堤基截渗垂直铺塑回填土对槽壁稳定性影响分析

孙树林， 胡 昭， 吴正松， 张德恒， 孙建东

(1.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100； 2.沂沭泗水利管理局，江苏徐州 221009；3.南京工程学院建筑学院，南京 211167)

0 前言

垂直铺塑防渗技术[1-2]，是利用开槽机器在存在渗漏等需防渗区域按照所需铺膜深度垂直开凿槽孔，将土工防渗膜[3-4]或塑膜铺设在槽孔中，利用膜的良好防渗性能形成防渗帷幕从而达到防渗目的。土体回填是垂直铺塑技术的必要步骤。工程研究发现，使用回填土能有效截渗，但回填土的膨胀性会对槽壁产生挤压，使得槽壁发生变形破坏的问题一直是焦点。本文旨在通过对槽壁受力分析，揭示回填土膨胀性导致槽壁变形破坏机制，解决回填土的膨胀性造成槽壁稳定性影响的问题。

1 槽壁失稳机理

垂直铺塑过程中开槽机上的挖斗将槽内土体挖出，使得原本处于静止平衡状态的槽内侧壁土体产生临空面，虽然成槽过程的同时采取了泥浆护壁[5]的手段，短期内泥浆可平衡沟槽两侧水土压力，并起到防渗作用。但当泥浆产生的压力不能平衡静止土压力时，槽内侧壁土体会向沟槽内侧方向产生一定的位移，土体在产生位移之后作用于泥浆表面上的静止土压力转变为主动土压力，侧壁的土体就会进一步向槽内发生位移直至沿某一面发生滑动破坏甚至整体坍塌，槽壁失稳如图1所示。

1—沟槽，2—失稳滑面，3—原位土层图1 槽壁失稳示意

2 槽壁稳定性分析

2.1 回填前槽壁受力分析

朗肯理论认为当墙后填土达到极限平衡状态时，与墙背接触的土单元体都处于极限平衡状态，然后根据土体处于极限平衡状态时应力满足的条件来建立土压力的计算公式。这一理论最初针对干燥的均质无黏性土提出，后来被推广到黏性土和有水的情况下。

在铺塑前首先会进行沟槽抽水使得地下水位下降以方便铺塑，当开槽深度达到设计深度的要求后，将铺膜置入沟槽中边开槽边铺膜，随着开槽机向前运行，塑膜即可平顺地铺在槽中，在铺塑完成后较短时间内理想情况下塑膜前后土体水位可视为相同。则地下水位以下有塑膜(背水侧)和无塑膜(迎水侧)两侧槽壁受到的主动土压力理论计算公式为：

(1)

式中ha为地面以下深度；γ′为土体有效重度；γw为水的重度；c为土体黏聚力；Ka为主动土压力系数，Ka2(45°-φ/2)。

地下水位以上有塑膜和无塑膜两侧槽壁受到的主动土压力理论计算公式为：

(2)

式中γ为土体重度。

沟槽受力分析如图2所示。在槽壁受到的静止土压力逐渐增大转变为主动土压力时，仅靠泥浆护壁措施不能平衡主动土压力，则槽壁两侧会产生变形破坏，由于两侧侧压力为主动土压力，沿两侧槽壁呈线性分布随着深度增大，故理论上会从槽底开始屈服，并沿某一面向上产生破坏或崩塌。

2.2 回填后槽壁受力分析

在铺设塑膜工作完成后，仅靠泥浆护壁措施无法平衡槽壁上的土压力，需要及时回填土体。回填的粘性土具有一定的膨胀性，在回填土体后，通过人工和机械压密、夯实可平衡槽壁上的主动土压力。但回填膨胀土在回填后的一段时间内会吸收地下水发生膨胀变形，若理论上回填土体分布均匀且充分夯实不会拱起变形，则膨胀土吸水膨胀产生的膨胀力对于两侧槽壁是呈均布荷载分布的，将膨胀力设为P。在膨胀土吸水膨胀的过程中，产生的膨胀力不断增大，两侧槽壁为平衡膨胀力，主动土压力向被动土压力转变，若达到土体极限的被动土压力仍无法平衡土体产生的膨胀力，则槽壁发生脱落、变形破坏。由于塑膜的存在，回填土体一段时间后塑膜两侧地下水水位将会产生水位差(无塑膜侧和沟槽内水位高于有塑膜侧)，水位差的存在会产生由堤基侧绕过塑膜的渗流，堤基侧渗流力由上向下，而绕过塑膜的渗流力起顶托作用，由下至上。针对渗流力[6]影响，则有塑膜侧地下水水位下被动土压力Ep理论计算公式如下：

