堤基截滲垂直鋪塑回填土對槽壁穩(wěn)定性影響分析

孫樹林， 胡 昭， 吳正松， 張德恒， 孫建東

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100； 2.沂沭泗水利管理局，江蘇徐州 221009；3.南京工程學(xué)院建筑學(xué)院，南京 211167)

0 前言

垂直鋪塑防滲技術(shù)[1-2]，是利用開槽機(jī)器在存在滲漏等需防滲區(qū)域按照所需鋪膜深度垂直開鑿槽孔，將土工防滲膜[3-4]或塑膜鋪設(shè)在槽孔中，利用膜的良好防滲性能形成防滲帷幕從而達(dá)到防滲目的。土體回填是垂直鋪塑技術(shù)的必要步驟。工程研究發(fā)現(xiàn)，使用回填土能有效截滲，但回填土的膨脹性會對槽壁產(chǎn)生擠壓，使得槽壁發(fā)生變形破壞的問題一直是焦點(diǎn)。本文旨在通過對槽壁受力分析，揭示回填土膨脹性導(dǎo)致槽壁變形破壞機(jī)制，解決回填土的膨脹性造成槽壁穩(wěn)定性影響的問題。

1 槽壁失穩(wěn)機(jī)理

垂直鋪塑過程中開槽機(jī)上的挖斗將槽內(nèi)土體挖出，使得原本處于靜止平衡狀態(tài)的槽內(nèi)側(cè)壁土體產(chǎn)生臨空面，雖然成槽過程的同時(shí)采取了泥漿護(hù)壁[5]的手段，短期內(nèi)泥漿可平衡溝槽兩側(cè)水土壓力，并起到防滲作用。但當(dāng)泥漿產(chǎn)生的壓力不能平衡靜止土壓力時(shí)，槽內(nèi)側(cè)壁土體會向溝槽內(nèi)側(cè)方向產(chǎn)生一定的位移，土體在產(chǎn)生位移之后作用于泥漿表面上的靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃油翂毫?，?cè)壁的土體就會進(jìn)一步向槽內(nèi)發(fā)生位移直至沿某一面發(fā)生滑動破壞甚至整體坍塌，槽壁失穩(wěn)如圖1所示。

1—溝槽，2—失穩(wěn)滑面，3—原位土層圖1 槽壁失穩(wěn)示意

2 槽壁穩(wěn)定性分析

2.1 回填前槽壁受力分析

朗肯理論認(rèn)為當(dāng)墻后填土達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，與墻背接觸的土單元體都處于極限平衡狀態(tài)，然后根據(jù)土體處于極限平衡狀態(tài)時(shí)應(yīng)力滿足的條件來建立土壓力的計(jì)算公式。這一理論最初針對干燥的均質(zhì)無黏性土提出，后來被推廣到黏性土和有水的情況下。

在鋪塑前首先會進(jìn)行溝槽抽水使得地下水位下降以方便鋪塑，當(dāng)開槽深度達(dá)到設(shè)計(jì)深度的要求后，將鋪膜置入溝槽中邊開槽邊鋪膜，隨著開槽機(jī)向前運(yùn)行，塑膜即可平順地鋪在槽中，在鋪塑完成后較短時(shí)間內(nèi)理想情況下塑膜前后土體水位可視為相同。則地下水位以下有塑膜(背水側(cè))和無塑膜(迎水側(cè))兩側(cè)槽壁受到的主動土壓力理論計(jì)算公式為：

(1)

式中ha為地面以下深度；γ′為土體有效重度；γw為水的重度；c為土體黏聚力；Ka為主動土壓力系數(shù)，Ka2(45°-φ/2)。

地下水位以上有塑膜和無塑膜兩側(cè)槽壁受到的主動土壓力理論計(jì)算公式為：

(2)

式中γ為土體重度。

溝槽受力分析如圖2所示。在槽壁受到的靜止土壓力逐漸增大轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃油翂毫r(shí)，僅靠泥漿護(hù)壁措施不能平衡主動土壓力，則槽壁兩側(cè)會產(chǎn)生變形破壞，由于兩側(cè)側(cè)壓力為主動土壓力，沿兩側(cè)槽壁呈線性分布隨著深度增大，故理論上會從槽底開始屈服，并沿某一面向上產(chǎn)生破壞或崩塌。

