南阳膨胀土中裂隙的特征.docx

南阳盆地膨胀土裂隙的特征龚福洪，蔡耀军，刘特洪（长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，武汉430010）摘要 本文在南水北调中线工程总干渠多年勘察研究的基础上，总结了南阳盆地膨胀土裂隙的类型、基本特征以及开挖边坡浅层裂隙的发展趋势及其对边坡稳定性的影响关键词膨胀土 ；裂隙；边坡The Characteristic of expansive soil crack in NanyangGong Fu-hong, Cai Yao-jun, Liu Te-hong(Yangtze Institute of Investigation9PlanningfDesign and Research, Wuhan, Hubei, 430010, China)Abstract: The type and the basic features of the expansive soil crack are evaluated according to the exploration of the South-to-North water diversion project, and the fissure development at the excavation slope and it's influence to the slope stability arc evaluated also in the papc匚Key words: expansive soil; crack; slope0引言南水北调中线工程总干渠将穿过南阳盆地，木段 渠线长156km,其中132km渠线经过南阳盆地膨胀土 地区。

膨胀土渠道边坡的稳定问题是该工程中一个重 要的研究课题，而膨胀土中的裂隙对土体的影响极 大，一是破坏了土体的完整性，二是在人气降水或渠 道输水时，为水渗入坡体提供了便利通道，使水快速 入渗，造成裂隙带土体迅速软化，大大降低了土体包 括裂隙而的抗剪强度，使土体容易沿裂隙面滑动，裂 隙是影响膨胀土边坡稳定性的关键因素，因此勘察中 专门对膨胀土裂隙的特征进行调查研究，从而为深入 研究膨胀十的物理力学性质，较好地解决膨胀十边坡 的稳定问题提供更详实的基础资料1南阳膨胀土的基本特性南阳盆地段总干渠穿过的膨胀土可分为如下四 类：（1）笫四系下更新统（Q.）棕红色粘性土和中更 新统（Q?）灰白色粘土Qi为洪积、残积土，分布于 盆地西部边缘，土中胶粒含量26%〜34%,粘土矿物中 蒙脱石占43%,伊利石占7%,高岭石占6%,液限 40. 3%〜59.1%,塑性指数15. 5〜21.4,自由膨胀率 74. 8%〜113.0%,具中〜强膨胀性,裂隙很发育Q2 为冲-洪积土，土中胶粒含量24%~43%,粘土矿物中 蒙脱石占42%〜55%,伊利石占5%〜13%,高岭石占6% 液限45. 2%〜75. 0%,塑性指数21. 9〜29.7,自由 膨胀率70%〜158%,平均95%,具中〜强膨胀性，超 固结比0CR=7〜10,为强超固结土，土中裂隙很发育。

2） 第四系中更新统（Q2）的棕黄色粉质粘土或 粘土，为冲-洪积土，广泛分布于盆地中部平原和崗 地,土中胶粒含量22%〜36%,粘土矿物中伊利石占 31%〜35%,蒙脱石占16%〜22%,高岭石含量W8%⑴, 液限38. 1%〜51. 4%,塑性指数18.2〜23.2,自由膨 胀率56%〜90%, —般具有中等膨胀性，局部为弱膨胀 性，超固结比0CR=7〜10,为强超固结土，土中裂隙 发育3） 第四系上更新统（灰褐色、黄褐色粉质 粘土，为冲-湖积土，分布于河流二级阶地，土中胶 粒含量16%〜29%,粘土矿物中伊利石占17%〜32%, 蒙脱石占15%〜17%,高岭石占8%〜10%[,],液限 37. 8%〜52.3%,塑性指数16. 5〜28.3, 口由膨胀率 33%〜77%,平均46%,-般具弱膨胀性,局部为中等 膨胀性，为弱超固结土，近地表陡倾角裂隙较发育， 深部裂隙一般不发育2南阳膨胀土裂隙的特征2.1裂隙的类型膨胀土裂隙依据裂隙宽度和发育规模对分为隐微裂隙、可见裂隙与人裂隙等其中隐微裂隙结构细微， 肉眼不可见或不能明辨其轮廓；大裂隙的宽度和深度 较大，隙宽可达数厘米，长可达数米，主要由构造因 素、应力卸荷等原因形成；对见裂隙介于这两者Z间, 宽度-•般儿毫米，长度多lm左右。