1—塑膜，2—迎水侧，3—背水侧，4—沟槽图2 回填前槽壁受力分析

(3)

式中hp为地面以下深度；i为水力梯度，i=(h1-h2)/h1；Kp为被动土压力系数，Kp=tan2(45°+φ/2)。

无塑膜侧地下水水位下被动土压力Ep理论计算公式如下:

(4)

地下水位以上有塑膜和无塑膜两侧槽壁受到的被动土压力理论计算公式为：

(5)

回填后槽壁受力分析如图3所示。

1—塑膜，2—迎水侧，3—背水侧，4—回填土图3 回填后槽壁受力分析

2.3 槽壁失稳判据及影响因子分析

2.3.1 槽壁失稳判据

对于均质单一土层，由土体参数与地下水位计算的被动土压力Ep为常数，膨胀力P是关于回填土初始含水率w变量的函数，即槽壁失稳的影响因子。

可设槽壁失稳系数为K，当膨胀力P和槽壁上的被动土压力Ep满足下式时，槽壁发生变形破坏：

K=P-Ep>0

(6)

2.3.2 影响因子分析

已有研究结果表明[7]回填土的初始含水率越大，吸水至饱和后回填土产生的膨胀力越小，回填土初始含水率与膨胀力之间大致呈负相关关系。假定回填土的膨胀力P与初始含水率w之间存在某种函数关系，设为P=f(w)，由于膨胀力与含水率均为正数，故函数应位于第一象限。

2.3.2.1 p、w线性关系

假定膨胀力P和初始含水率w之间满足线性关系，设为下式：

P=f(w)=Aw+B

(7)

式中A、B均为常数且A<0，B>0，函数示意曲线如图4所示。

图4 线性关系函数示意

函数f(w)的导函数可表示因变量P关于自变量w变化的快慢，若膨胀力与初始含水率满足线性关系，则函数的导函数f′(w)=A，即表示在含水率w等值变化的任意区间膨胀力P变化的值将稳定不变，这种函数关系有利于施工的进行。若槽壁失稳系数K=0时对应的影响因子w=w0，则只需令w>w0，槽壁就不会发生破坏，由于函数曲线均匀变化，在回填土体过程中，可便宜地根据被动土压力Ep的值选取回填土最优含水率w0，施工中能有效防止槽壁的变形破坏。

2.3.2.2 p、w抛物线关系

假定膨胀力P和初始含水率w之间满足抛物线关系，设为下式：

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

(8)

式中A、B、C均为常数且A>0，B<0，C>0。函数示意曲线如图5所示。

图5 抛物线关系函数示意

若膨胀力与初始含水率满足抛物线关系，由于两者间为负相关关系，则满足0

2.3.2.3p、w指数关系

假定膨胀力P和初始含水率w之间满足指数关系，设为下式：

P=f(w)=ABCw+D

(9)

式中A、B、C、D均为常数且A>0。函数示意曲线如图6所示。

若膨胀力与初始含水率满足指数关系，则函数的导函数f′(w)=A·C·lnB·BCw仍然为指数函数，则在含水率较小的区间内膨胀力随含水率变化产生极大波动，而在含水率较大时膨胀力基本不再随之发生明显变化，若槽壁失稳系数K=0时对应的影响因子w=w0，则令w>w0，槽壁就不会发生破坏，针对这种函数关系应对回填土的初始含水率w0处于较小值范围时需要提高回填土的含水率精度，防止由于初始含水率细微变化导致的槽壁变形破坏。

图6 指数关系函数示意

3 算例

正南淮堤于安徽省寿县淠河、淮河右岸，堤线北自淮河正阳关下五里铺，南至迎河集泄洪闸。工区范围内地层以粉质黏土和粉质壤土为主，地下水位不稳定，洪水期河水位上升，承压水压力增大，成为堤基渗透破坏[8]的主要原因之一。自21世纪初期开始，经过十多年的研究解决了正南淮堤的渗漏问题，垂直铺塑技术在其中起到了重要作用[9-10]。垂直铺塑工程区成槽深度大致为16 m，铺塑深度15m，槽口宽度0.25 m，沟槽在背水侧进行塑膜铺塑施工。根据地质勘查资料，地层在工程范围内从上到下大致可分6层，土体参数如表1所示。对回填粘性土的基本物理指标进行检测，具体参数如表2所示。