2.2 回填后槽壁受力分析

在鋪設(shè)塑膜工作完成后，僅靠泥漿護(hù)壁措施無法平衡槽壁上的土壓力，需要及時(shí)回填土體?；靥畹恼承酝辆哂幸欢ǖ呐蛎浶裕诨靥钔馏w后，通過人工和機(jī)械壓密、夯實(shí)可平衡槽壁上的主動土壓力。但回填膨脹土在回填后的一段時(shí)間內(nèi)會吸收地下水發(fā)生膨脹變形，若理論上回填土體分布均勻且充分夯實(shí)不會拱起變形，則膨脹土吸水膨脹產(chǎn)生的膨脹力對于兩側(cè)槽壁是呈均布荷載分布的，將膨脹力設(shè)為P。在膨脹土吸水膨脹的過程中，產(chǎn)生的膨脹力不斷增大，兩側(cè)槽壁為平衡膨脹力，主動土壓力向被動土壓力轉(zhuǎn)變，若達(dá)到土體極限的被動土壓力仍無法平衡土體產(chǎn)生的膨脹力，則槽壁發(fā)生脫落、變形破壞。由于塑膜的存在，回填土體一段時(shí)間后塑膜兩側(cè)地下水水位將會產(chǎn)生水位差(無塑膜側(cè)和溝槽內(nèi)水位高于有塑膜側(cè))，水位差的存在會產(chǎn)生由堤基側(cè)繞過塑膜的滲流，堤基側(cè)滲流力由上向下，而繞過塑膜的滲流力起頂托作用，由下至上。針對滲流力[6]影響，則有塑膜側(cè)地下水水位下被動土壓力Ep理論計(jì)算公式如下：

1—塑膜，2—迎水側(cè)，3—背水側(cè)，4—溝槽圖2 回填前槽壁受力分析

(3)

式中hp為地面以下深度；i為水力梯度，i=(h1-h2)/h1；Kp為被動土壓力系數(shù)，Kp=tan2(45°+φ/2)。

無塑膜側(cè)地下水水位下被動土壓力Ep理論計(jì)算公式如下:

(4)

地下水位以上有塑膜和無塑膜兩側(cè)槽壁受到的被動土壓力理論計(jì)算公式為：

(5)

回填后槽壁受力分析如圖3所示。

1—塑膜，2—迎水側(cè)，3—背水側(cè)，4—回填土圖3 回填后槽壁受力分析

2.3 槽壁失穩(wěn)判據(jù)及影響因子分析

2.3.1 槽壁失穩(wěn)判據(jù)

對于均質(zhì)單一土層，由土體參數(shù)與地下水位計(jì)算的被動土壓力Ep為常數(shù)，膨脹力P是關(guān)于回填土初始含水率w變量的函數(shù)，即槽壁失穩(wěn)的影響因子。

可設(shè)槽壁失穩(wěn)系數(shù)為K，當(dāng)膨脹力P和槽壁上的被動土壓力Ep滿足下式時(shí)，槽壁發(fā)生變形破壞：

K=P-Ep>0

(6)

2.3.2 影響因子分析

已有研究結(jié)果表明[7]回填土的初始含水率越大，吸水至飽和后回填土產(chǎn)生的膨脹力越小，回填土初始含水率與膨脹力之間大致呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。假定回填土的膨脹力P與初始含水率w之間存在某種函數(shù)關(guān)系，設(shè)為P=f(w)，由于膨脹力與含水率均為正數(shù)，故函數(shù)應(yīng)位于第一象限。

2.3.2.1 p、w線性關(guān)系

假定膨脹力P和初始含水率w之間滿足線性關(guān)系，設(shè)為下式：

P=f(w)=Aw+B

(7)

式中A、B均為常數(shù)且A<0，B>0，函數(shù)示意曲線如圖4所示。

圖4 線性關(guān)系函數(shù)示意

函數(shù)f(w)的導(dǎo)函數(shù)可表示因變量P關(guān)于自變量w變化的快慢，若膨脹力與初始含水率滿足線性關(guān)系，則函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)f′(w)=A，即表示在含水率w等值變化的任意區(qū)間膨脹力P變化的值將穩(wěn)定不變，這種函數(shù)關(guān)系有利于施工的進(jìn)行。若槽壁失穩(wěn)系數(shù)K=0時(shí)對應(yīng)的影響因子w=w0，則只需令w>w0，槽壁就不會發(fā)生破壞，由于函數(shù)曲線均勻變化，在回填土體過程中，可便宜地根據(jù)被動土壓力Ep的值選取回填土最優(yōu)含水率w0，施工中能有效防止槽壁的變形破壞。

