【正文】 力學(xué)指標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律，跟蹤了解在開(kāi)挖卸荷效應(yīng)和干濕循環(huán)效應(yīng)下邊坡內(nèi)外變形的發(fā)展過(guò)程，從時(shí)間和空間上描述、解釋、預(yù)測(cè)邊坡破壞的特征和趨勢(shì)，課題組選取了某未經(jīng)處治的開(kāi)挖邊坡，對(duì)坡面變形 (表面標(biāo)點(diǎn) )、坡內(nèi)脹縮變形和位移 (柔性位移計(jì)、測(cè)斜管 )及溫度濕度變化 (含水量探頭、溫度傳感器 ))、吸力 (張力計(jì) )、孔隙水壓力 (孔隙水壓力計(jì) )等項(xiàng)目進(jìn)行了觀測(cè)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 誕生于上世紀(jì) 50年代的工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是一門(mén)新興的邊緣學(xué)科，工程監(jiān)測(cè)的基本內(nèi)涵是：通過(guò)對(duì)工程結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)期、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估，為工程的設(shè)計(jì)、維護(hù)與管理提供依據(jù)和指導(dǎo)，為工程在特殊情況 (惡劣氣候，偶然重載 )可能出現(xiàn)的破壞提供預(yù)警。在這些常見(jiàn)的觀測(cè)領(lǐng)域內(nèi)，水工結(jié)構(gòu)物 (如大壩 )的安全監(jiān)測(cè)又是研究得最早，發(fā)展得最成熟的一個(gè)分支。大壩主要觀測(cè)項(xiàng)目都具有數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集和遠(yuǎn)程傳達(dá)系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)成果的解釋主要靠數(shù)學(xué)模型，而且推出了計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(MASM)，實(shí)現(xiàn)大壩安全監(jiān)測(cè)的全面自動(dòng)化。 80年代以來(lái)，我國(guó)先后制定了 《 混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》 (SDJ33689)，《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》 (SL6094)．《鋼弦式壓力傳感器》 (GB／ T1360692)等一系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。 目前，監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展主要沿著“硬件”和“軟件”兩條線，“硬件”就是指監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，“軟件”就是指數(shù)據(jù)處理的工具和方法。硬件”方面，研制開(kāi)發(fā)了一系列觀測(cè)精度高、穩(wěn)定性好，智能化和自動(dòng)化程度高的先進(jìn)監(jiān)測(cè)儀器，如意大利舍利 (Seli)公司生產(chǎn)的變磁阻感應(yīng)式遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀，可鉆出孔徑76mm、深達(dá) lOOm．孔偏差小于 lOmm的倒垂線孔 ，并采用自動(dòng)對(duì)中僅從埋設(shè)點(diǎn)向上沿垂線進(jìn)行多點(diǎn)三向位移觀測(cè)；伺服加速度傳感器的使用，使測(cè)斜儀的精度可達(dá)3μ m，相應(yīng)應(yīng)變精度可達(dá) 3 106，加拿大 Saskachewan大學(xué)研制的熱傳導(dǎo)探頭，可在野外測(cè)量超過(guò) 1000kpa的基質(zhì)吸力。在“軟件”方面，數(shù)據(jù)處理的方法和理論也有重大的突破，目前工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析方法主要有三大類(lèi)：統(tǒng)計(jì)分析法、信息分析法和專(zhuān)家系統(tǒng)。信息分析法是從系統(tǒng)科學(xué)、信息論的高度考慮各種影響因素間的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)大量的信息進(jìn)行抽象和綜合，以期得出考慮全面的、客觀性較強(qiáng)的結(jié)論。