南水北调中线邯邢段渠道抗剪强度参数的选取

王永宣

南水北调中线工程邯邢渠段长172.751km，渠道全部采取明挖，根据钻孔揭露，该段地层相变大，地质条件复杂。由于地面起伏较大，渠段内有近35m的深挖方，也有13m厚的高填方，渠道岩土体的抗剪强度参数直接影响着渠道边坡的稳定计算与设计，对工程占地、工程量及投资具有不可小觑的影响。

1. 抗剪强度指标的取值原则

邯邢渠段土体抗剪强度指标的选取依据，一是遵循“勘察规范”，二是执行项目牵头单位长江水利委员会综合勘测局编制的有关技术文件。

按照“勘察规范”，土的抗剪强度标准值可采用直剪试验峰值强度的小值平均值；当采用有效应力进行稳定分析时，三轴压缩试验测定的抗剪强度宜采用试验平均值。

长江委综合勘测局有关技术文件规定，地质建议值：可在平均值减（或加）均方差的范围中选取；可在小值平均值至大值平均值范围内选取，当试验组数足够多时，也可取平均值；采用参数的可靠性估值。另外对于膨胀土宜按强、中、弱选取不同的强度参数建议值。弱膨胀土一般可按黏性土取值；中等膨胀土可采用峰值平均值经折减后取值；强膨胀土宜取残余强度作为地质建议值 （膨胀岩强度参数可参照膨胀土选取）。与试验条件的差别，对标准值进行调整，提出地质建议值。因此，首先要根据地层时代、成因类型、岩性组合等对地层划分工程地质单元（段），并按照数理统计的方法，对各工程地质单元（段）主要地层的试验数据按规则进行取舍并统计计算，包括组数、最大值、最小值、平均值、大值平均值、小值平均值、标准差、变异系数。

邯邢渠段工程地质条件复杂，地层相变大，岩性种类多，尤其大部分渠段分布有第三系和第四系下更新统膨胀性土以及湿陷性黄土状土，因而在抗剪强度参数的选取上需要充分把握各种影响因素。碎石土类及砂类土的抗剪强度取值一般采取工程类比的方法提出，对于大型重要工程项目也可进行专题研究，在本项目中对中更新统和下更新统泥砾进行了室内和现场大型抗剪试验研究。因此在选取抗剪强度参数过程中主要是对黏性土进行试验成果的数理统计分析。

2.1 膨胀土类

南水北调中线工程河北省南段膨胀土（岩）抗剪强度参数

膨胀土（岩）类的土体强度与其膨胀性有关。而第三系黏土（岩）的膨胀性与成岩程度关系密切，膨胀岩一般表现为微胶结或半胶结状态，膨胀性相对较弱，强度较高；风化后和未胶结黏性土，膨胀性强，土体强度较低。第四系下更新统棕红色黏性土裂隙不发育、密度相对较大、膨胀性较弱，土体强度相对较高；带有灰绿色团块的黏性土裂隙发育、密实程度相对较差、膨胀性强，强度较低。同样表现出膨胀性和强度指标的差异性。

通过野外实地调查和观测，膨胀土自然稳定边坡 8°～15°， 坡比 1:4.0～1:7.0，这是膨胀土暴露在空气中经过反复胀缩破坏了土体原生结构而强度显著降低的结果，这就是为什么膨胀土宜取残余强度的原因。但是建筑物基础是不可能砌置在这样的土层上的，对于渠道边坡，在现代社会资源极度紧张的情况下也不可能采取1:4.0～1:7.0的边坡系数。众所周知，膨胀土地区建筑物的破坏一般均为含水量的改变使地基土产生胀缩引起，并非由于原生土体强度低产生塑性变形所至。所以结构与含水量稳定的原生膨胀土（岩）体具有较高的强度，要保持这种强度就必须采取相应的工程措施。因此，在总干渠初步设计中，对膨胀土渠道边坡采取了换填一般黏性土的方案：强膨胀土段换填厚度2.5～3.5m，中等膨胀土段换填厚度2.0～2.5m,弱膨胀土段换填厚度1.0m，目的就是防止土体含水量的改变而引起胀

2. 抗剪强度指标建议值的选取

根据规范要求，岩土物理力学参数应以试验成果为依据，以整理后的试验值作为标准值。然后根据岩土体岩性、岩相变化、试样代表性、实际工作条件缩变形。

2.2 黄土状壤土、壤土类

除膨胀土外，本渠段构成渠坡的主要岩性还有黄土状土和一般壤土、砂壤土类土。该类土抗剪强度参数的统计与计算与膨胀土基本相同，但取值一般以统计修正值或小值平均值作为标准值。

3. 问题分析

3.1 离散性

抗剪强度试验指标离散性较大，直接影响了统计计算结果。同一种土由于粒度组分、均匀程度、结构状态等因素的影响，会出现c值较小而φ值较大或c值较大而φ值较小，如果对c、φ值同时取小值平均值，则抗剪强度指标会大大降低。如渠道第55段中21组c、φ值离散性较大，c值过低时φ值偏大（c＝6.0kPa，φ＝22.11°），c 值较高时 φ值偏小（c＝40.7kPa，φ＝6.9°），取小值平均值 c＝9.2kPa，φ＝8.95°这样的组合关系是不合理的，未能反映出土体的真实强度，应给于充分关注。

3.2 试验方法

统计计算的抗剪强度指标，均是采取饱和快剪试验所得，试验方法单一。虽然部分渠段进行了少量三轴试验，膨胀土进了中剪、残余剪试验，但均是尝试性的，数量较少，终没有达到代表全渠段之程度。同时试验也未能充分考虑具体的水文工程地质条件以及渠道的运行工况（过水断面以上或以下）而应采取不同的试验条件。不同的试验方法和条件直接影响了抗剪强度指标的选取。

4. 结语

土体抗剪强度指标是工程设计的重要参数，对工程的安全和经济影响巨大，要遵循规程规范合理选择。数据统计计算过程中应仔细分析指标的可靠性，可采取不同的统计方法或根据其他测试方法取得的指标相互验证其合理性。同时要根据具体的水文工程质条件及工程的运行工况，采取不同的试验方法和试验条件，以达到合理选取抗剪强度参数的目的。