2.3.2.2 p、w拋物線關(guān)系

假定膨脹力P和初始含水率w之間滿足拋物線關(guān)系，設(shè)為下式：

P=f(w)=Aw2+Bw+C

(8)

式中A、B、C均為常數(shù)且A>0，B<0，C>0。函數(shù)示意曲線如圖5所示。

圖5 拋物線關(guān)系函數(shù)示意

若膨脹力與初始含水率滿足拋物線關(guān)系，由于兩者間為負(fù)相關(guān)關(guān)系，則滿足0

2.3.2.3p、w指數(shù)關(guān)系

假定膨脹力P和初始含水率w之間滿足指數(shù)關(guān)系，設(shè)為下式：

P=f(w)=ABCw+D

(9)

式中A、B、C、D均為常數(shù)且A>0。函數(shù)示意曲線如圖6所示。

若膨脹力與初始含水率滿足指數(shù)關(guān)系，則函數(shù)的導(dǎo)函數(shù)f′(w)=A·C·lnB·BCw仍然為指數(shù)函數(shù)，則在含水率較小的區(qū)間內(nèi)膨脹力隨含水率變化產(chǎn)生極大波動，而在含水率較大時(shí)膨脹力基本不再隨之發(fā)生明顯變化，若槽壁失穩(wěn)系數(shù)K=0時(shí)對應(yīng)的影響因子w=w0，則令w>w0，槽壁就不會發(fā)生破壞，針對這種函數(shù)關(guān)系應(yīng)對回填土的初始含水率w0處于較小值范圍時(shí)需要提高回填土的含水率精度，防止由于初始含水率細(xì)微變化導(dǎo)致的槽壁變形破壞。

圖6 指數(shù)關(guān)系函數(shù)示意

3 算例

正南淮堤于安徽省壽縣淠河、淮河右岸，堤線北自淮河正陽關(guān)下五里鋪，南至迎河集泄洪閘。工區(qū)范圍內(nèi)地層以粉質(zhì)黏土和粉質(zhì)壤土為主，地下水位不穩(wěn)定，洪水期河水位上升，承壓水壓力增大，成為堤基滲透破壞[8]的主要原因之一。自21世紀(jì)初期開始，經(jīng)過十多年的研究解決了正南淮堤的滲漏問題，垂直鋪塑技術(shù)在其中起到了重要作用[9-10]。垂直鋪塑工程區(qū)成槽深度大致為16 m，鋪塑深度15m，槽口寬度0.25 m，溝槽在背水側(cè)進(jìn)行塑膜鋪塑施工。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，地層在工程范圍內(nèi)從上到下大致可分6層，土體參數(shù)如表1所示。對回填粘性土的基本物理指標(biāo)進(jìn)行檢測，具體參數(shù)如表2所示。

表1 土體參數(shù)

表2 回填土物理性質(zhì)

由回填土基本物理指標(biāo)可知其屬于中等膨脹土，為得出回填膨脹土初始含水率與膨脹力的關(guān)系，取回填土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，本試驗(yàn)制備試樣的初始含水率分別為22.4%、25.5%、28.4%、31.6%、35%、38.2%，均按照土工試驗(yàn)規(guī)范步驟制備，每種試驗(yàn)做一組平行試驗(yàn)，平行試驗(yàn)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)。故每種初始含水率的試樣制備6份，且保證試樣不同位置含水率差值不超過1%，試驗(yàn)步驟按相關(guān)規(guī)范進(jìn)行，膨脹力與初始含水率的關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果見圖7。由圖7知隨著初始含水率的增加膨脹力不斷減小，且初始含水率較小時(shí)膨脹力減小速度較快，初始含水率較大時(shí)膨脹力減小較慢，且試驗(yàn)曲線趨于平緩，膨脹力基本不再隨初始含水率的增大而明顯變化。

圖7 膨脹力試驗(yàn)