專(zhuān)家系統(tǒng)上是一種以知識(shí)庫(kù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，具有大量的專(zhuān)門(mén)知識(shí)，能應(yīng)用人工智能的理論和技術(shù)，根據(jù)人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理，模擬人類(lèi)專(zhuān)家進(jìn)行決策，解決需要專(zhuān)家才能解決的復(fù)雜問(wèn)題。 1996年，長(zhǎng)江科學(xué)院包承綱等人在南水北調(diào)中線工程所經(jīng)過(guò)的湖北棗陽(yáng)引唐灌區(qū)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究工作，運(yùn)用了國(guó)產(chǎn)熱傳導(dǎo)探頭和張力計(jì)監(jiān)測(cè)膨脹土邊坡在 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 共 70 頁(yè) 降雨期間的吸力反映。 為了對(duì)降雨誘發(fā)的非飽和膨脹土邊坡失 穩(wěn)的機(jī)理有較深刻的了解， 2021年，香港科技大學(xué)吳宏偉等選取了一個(gè) llm高的典型的非飽和膨脹土挖方邊坡，進(jìn)行人工降雨模擬試驗(yàn)和原位綜合監(jiān)測(cè)，全面監(jiān)測(cè)和分析了降雨條件下渠道邊坡的變形、強(qiáng)度、吸力含水量變化規(guī)律。 根據(jù)西部交通科技項(xiàng)目的要求，楊果林、劉義虎等人在常張高速公路的第十一標(biāo)慈利東互通設(shè)立膨脹土試驗(yàn)路段，在 3個(gè)不同的處治路段 (原狀土路段，改良土路段和加筋土路段 )分別埋設(shè)沉降管，觀測(cè)結(jié) 果表明： (1)在路堤填筑過(guò)程中，沉降量均小于 150mm，說(shuō)明在試驗(yàn)路段采取的土工膜隔水，摻石灰改良膨脹土，加筋處治膨脹土等措施取得了較好的效果。 (3)沉降管的沉降速率由大變小，在填土荷載增加的開(kāi)始階段沉降曲線斜率比較大，但是當(dāng)荷載增加到一定程度的 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 70 頁(yè) 時(shí)候沉降斜率就開(kāi)始變小，說(shuō)明路堤在施工初期的沉降 量比較大，沉降也主要發(fā)生在施工期。 按照觀測(cè)實(shí)施條件的不同，可分為自然型和人為控制型。 此外，膨脹土路基監(jiān)測(cè)還呈現(xiàn)出“兩個(gè)結(jié)合”的趨勢(shì)和特點(diǎn)，即實(shí)踐觀測(cè)與理論分析相結(jié)合，野外觀測(cè)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，這 兩種結(jié)合都是有機(jī)的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的結(jié)合。第一種結(jié)合比較典型的有：沈珠江院士在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)完成后，應(yīng)用非飽和土簡(jiǎn)化固結(jié)理論，建立有限元模型，模擬棗陽(yáng)膨脹土邊坡在人工降雨過(guò)程中 孔 隙壓力變化和變形的發(fā)展過(guò) 程，數(shù)值計(jì)算結(jié)果在定性上與實(shí)例觀測(cè)資料一致。第二種結(jié)合比較典型的有：詹良通在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)完成后，從試驗(yàn)邊坡上取了大量原狀樣，進(jìn)行了一系列的室內(nèi)試驗(yàn)，如自由膨脹率試驗(yàn)、原狀收縮試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)，對(duì)照邊坡在干濕循環(huán)下的變形和強(qiáng)度的變化規(guī)律 11?。根據(jù)土體體積含水量和吸力值的野外監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出了邊坡坡頂土體不同深度的野外土一水特征曲線。 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 共 70 頁(yè) 第一 章 場(chǎng)地工程地質(zhì)勘察 概述 工程概述 廣西南友高速公路 K139+500～ K140+240 路堤位于寧明縣境內(nèi)，該路段位于 主線上，長(zhǎng) 740 米，該路段 主要為 第三系始新統(tǒng)那讀組 膨脹土 ，泥質(zhì)粉沙巖及少部分砂巖，其中的粘土巖部分風(fēng)化具有膨脹性，為膨脹泥巖。 具體填挖高度見(jiàn)坡場(chǎng)地工程地質(zhì)剖面圖。