shè)計方法和施工質(zhì)量控制原則，開發(fā)膨脹巖渠坡處理和穩(wěn)定分析的仿真模擬系統(tǒng)。具體包括：

進(jìn)行各試驗方案效果的對比分析；

進(jìn)行各種方案的綜合評價（技術(shù)評價和經(jīng)濟(jì)性比較）；

提出膨脹巖渠坡的推薦處理方案；

提出膨脹巖渠坡處理的設(shè)計方法和施工質(zhì)量控制原則；

完成膨脹巖渠坡處理和穩(wěn)定分析的仿真模擬系統(tǒng)。

5. 結(jié)速語

鑒于膨脹巖渠坡處理對水利工程運行安全的重要性，針對地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、區(qū)域環(huán)境等方面開展工程地質(zhì)特性研究，重點進(jìn)行：膨脹巖土的成巖環(huán)境、構(gòu)造背景、水環(huán)境和氣候環(huán)境研究。根據(jù)施工開挖揭露情況，研究膨脹巖土體的結(jié)構(gòu)，層面、裂隙類型及發(fā)育規(guī)律，裂隙充填物及物理、力學(xué)及水理性質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 《工程建設(shè)強(qiáng)制性條文》（水利工程部分）2010年版.