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合，可知在R2=0.889 6且膨脹土干密度確定條件下初始含水率w和膨脹力P大致服從負(fù)指數(shù)關(guān)系，擬合關(guān)系式為

Pe=2 528.2e-0.115w

(10)

式中P為膨脹土試樣的膨脹力，kPa;w為膨脹土試樣的初始含水量，% 。由于膨脹力P與含水率w之間的關(guān)系服從指數(shù)關(guān)系，可知當(dāng)計(jì)算的回填土初始含水率w0處于較小區(qū)間內(nèi)時(shí)，施工時(shí)應(yīng)提高回填土初始含水率的檢測精度，避免初始含水率誤差導(dǎo)致的回填土膨脹力大幅度變化。

回填前槽壁兩側(cè)地下水位埋深為13 m。通過公式(1)、公式(2)可確定回填前槽壁兩側(cè)上主動土壓力。各地層主動土壓力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由于回填前短期內(nèi)塑膜地下水位視為一致，故背水側(cè)和迎水側(cè)土壓力計(jì)算結(jié)果一致。由表3可知土層分界處土壓力增大趨勢有所波動，但總體上隨深度而增加，地層①和②分別在0～0.58 m和1～2.18 m段出現(xiàn)拉力區(qū)，具有穩(wěn)定性。由計(jì)算結(jié)果可知槽底部位最先發(fā)生變形破壞。

表3 地層主動土壓力計(jì)算結(jié)果

膨脹土回填后塑膜兩側(cè)開始出現(xiàn)水位差，迎水側(cè)地下水位埋深8 m，背水側(cè)地下水位略有上升，埋深12 m。通過公式(3)— 公式(5)可確定回填后槽壁兩側(cè)上土壓力，當(dāng)膨脹力達(dá)到被動土壓力后，若繼續(xù)膨脹則會導(dǎo)致變形破壞。各地層被動土壓力具體計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 地層被動土壓力計(jì)算結(jié)果

由表4可知，隨著地層深度增大，被動土壓力大小總體呈增大的趨勢。表層土為砂壤土，顆粒較為松散且強(qiáng)度較低，土體被動土壓力數(shù)值較小，膨脹土回填發(fā)生膨脹后最先產(chǎn)生變形破壞，想保證表層土的穩(wěn)定性，由公式(10)可知膨脹土初始含水率要高于47 %，這在回填施工中基本無法操作，因此要做好開槽后表層土的護(hù)壁措施?；靥钆蛎浲恋奶烊缓蕿?9.5 %，飽和后產(chǎn)生的膨脹力大小為268.50 kPa，故槽壁會在②中部以上產(chǎn)生變

形破壞。槽壁上最大被動土壓力出現(xiàn)在地層⑤。當(dāng)膨脹土初始含水率小于8 %時(shí)整個(gè)槽壁兩側(cè)都會發(fā)生變形破壞。由于塑膜鋪塑在背水側(cè)，膜后水位低于迎水側(cè)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，背水側(cè)槽壁下部被動土壓力更大，穩(wěn)定性更好抵抗膨脹土膨脹力的能力更強(qiáng)。根據(jù)公式(10)對應(yīng)的試驗(yàn)曲線函數(shù)類型、被動土壓力計(jì)算結(jié)果和相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，回填膨脹土的最優(yōu)初始含水率為28%～32%，在此范圍內(nèi)既不會因含水率過大給回填帶來不便，且只需做好表層土的護(hù)壁加固措施即能維持回填后槽壁土體穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

①垂直鋪塑溝槽槽壁上土壓力由靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃油翂毫κ腔靥钋安郾谑Х€(wěn)的主要原因。考慮地下水影響，通過槽壁受力分析，推導(dǎo)出回填前和回填后槽壁上土壓力的計(jì)算公式。

②回填后回填土對槽壁的膨脹性是回填土吸水飽和產(chǎn)生膨脹力的結(jié)果；當(dāng)膨脹力P大于槽壁上的被動土壓力Ep時(shí)，槽壁發(fā)生變形破壞；膨脹力P與回填土初始含水率w服從某種函數(shù)關(guān)系，結(jié)合回填后土壓力計(jì)算和施工經(jīng)驗(yàn)，可確定膨脹土回填的最優(yōu)含水率區(qū)間范圍，為回填施工提供借鑒。