判定地下水對(duì)建筑材料的腐蝕性等：查明巖土體的 脹縮性并對(duì)其脹縮性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 勘察等級(jí) 本工程重要性等級(jí)屬于三級(jí)，場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)屬于一級(jí)，地基復(fù)雜程度等 級(jí)屬于二級(jí)，邊 坡安全等級(jí)屬于二級(jí)，重要性系數(shù) γ 0=，綜合評(píng)定本工程 巖土工程勘察等級(jí)為甲級(jí)。 11月 次年四月為枯水季節(jié)，平均氣溫 1319176。年降雨天數(shù)在 150 天左右，年雷暴雨天書(shū) 100 天左右，勘察場(chǎng)地附近無(wú)大的常流河通過(guò)，暴雨期間附近的山間溝谷中匯聚一定的水流。寧明盆地為典型的膨脹土地區(qū)，盆地受東西向構(gòu)造斷裂控制，地貌呈壟崗式低丘，淺而寬的溝谷，地形坡度平緩，一般為 815176。構(gòu)成邊坡坡體的土體上部為松軟的素填土，下部為膨脹土：素填土在大氣降水的作用下易形成小型泥石流或滑坡，膨脹土在大氣降水的作用下或經(jīng)暴曬后可能膨脹，開(kāi)裂而形成淺層滑坡，損壞路基 。 膨脹土按其成因可大致歸納為 3 類(lèi)：①冰川泥礫及上覆的洪積土；②那讀組風(fēng)化的殘積 — 坡積土；③明江一、二級(jí)階地的沖積物。第一層為黃褐色高液限粘土或耕植土，厚度為 0～ ，第二層為灰白色膨脹 土，厚度為 2～ 6m；第三層為深灰色膨脹巖，厚度為 0～ 12m。 擬建場(chǎng)地及其附近未發(fā)現(xiàn)地表徑流及地下水露頭。由于場(chǎng)地邊坡破面植被較不發(fā)育，地表水對(duì)擬建場(chǎng)地有較強(qiáng)的沖刷作用。 地下水，地下水對(duì)膨脹土路堤的影響 1）采用膨脹土填筑路堤，只要處置措施得當(dāng)，有效的隔絕外界水的影 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 70 頁(yè) 響，土體含水率就不會(huì)發(fā)生改變。與地下水引起的路堤含水率變化在路堤不同高度處成指數(shù)函數(shù)分布。 3）膨脹土路基內(nèi)部壓力變化受土體的含水率控制，含水率增大會(huì)引起膨脹土中自重應(yīng)力增大和膨脹力的出現(xiàn)。在實(shí)際工程中，可以通過(guò)檢測(cè)土壓力的變化來(lái)檢測(cè)路基穩(wěn)定性。 5）在地下水的路段，膨脹土路堤注意隔水，防止由于膨脹土和水分直接接觸形成軟弱層，造成路堤延軟弱層發(fā)生滑動(dòng)破壞。 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 共 70 頁(yè) 第二章 場(chǎng)地膨脹土的脹縮等級(jí)判別 判斷膨脹性 膨脹土是一種粘粒成分主要由親水礦物（蒙脫石、伊利石）組成的高液限粘土，其主要特征表現(xiàn)為吸水顯著膨脹、軟化，失水急劇干縮開(kāi)裂，此外，還具有易崩解性、多裂縫性和超固結(jié)性。 由于 K139+500～ K140+240 與 K138+600 處于同一地段，土質(zhì)相似，根據(jù)勘查資料，在 K138+600 取土深 24m和 4m以下土層 進(jìn)行 室內(nèi)土工試驗(yàn)。 膨脹土的分類(lèi)判斷 按現(xiàn)行分類(lèi)判別標(biāo)準(zhǔn)表 23，根據(jù) 22 實(shí)驗(yàn)路段土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)，依自 由膨脹率和液塑圖法綜合判別，第一層為中等膨脹土，第二層為弱膨脹土。由于卸荷和化學(xué)風(fēng)化作用，特別是亞熱帶風(fēng)化淋濾作用，殘積層不僅發(fā)生了礦物的轉(zhuǎn)化，而且造成密度的強(qiáng)烈降低，形成殘積型膨脹土所特有的低密度（ ～ ）、高含水量（ ～ ）高分散性（ 2μ m 粘粒含量 40%）、強(qiáng)收縮（體縮 14%）等一系列不良工程性質(zhì)。 路塹開(kāi)挖揭露的邊坡土體典型地質(zhì)剖面可分為三層：頂部表土層以紅色為主，帶黃色斑點(diǎn)的高液限土或耕植土，厚 ～ ；中部為紅黃色或灰白色斑紋狀膨脹土層，厚度為 2m～ 6m；下部為深灰色、灰褐色粘土頁(yè)巖，厚度大未被揭穿。 結(jié)論與建議 造邊坡坡體的土體上部為松散軟弱的素填土，下部為膨脹土；素填土在大氣降雨的作用下易形成小型泥石流或滑坡，膨脹土在大氣降水的作用下或經(jīng)暴曬后可能膨脹，寧明膨脹土是屬于各向異性的膨脹土，以水平變形為主，對(duì)路堤穩(wěn)定極為不利，必須對(duì)膨脹土的路基進(jìn)行適當(dāng)處治才能應(yīng)用于工程建設(shè)，素填土在大氣降水的作用下易形成小型泥石流，場(chǎng)地屬于對(duì)建筑抗震不利地段，須采用有效的處理措施。 