2009年, 第26卷, 第11期　
刊出日期：2009-11-01

  

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南水北调工程“膨胀土技术”专辑
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  南水北调中线膨胀土（岩）地段渠道破坏机理和处理技术研究

  李青云, 程展林, 龚壁卫, 郭熙灵, 包承纲

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 1-9.

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  南水北调中线工程总干渠穿越膨胀土（岩）地段累计长约 386.8 km ，膨胀土（岩）的处理是南水北调中线工程的主要技术问题之一。国家“十一五”科技支撑计划课题“膨胀土地段渠道破坏机理和处理技术研究”项目，通过多种研究手段综合研究了膨胀土（岩）渠坡破坏机理，提出了适合的膨胀土（岩）渠坡稳定性分析方法，并针对性地研究了膨胀土（岩）渠道的处理措施，在试验渠段进行了现场验证比较，提出了经济可行的处理方案。较为系统地综述介绍了该课题的研究内容、技术路线、取得进展和主要结论，研究成果不仅为南水北调中线工程膨胀土（岩）渠坡处理提出更为可靠合理的解决方案，其研究思路和成果也可供类似研究和工程应用参考。
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  膨胀岩本构关系及其参数研究

  饶锡保, 谭凡, 何晓民, 黄斌

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 10-14.

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  为研究膨胀岩的本构关系及其参数，选取南水北调中线工程新乡段泥灰岩和黏土岩 2 种代表性的膨胀岩，进行了三轴饱和固结排水剪切试验。通过邓肯非线性弹性模型，即 E- μ模型与 E-B 模型，对膨胀岩本构关系进行参数计算及曲线拟合对比，评价不同本构模型在膨胀岩本构关系研究中的优劣及适用性；并对新乡膨胀岩提出科学的本构参数推荐值，为该地区膨胀岩渠坡或类似的膨胀岩工程施工设计提供基本依据。
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  膨胀岩击实样胀缩特性试验研究

  何晓民, 黄斌, 饶锡保, 聂琼, 罗菊

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 14-19.

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  选取泥灰岩和黏土岩 2 种代表性的膨胀岩，通过大尺寸的胀缩特性试验，研究了膨胀岩击实样的胀缩特性，及其与起始含水率、压实度的关系。成果表明：随起始含水率增大，膨胀岩的无荷膨胀率呈较好的线性递减关系；压实度越大，无荷膨胀率越大，且随起始含水率的减小，压实度对膨胀率的影响呈增强的趋势；在相同压实度下，起始含水率低于塑限值时，起始含水率变化对线缩率的影响很小，随起始含水率增大，线缩率开始呈较平缓的线性增大；当起始含水率达到塑限值附近后，起始含水率变化对线缩率的影响开始显著增强；在相同起始含水率下，起始含水率低于塑限值时，压实度对线缩率的影响很小，随压实度增大，线缩率呈较好的线性递减；当起始含水率达到塑限值附近后，压实度对线缩率的影响略微增强。膨胀岩的收缩系数和体缩率与线缩率的规律基本一致。
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  南水北调中线膨胀岩非饱和剪切特性

  胡波, 龚壁卫, 童军

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 20-22.

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  针对南水北调工程膨胀岩，选取典型的河南新乡黏土岩，采用 GDS 非饱和直剪仪进行控制吸力条件下的非饱和直剪试验。试验结果表明：非饱和黏土岩的强度随着基质吸力的增加而增大，基质吸力对抗剪强度的贡献率随着净法向应力的增大而增加。黏土岩在剪切过程中存在着剪胀现象，由于原生裂隙、软弱面和铁锰氧化物胶结的影响，黏土岩的剪胀性随基质吸力而增加的规律性不明显。
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  南水北调中线工程膨胀岩一维膨胀力试验研究

  刘静德, 李青云, 龚壁卫

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 23-26.

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  用平衡加压法在三联中低压固结仪上进行控制竖向变形的膨胀力试验，并通过改变试样初始含水量、干密度，研究了膨胀力随初始含水量、干密度的变化规律。试验结果表明，膨胀应变略微增加，膨胀力大幅降低；膨胀力与干密度、初始含水量及膨胀应变成指数关系。基于这些试验成果，采用多元回归分析，求得膨胀力的拟合式。
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  膨胀土水泥改性试验研究

  黄斌, 聂琼, 徐言勇, 罗菊

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 27-30.

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  膨胀土是一种特殊的黏性土，具有遇水膨胀、崩解、软化，失水收缩、干裂、硬化等工程特性，膨胀土掺入水泥后其工程特性会发生改良。选取南水北调中线工程南阳段中膨胀土，进行水泥改性研究。通过改性后的自由膨胀率试验，确定水泥的最佳掺量；通过胀缩特性试验，研究水泥改性对降低膨胀潜势的改良效果；并通过无侧限抗压强度、压缩等力学性质试验，研究水泥改性对抑制膨胀土强度软化、模量减小的效果。为膨胀土现场水泥改性的设计施工提供科学的、有价值的依据。
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  土工格栅对膨胀岩吸湿变形规律的影响研究

  丁金华, 周武华, 刘军, 龚壁卫

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 31-36.