表1 土体参数

表2 回填土物理性质

由回填土基本物理指标可知其属于中等膨胀土，为得出回填膨胀土初始含水率与膨胀力的关系，取回填土进行室内试验，本试验制备试样的初始含水率分别为22.4%、25.5%、28.4%、31.6%、35%、38.2%，均按照土工试验规范步骤制备，每种试验做一组平行试验，平行试验结果在误差范围内。故每种初始含水率的试样制备6份，且保证试样不同位置含水率差值不超过1%，试验步骤按相关规范进行，膨胀力与初始含水率的关系试验结果见图7。由图7知随着初始含水率的增加膨胀力不断减小，且初始含水率较小时膨胀力减小速度较快，初始含水率较大时膨胀力减小较慢，且试验曲线趋于平缓，膨胀力基本不再随初始含水率的增大而明显变化。

图7 膨胀力试验

通过试验数据的拟合，可知在R2=0.889 6且膨胀土干密度确定条件下初始含水率w和膨胀力P大致服从负指数关系，拟合关系式为

Pe=2 528.2e-0.115w

(10)

式中P为膨胀土试样的膨胀力，kPa;w为膨胀土试样的初始含水量，% 。由于膨胀力P与含水率w之间的关系服从指数关系，可知当计算的回填土初始含水率w0处于较小区间内时，施工时应提高回填土初始含水率的检测精度，避免初始含水率误差导致的回填土膨胀力大幅度变化。

回填前槽壁两侧地下水位埋深为13 m。通过公式(1)、公式(2)可确定回填前槽壁两侧上主动土压力。各地层主动土压力计算结果如表3所示。

由于回填前短期内塑膜地下水位视为一致，故背水侧和迎水侧土压力计算结果一致。由表3可知土层分界处土压力增大趋势有所波动，但总体上随深度而增加，地层①和②分别在0～0.58 m和1～2.18 m段出现拉力区，具有稳定性。由计算结果可知槽底部位最先发生变形破坏。

表3 地层主动土压力计算结果

膨胀土回填后塑膜两侧开始出现水位差，迎水侧地下水位埋深8 m，背水侧地下水位略有上升，埋深12 m。通过公式(3)— 公式(5)可确定回填后槽壁两侧上土压力，当膨胀力达到被动土压力后，若继续膨胀则会导致变形破坏。各地层被动土压力具体计算结果如表4所示。

表4 地层被动土压力计算结果

由表4可知，随着地层深度增大，被动土压力大小总体呈增大的趋势。表层土为砂壤土，颗粒较为松散且强度较低，土体被动土压力数值较小，膨胀土回填发生膨胀后最先产生变形破坏，想保证表层土的稳定性，由公式(10)可知膨胀土初始含水率要高于47 %，这在回填施工中基本无法操作，因此要做好开槽后表层土的护壁措施。回填膨胀土的天然含水率为19.5 %，饱和后产生的膨胀力大小为268.50 kPa，故槽壁会在②中部以上产生变

形破坏。槽壁上最大被动土压力出现在地层⑤。当膨胀土初始含水率小于8 %时整个槽壁两侧都会发生变形破坏。由于塑膜铺塑在背水侧，膜后水位低于迎水侧，根据计算结果，背水侧槽壁下部被动土压力更大，稳定性更好抵抗膨胀土膨胀力的能力更强。根据公式(10)对应的试验曲线函数类型、被动土压力计算结果和相关施工经验，回填膨胀土的最优初始含水率为28%～32%，在此范围内既不会因含水率过大给回填带来不便，且只需做好表层土的护壁加固措施即能维持回填后槽壁土体稳定性。

4 结论

①垂直铺塑沟槽槽壁上土压力由静止土压力转变为主动土压力是回填前槽壁失稳的主要原因。考虑地下水影响，通过槽壁受力分析，推导出回填前和回填后槽壁上土压力的计算公式。

②回填后回填土对槽壁的膨胀性是回填土吸水饱和产生膨胀力的结果；当膨胀力P大于槽壁上的被动土压力Ep时，槽壁发生变形破坏；膨胀力P与回填土初始含水率w服从某种函数关系，结合回填后土压力计算和施工经验，可确定膨胀土回填的最优含水率区间范围，为回填施工提供借鉴。