南水北調中線邯邢段渠道抗剪強度參數的選取

王永宣

南水北調中線工程邯邢渠段長172.751km，渠道全部采取明挖，根據鉆孔揭露，該段地層相變大，地質條件復雜。由于地面起伏較大，渠段內有近35m的深挖方，也有13m厚的高填方，渠道巖土體的抗剪強度參數直接影響著渠道邊坡的穩定計算與設計，對工程占地、工程量及投資具有不可小覷的影響。

1. 抗剪強度指標的取值原則

邯邢渠段土體抗剪強度指標的選取依據，一是遵循“勘察規范”，二是執行項目牽頭單位長江水利委員會綜合勘測局編制的有關技術文件。

按照“勘察規范”，土的抗剪強度標準值可采用直剪試驗峰值強度的小值平均值；當采用有效應力進行穩定分析時，三軸壓縮試驗測定的抗剪強度宜采用試驗平均值。

長江委綜合勘測局有關技術文件規定，地質建議值：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選取，當試驗組數足夠多時，也可取平均值；采用參數的可靠性估值。另外對于膨脹土宜按強、中、弱選取不同的強度參數建議值。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折減后取值；強膨脹土宜取殘余強度作為地質建議值 （膨脹巖強度參數可參照膨脹土選?。?。與試驗條件的差別，對標準值進行調整，提出地質建議值。因此，首先要根據地層時代、成因類型、巖性組合等對地層劃分工程地質單元（段），并按照數理統計的方法，對各工程地質單元（段）主要地層的試驗數據按規則進行取舍并統計計算，包括組數、最大值、最小值、平均值、大值平均值、小值平均值、標準差、變異系數。

邯邢渠段工程地質條件復雜，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膨脹性土以及濕陷性黃土狀土，因而在抗剪強度參數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度取值一般采取工程類比的方法提出，對于大型重要工程項目也可進行專題研究，在本項目中對中更新統和下更新統泥礫進行了室內和現場大型抗剪試驗研究。因此在選取抗剪強度參數過程中主要是對黏性土進行試驗成果的數理統計分析。

2.1 膨脹土類

南水北調中線工程河北省南段膨脹土（巖）抗剪強度參數

膨脹土（巖）類的土體強度與其膨脹性有關。而第三系黏土（巖）的膨脹性與成巖程度關系密切，膨脹巖一般表現為微膠結或半膠結狀態，膨脹性相對較弱，強度較高；風化后和未膠結黏性土，膨脹性強，土體強度較低。第四系下更新統棕紅色黏性土裂隙不發育、密度相對較大、膨脹性較弱，土體強度相對較高；帶有灰綠色團塊的黏性土裂隙發育、密實程度相對較差、膨脹性強，強度較低。同樣表現出膨脹性和強度指標的差異性。

通過野外實地調查和觀測，膨脹土自然穩定邊坡 8°～15°， 坡比 1:4.0～1:7.0，這是膨脹土暴露在空氣中經過反復脹縮破壞了土體原生結構而強度顯著降低的結果，這就是為什么膨脹土宜取殘余強度的原因。但是建筑物基礎是不可能砌置在這樣的土層上的，對于渠道邊坡，在現代社會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。眾所周知，膨脹土地區建筑物的破壞一般均為含水量的改變使地基土產生脹縮引起，并非由于原生土體強度低產生塑性變形所至。所以結構與含水量穩定的原生膨脹土（巖）體具有較高的強度，要保持這種強度就必須采取相應的工程措施。因此，在總干渠初步設計中，對膨脹土渠道邊坡采取了換填一般黏性土的方案：強膨脹土段換填厚度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. 抗剪強度指標建議值的選取

根據規范要求，巖土物理力學參數應以試驗成果為依據，以整理后的試驗值作為標準值。然后根據巖土體巖性、巖相變化、試樣代表性、實際工作條件縮變形。

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。該類土抗剪強度參數的統計與計算與膨脹土基本相同，但取值一般以統計修正值或小值平均值作為標準值。

3. 問題分析

3.1 離散性

抗剪強度試驗指標離散性較大，直接影響了統計計算結果。同一種土由于粒度組分、均勻程度、結構狀態等因素的影響，會出現c值較小而φ值較大或c值較大而φ值較小，如果對c、φ值同時取小值平均值，則抗剪強度指標會大大降低。如渠道第55段中21組c、φ值離散性較大，c值過低時φ值偏大（c＝6.0kPa，φ＝22.11°），c 值較高時 φ值偏?。╟＝40.7kPa，φ＝6.9°），取小值平均值 c＝9.2kPa，φ＝8.95°這樣的組合關系是不合理的，未能反映出土體的真實強度，應給于充分關注。

3.2 試驗方法

統計計算的抗剪強度指標，均是采取飽和快剪試驗所得，試驗方法單一。雖然部分渠段進行了少量三軸試驗，膨脹土進了中剪、殘余剪試驗，但均是嘗試性的，數量較少，終沒有達到代表全渠段之程度。同時試驗也未能充分考慮具體的水文工程地質條件以及渠道的運行工況（過水斷面以上或以下）而應采取不同的試驗條件。不同的試驗方法和條件直接影響了抗剪強度指標的選取。

4. 結語

土體抗剪強度指標是工程設計的重要參數，對工程的安全和經濟影響巨大，要遵循規程規范合理選擇。數據統計計算過程中應仔細分析指標的可靠性，可采取不同的統計方法或根據其他測試方法取得的指標相互驗證其合理性。同時要根據具體的水文工程質條件及工程的運行工況，采取不同的試驗方法和試驗條件，以達到合理選取抗剪強度參數的目的。