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  采用室内物理模型试验对多种类型土工格栅与膨胀岩相互作用条件下的土体变形特性进行研究。研究表明，在吸湿条件下，膨胀岩产生明显的膨胀变形，土体产生张拉性裂缝而破坏。铺设土工格栅后，可以使膨胀岩的侧向变形明显减小，但对土体垂直沉降的影响不大。同时，格栅可以有效抑制裂缝的发生和发展，并改变了膨胀岩膨胀变形发展的模式和规律，更重要的是，土工格栅对土体吸湿后水分的运移过程也产生了明显的影响，表现为在一维入渗条件下，格栅加筋使得水分更难以向土体内入渗，浅层含水量开始变化以及稳定的时间都远远大于未加筋土，土体内含水量场的分布与未加筋土完全不同。
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  膨胀土渠坡兼有排水功能的双层结构防护方案

  张家发, 刘晓明, 焦赳赳

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 37-41.

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  渠坡防护对于南水北调膨胀土渠坡变形控制和稳定是非常必要的。通过工程背景和膨胀土特性的分析，认为膨胀土渠坡防护的目标是控制膨胀土的含水量变化，从而抑制膨胀土的裂隙性；指出仅考虑防渗功能的防护方案存在局限性。基于饱和非饱和渗流理论，提出了兼有排水功能的双层结构防护方案；并充分利用非饱和粗、细粒土之间渗透性对比关系随着吸力的变化可以转变的规律，从多种途径实现控制膨胀土边坡含水量变化的目标，从而保证防护方案的长期有效性。
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  膨胀土渠坡处理效果的离心模型试验研究

  程永辉, 李青云, 龚壁卫, 周正兵, 吴宏伟

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 42-46.

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  南水北调中线工程是解决华北水资源危机的一项重大基础设施，全长 1 400 余 km ，穿越膨胀土 ( 岩 ) 渠段长约 340 km 。为研究南水北调中线工程膨胀土渠坡处理方案的处理效果，在总结已有研究成果的基础上，采用离心模型试验方法，开展了衬砌、换填黏性土＋衬砌、土工格栅回填弱膨胀岩＋衬砌 3 种处理方案的离心模型试验，并比较了换填黏性土方案中不同厚度的影响。试验研究中，模拟了衬砌失效的漏水工况、渠道长年输水工况及快速疏干的检修工况。观测了垂向变形、孔隙水压力和土压力变化，并采用图像处理技术，分析了试验过程中渠坡的变形，比较了各处理方案的处理效果。

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  膨胀岩渠坡变形和破坏特征研究

  龚壁卫, 李青云, 谭峰屹, 童军

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 47-51.

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  膨胀岩的边坡稳定主要受地层岩性、地质结构和构造、膨胀等级、地下水环境等因素控制，由于岩和土的生成历史不同，导致它们的矿物成分、胶结强度也有所不同。根据南水北调中线工程新乡潞王坟膨胀岩现场试验段裸坡试验区的人工降雨试验，分析了膨胀岩渠坡的变形和滑动特征。试验成果显示：膨胀岩渠坡的变形和破坏特征主要表现为雨淋沟、坡面隆起和局部浅层滑动；造成破坏的主要外在因素是施工卸荷、干旱半干旱气候和降雨。研究成果为膨胀岩渠坡设计和破坏机理的分析提供了基础。
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  降雨条件下膨胀岩边坡失稳数值模拟研究

  徐晗, 饶锡保, 汪明元

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 52-57.

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  为了揭示膨胀岩边坡破坏机理，采用流固耦合的非线性有限元分析方法，对膨胀岩边坡降雨失稳现场试验进行了数值模拟研究，改进了膨胀岩边坡稳定分析技术，使之能考虑膨胀岩的膨胀性、裂隙性，以及非饱和膨胀岩的吸湿软化特性。数值计算结果表明:非饱和膨胀岩的吸湿软化特性是膨胀岩边坡渐进性破坏的主要原因，膨胀性进一步加剧了这种影响；大气影响带膨胀岩的风化和干湿循环影响导致的浅层裂隙，是膨胀岩边坡浅层滑动的根源。
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  基于DDA 的膨胀土边坡破坏过程模拟

  邱宽红, 林绍忠, 黄斌

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 58-61.