按現(xiàn)行分類(lèi)判別標(biāo)準(zhǔn)：依自由膨脹率和液塑圖法綜合判別，第一層為中等膨脹土，第二層則為弱膨脹土，但填料的 CBR 浸水膨脹率，第二層土達(dá) %以上，而第一層土則高達(dá) %以上，均遠(yuǎn)高于其他地區(qū)分布的同等漲縮等級(jí)的膨脹土，高 CBR 浸水膨脹率充分說(shuō)明寧明盆地的膨脹土不僅具有典型膨脹土的土質(zhì)特性，其填料浸水后的強(qiáng)膨脹性更為區(qū)域特有的土質(zhì)個(gè)性，這一點(diǎn)在選擇填料處治方法時(shí)必須充分考慮。承載比試驗(yàn)在世界各地得到廣泛應(yīng)用，已成為公路路面設(shè)計(jì)及路基填土的質(zhì)量控制指標(biāo)。 圖 不泡水 CBR 試驗(yàn) CBR 值與含水量的關(guān)系 由試驗(yàn)結(jié)果可知：該膨脹土的不泡水 CBR 值隨含水量變化總趨勢(shì)是隨 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 70 頁(yè) 含水量增大而降低，但在含水量為 11%～ 15%及 25%以后的兩區(qū)段下降趨勢(shì)變緩，含水量在 25%以下， CBR 值均 10%，由此可見(jiàn)，只路基土的含水量保持在 25%以下，該膨脹土用作路基填料能滿足路堤填料對(duì)強(qiáng)度的要求。從中可見(jiàn)，膨脹土的浸水膨脹量在不到 2h內(nèi)就達(dá)到了 3%， 9h后就達(dá)到了 8%，并且隨時(shí)間不斷增長(zhǎng)，泡水 4d 后 CBR 浸水膨脹量達(dá)到了 %并且還在增長(zhǎng)，因此，用這種土作路基填料進(jìn)有效的封閉防水是十分重要的。 圖 CBR 膨脹量隨時(shí)間變化關(guān)系圖 碎石土的土性特征 采用路塹開(kāi)挖的寧明膨脹泥巖風(fēng)化破碎土，其基本土性指標(biāo)如下表33。 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 70 頁(yè) 第四章 場(chǎng)地膨脹土路堤填筑原理 膨脹土特性 南友高速公路 K139+500～ K140+240,其地貌為東西構(gòu)造斷陷盆地，地勢(shì)平緩，植被稀少，據(jù)上分析可知屬典型的膨脹土分布區(qū)。在自然狀態(tài)下，膨脹土多呈硬塑性或堅(jiān)硬狀態(tài)，具有黃、褐、灰白等色，膨脹土主要由強(qiáng)親水性粘土礦物組成的，具有吸水膨脹軟化、失水收縮開(kāi)裂和重復(fù)脹縮變形的特性。膨脹土具有的脹縮特性，遇水 膨脹、失水收縮，體積會(huì)發(fā)生急劇變化，易發(fā)生脹縮變形，使道路開(kāi)裂、建筑物地基變形膨脹土給工程建筑物帶來(lái)的嚴(yán)重危害。工程技術(shù)人員不得不反復(fù)采取多種工程措施加以修復(fù)和防范，使工程造價(jià)顯著提高。 膨脹土的多裂隙性 南友路膨脹土中的裂隙按成因類(lèi)型可分為原生裂隙和次生裂隙。包括風(fēng)化裂隙、卸荷裂隙、斜坡裂隙與滑坡裂隙等。垂直裂隙通常為脹縮效應(yīng)引起的張力應(yīng)變形成。裂層面填充有次生灰白色粘土，具蠟狀光澤，有鏡面擦痕。對(duì)路塹邊坡的穩(wěn)定性極為不利，邊坡極易失穩(wěn)而沿裂隙結(jié)構(gòu)面滑塌破壞。超固結(jié)的膨脹土，其孔隙比較正常固結(jié)土的為小，在同一外荷載作用下，超固結(jié)土由于具有較高的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，壓縮性小，土基的總沉降量將小于正常固結(jié)土或欠固結(jié)土。 強(qiáng)親水性 膨脹土由于強(qiáng)親水性礦物的存在，吸水膨脹失水收縮表現(xiàn)的十分強(qiáng)烈。而膨脹土在失水時(shí)的收縮常常造成膨脹土路堤表面龜裂和邊坡變形。 南寧至友誼關(guān)高速公路 K139+500～ K140+240路基處置方案設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè) 共 70 頁(yè) 反復(fù)脹縮性和強(qiáng)度衰減性 在干濕循環(huán)條件下，膨脹土極易失水收縮，吸水膨脹。膨脹土的抗剪強(qiáng)度為典型的變動(dòng)強(qiáng)度，具有極高的峰值，而其殘余強(qiáng)度又極低。南友路膨脹土的自由膨脹率不是很 高，但強(qiáng)度衰減很快，對(duì)路塹邊坡的破壞性極強(qiáng)。大量的調(diào)查研究表明，大氣影響深度是一定的，已有研究資料和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，寧明膨脹土的大氣活動(dòng)層（區(qū)）深度為 。 膨脹土干縮濕脹的機(jī)理 膨脹土與水相互作用時(shí)，隨著含水量的增加，其體積將顯著地增大，即表現(xiàn)出強(qiáng)烈膨脹性；隨著土中含水量的減少 ，土的體積也必然隨之縮小，即出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。膨脹土的脹縮特性首先是由土的內(nèi)部固有