膨胀土裂隙还可 依据是否受到外來因索的影响分为原住裂隙、次住裂 隙和构造裂隙三类原生裂隙是十沉积过程中形成的 裂隙，为隐蔽的闭合裂隙次生裂隙是土体受风化作 用、卸荷作用和地下水活动所产生的裂隙，按生成机 理分为胀缩裂隙，卸荷裂隙、滑坡裂隙等胀缩裂隙主要是由于土小含有大量具胀缩性的 蒙脱石、伊利石等粘十-矿物失水收缩、吸水膨胀形成 的当土体失水收缩时产主拉应力导致土休拉裂破 坏；当土体反复吸水膨胀时形成鮫大的水平应力，在 与蝕大主应力成45±?/2的其辄平面上形成最大的应 力，当最大剪应力超过土体的抗剪强度时，土体被剪 切破裂由于土体的抗拉强度小，所以十体中〜陡倾 角收缩拉张裂隙比中〜缓倾角剪切裂隙更发育胀缩 裂隙在膨胀土中普遍发育，而口对土的工程性质影响 极大卸荷裂隙是由于土体小应力释放和调整造成的， 这种裂隙常见于较陡的河流冲刷岸坡和开挖边坡上 膨胀土中卸荷裂隙容易在胀缩裂隙的基础匕追踪、扩 展形成如2005年10月在南水北调中线总干渠陶岔 渠首桩号1+000处发牛的傅营滑坡，在滑坡后缘形成 较高而且陡的滑壁，滑壁上土体向临空面卸荷回弹形 成一组延伸较长，张开宽达1〜3cm的卸荷裂隙，该 组裂隙近平行于滑壁。

滑坡裂隙是膨胀土滑坡在滑动过程中形成的裂 隙，如滑坡中后部的拉裂隙、侧缘的张剪性裂隙、前 缘反倾的剪切裂隙等滑坡小后部拉裂隙的走向平行 于坡面，延伸距离长，倾也陡，裂隙张开且深度人， 裂面粗糙如陶岔傅营滑坡后缘拉裂陷落带发育了多 条长大的拉裂缝（见照片1）滑坡前缘剪切裂隙平行 于滑动面，当滑动面反倾坡内时剪切裂隙也反倾坡 内如1983年夏季引丹（江口水库）三T•渠老河口 段由①膨胀十-组成的边坡发生一处较人规模滑坡，在 滑坡前缘发育一组平行于主滑面的反倾坡内的剪切 裂隙，裂隙面上附着灰白〜灰绿色粘土，具油脂光泽, 擦痕和摩擦镜而十分清晰构造裂隙是土体受构造应力作用所产生的破裂 而如1969年南水北调中线工程总干渠淘岔渠首施 工中在Q2膨胀土内发现的第四纪断层两侧的裂隙以 及后坡-半店笫四纪断层两侧的裂隙属构造裂隙照片1 淘岔傅营滑坡后缘陷落带拉裂隙Photo. 1 Pulling-cracks at the landslide trailing edge ofTaoca-FuYin2. 2胀缩裂隙的宏观结构特征膨胀土裂隙发育是膨胀土的一个显著特征，因 此国内有的部门称其为“裂土”，国外也有称其为“裂 隙硬粘土”。