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  采用非连续变形分析方法 DDA 模拟膨胀土边坡的破坏过程。根据膨胀土边坡浅层破坏特征和 Mohr-Coulomb 准则，设置了 3 组潜在剪切破坏面，它们互相切割形成块体系统。基于试验数据，假定了土体变形参数和抗剪强度参数与含水量的关系。土体的吸湿膨胀作用按初应变考虑。计算结果表明，膨胀土边坡在吸湿膨胀和强度降低后发生浅层顺坡向滑动破坏，与工程实际破坏现象吻合。建立的计算模型，为进一步研究膨胀土边坡的稳定性和加固措施奠定了基础。
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  膨胀土（岩）渠坡现场监测技术研究

  刘 鸣, 龚壁卫, 刘军, 宋建平

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 62-66.

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  膨胀岩（土）是一种在自然地质过程中形成的多裂隙性、胀缩性地质体，其黏粒成分具有强亲水性，导致膨胀岩（土）体反复变形、裂隙发育，对渠道工程具有严重破坏作用。因此，合理的监测系统、监测仪器选型及埋设技术，将直接影响膨胀岩（土）渠坡监测成果的真实性和有效性。根据南水北调中线一期工程南阳、新乡膨胀土、岩试验段现场工作成果，从监测项目、系统组成、仪器布置、仪器选型、埋设技术等方面，系统地总结了膨胀土（岩）渠坡监测技术和实践经验。
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  南水北调中线总干渠膨胀岩渗透性状试验研究

  童军, 龚壁卫, 陈劲松

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 67-71.

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  为了解南水北调中线总干渠膨胀岩渠坡在处理和未处理条件下的渗透性状，分别开展了现场双环、 GUELPH 仪以及室内渗透试验。原位试验结果表明：泥灰岩的稳态渗透系数及入渗深度均大于黏土岩；格栅加筋处理场地的稳态渗透系数和入渗深度分别约为土袋处理场地的 1/4 ， 1/2 。格栅加筋处理可作为一种十分有效的膨胀岩边坡处理措施。室内重塑渗透试验结果表明：天然含水率下相同干密度的重塑泥灰岩的渗透系数大于黏土岩，其渗透系数随干密度的增大而减小的速率小于黏土岩，且测得重塑膨胀岩样渗透系数均小于场地的原位渗透系数。
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  膨胀岩土的快速防护材料研究

  刘军, 龚壁卫, 徐丽珊, 侯雪梅

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 72-74.

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  膨胀岩是一种遇水膨胀、软化，失水收缩的特殊软岩，膨胀岩渠坡开挖初期一般完整性较好，如不及时防护，由于具有显著的胀缩特性，当发生干湿循环时，其性状常发生巨大变化，严重影响构筑物的安全稳定性。结合实际工程，开展了膨胀岩渠坡开挖后的坡面快速防护材料的研究。结果表明：有骨料快速防护材料对弱、中膨胀性岩土具有较好的防护效果，不仅能够满足材料的快防要求，而且能够合理利用当地开挖弃料，节省水泥的用量，带来很大的经济效益，具有较好的推广价值。
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  膨胀岩渠坡处理措施施工工艺研究

  谭峰屹, 邹荣华, 龚壁卫, 宋建平, 龚泉

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 75-80.

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  南水北调中线一期工程总干渠新乡潞王坟膨胀岩试验段渠坡主要采用换填黏性土料、土工格栅、土工袋这 3 种不同处理措施。针对这 3 种处理措施，比选、研究了在不同碾压机具、铺土层厚、碾压遍数等条件下的压实效果。结合室内试验分析，提出了不同处理措施的施工碾压参数和施工压实质量控制指标。试验成果为合理制订设计方案，施工单位选取施工机具、碾压施工参数，以及施工质量控制等工作提供了有效的依据。
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  土工合成材料在南水北调膨胀岩渠坡加固中的应用

  龚壁卫, 童军

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 81-84.

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  重点介绍了土工格栅、土工袋 2 种土工合成材料在南水北调中线工程膨胀岩渠段渠坡处理工程中的应用情况、施工工艺等，结合现场原位试验对 2 种工程处理措施的效果进行了初步的探讨。研究结果认为， 2 种处理措施均对膨胀岩渠坡有一定的保护作用，土工格栅加筋处理措施的防渗性能和抑制膨胀变形的效果更好。
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  南水北调中线工程总干渠潞王坟试验段膨胀岩工程地质特性研究

  邹志悝

  长江科学院院报. 2009, 26(11): 85-88.

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  从工程地质的角度对南水北调中线工程总干渠潞王坟试验段膨胀岩工程地质特性开展了分析研究 : 结合潞王坟试验段详细勘察和现场开挖过程的施工地质资料，分析了试验段膨胀岩的成因及宏观分布特征，研究了膨胀岩的矿物化学成分、膨胀性、天然含水量及密度、强度特性等。试验结果显示，泥灰岩一般具有弱膨胀潜势，黏土岩具有弱中等膨胀潜势，其中个别具有强膨胀潜势；膨胀岩在干湿交替、胀缩变形条件下强度降低，岩体吸水后膨胀，在膨胀力的作用下，渠道衬砌将会被破坏。因此，渠道施工时对膨胀岩应采取相应的处理措施。