膨胀土边坡破坏机理与关键技术研究

2018-07-06

  一、项目名称:膨胀土边坡破坏机理与关键技术研究及在大型输水工程中的应用

  二、获奖年份、奖项名称及等级:2016年度大禹奖一等奖

  三、主要完成单位:长江水利委员会长江科学院、南水北调中线干线工程建设管理局、河南省水利勘测设计研究有限公司

  四、主要完成人员:郭熙灵、程展林、程德虎、龚壁卫、朱太山、李青云、庞敏、丁金华、胡波、温世亿、程永辉、贾少燕、徐晗、姚雄、高英

  五、成果介绍:

  膨胀土地区的工程建设面临很多潜在的危险,对于水利工程,尤其是长距离输水工程,膨胀土边坡的稳定问题更加复杂,危害尤为严重,工程处理非常困难,投入巨大但收效不佳,往往需要反复处理。本项目围绕膨胀土边坡的稳定问题,采用现场原型试验、室内单元体试验、大型物理模型试验和数值分析等多种研究手段,深入研究了膨胀土边坡失稳的力学机理,揭示了膨胀土边坡双重失稳模式,构建了膨胀土土体强度理论体系,提出了相应的边坡稳定分析方法,完善了膨胀土边坡设计原则,并研发了多项边坡加固处理新技术。 (1)膨胀土边坡破坏机理和稳定分析方法:以往多从膨胀土边坡的破坏现象上直观地将其破坏模式总结为浅层和深层破坏,缺乏对边坡失稳力学机制的深入分析,根据传统土力学极限平衡理论进行的稳定分析不能真实合理地反映边坡的稳定性。本研究通过全面系统的试验和数值分析,揭示了膨胀土边坡在膨胀变形作用下的浅层失稳破坏和由裂隙控制下的深层破坏双重失稳模式;从力学本质上阐明了其破坏机理;针对膨胀作用下边坡失稳,提出了考虑膨胀模型的边坡稳定有限元分析方法;针对裂隙强度控制的边坡破坏,提出了考虑裂隙面空间分布特征的边坡极限平衡分析方法。 (2)膨胀土土体强度理论:膨胀土具有明显的各向异性和特殊工程性质,常规室内试验方法不能如实反映裂隙性膨胀土的强度特性。如何获得真实可靠的土体强度参数,并在稳定分析中采用合理指标真实反映边坡的稳定状态是目前亟待解决的问题。本项目厘清了膨胀土不同类型裂隙对边坡稳定的作用,构建了膨胀土边坡土体强度体系。首次将CT技术引入膨胀土强度试验,明确了土体强度应分为土块强度与裂隙面强度,在稳定分析中应直接采用试验室测定的强度指标,系统提出了膨胀土土体强度的取值原则,解决了膨胀土裂隙面强度测试以及土体强度确定的难题。 (3)膨胀土边坡处理与加固技术:以往膨胀土边坡工程处理多从经验出发,采取的加固措施在某些情况下可发挥一定作用,但对某些工程却没有效果,有些工程经处理后又发生反复破坏。本项目从膨胀土边坡破坏机理出发,阐明了压重和支挡处理的力学机理,指出膨胀土边坡设计应同时保证双重失稳模式的稳定性;提出了水泥改性膨胀土的全套施工工艺和质量控制技术;研发了膨胀土膨胀性现场快速判别技术;研发了张拉自锁伞形锚、压差放大式逆止阀设备等多项边坡加固新技术。 综上,本项目在膨胀土边坡的破坏机理、强度理论及稳定分析方法、膨胀土边坡处治技术等方面均取得了重大理论突破和技术创新,在国内外核心期刊发表论文72篇,其中SCI/EI检索31篇,出版专著2部。 应用推广: (1)本项目提出的稳定分析方法已应用于河南陶岔~鲁山、新乡等典型膨胀土(岩)渠段边坡设计与施工,并取得显著的社会和经济效益。 (2)根据本项目研究成果编制的《南水北调中线一期总干渠渠道膨胀岩施工处理技术要求》已作为南水北调中线工程施工技术指导性文件在全线推广运用。 (3)共取得16项专利,其中,逆止阀、伞形锚等新技术已获水利部水利先进实用技术,并在南水北调中线部分渠段推广应用。

膨胀土边坡失稳现象

现场裂隙观测

新乡现场试验段