胀缩裂隙具有一些明显的特征：（1） 平面上看，裂隙纵横交错，成不规则网纹 状，裂隙的走向是随机的，局部有一定的方向性裂 隙的长度一般0. 2〜1. Oni,裂隙的倾角以陡倾角为主, 深部有一些中〜陡倾角，少部分为中〜缓倾角，陡倾 角裂隙具张性，裂隙而弯曲度和起伏差较人，中〜缓 倾角裂隙具剪性，裂隙面呈舒缓波状弯曲2） 剖血上，近地表3〜4m （对应大气影响深度） 裂隙密集且张开，尤-其是表层1.5〜2.0 m左右（对 应大气影响急剧层），大气影响深度以下裂隙迅速减 少（见照片2、照片3）照片2还显示，当浅表层分 布透水性较强的钙质结核富集层时，大气影响深度加 大，胀缩裂隙发育深度增加Photo.2 Q2 Expansive soil crack changing with depth照片2 Q2膨胀土裂隙发育程度随深度变化情况照片3 Qs膨胀土裂隙发育程度随深度变化情况Photo.3 Qa Expansive soil crack changing with depth裂隙的张开度近地表较大，可达1〜2cm,向下逐渐变 窄，在深2m左右开始闭合，大气影响深度内裂隙将 土体切割成不规则楔形体、棱形体、块休尺寸-•般小 于0.3肌人气影响带以下裂隙明显减少，但始终有裂 隙，土体一般呈次块状〜块状结构。

局部层位裂隙仍 然很发冇（见照片4）,裂隙面闭合，土体呈薄板状结 构 照片4 深部膨胀土缓倾角裂隙Photo.4 Gentle dip angle cracks at deep expansive soil（3）裂隙的表血及两侧宽数u m〜3mm、最宽20mm 内为灰口色~灰绿色粘土，颗粒细腻，具粘土矿物纽 成以蒙脱石为主，局部裂隙而上附着褐黑色铁镭质薄 膜4） 反复错动的中〜缓倾角裂隙裂隙而光滑，具 腊状光泽以及清晰的擦痕和摩擦镜面，电镜扫描发现 裂隙面上矿物颗粒高度定向排列⑷5） 裂隙面的物质组成和特殊结构使其比周围土 的亲水性更强，抗剪强度更低如陶岔Q2膨胀土裂隙 面现场抗剪强度试验c=4kPa、旷16.7° ,而土块室内 直剪试验（饱和固结快剪）平均c=51kPa.旷21.8°6）裂隙随十中含水最的增减而产生闭合和张 开，土的十湿循环与裂隙的开闭循环是相应的[2]o（7）灰白色强膨胀性粘土比棕黄色中等膨胀性 粉质粘土的胀缩裂隙更发育，而灰褐色、黄褐色弱膨 胀性粉质粘土中胀缩裂隙不甚发育2. 3开挖边坡上裂隙的发展趋势膨胀土开挖边坡上收缩裂隙的形成相当迅速陶 岔渠首Q2膨胀土中探槽开挖后不到半天即町在槽壁 形成网格状的收缩裂隙，原有的裂隙张开度迅速加 大，坡而浅表层土体迅速被裂隙切割成碎裂结构，土 块粒径约3〜10cm,半年后部分裂隙互相贯通（见照 片5）。

膨胀土钻孔岩芯在风吹口晒半天后，同样见到 岩芯表面遍布收缩裂隙，原來深部隐蔽的闭合裂隙失 水收缩后张开显现出来随着时间的推移，坡体上裂 隙互相追踪形成更长大的收缩裂隙和卸荷裂隙总干 渠陶岔渠首渠坡上裂隙走向的优势方向平行于坡面， 倾角陡，为追踪早期收缩裂隙形成的卸荷裂隙部分 卸荷裂隙最终扩展形成滑坡的后缘拉裂和侧缘切割 帀f O照片5半年后探槽边坡上膨胀土裂隙发展情况 Photo.5 Expansive soil crack at the exploration pit after half a year陶岔渠首4. 4km渠道开挖施T期间，相继发生13 处滑坡，经调查研究后发现，膨胀土中的裂隙与微裂 隙的存在是渠坡失稳滑坡的主要内在原因滑坡有两 种类型：（1）滑坡发生在裂隙发育的粘土中，滑动面 由裂隙联贯而成2）滑面由软弱带与裂隙组成滑 坡发生的外因是强降雨叫此外干裂的膨胀土遭雨淋后，水经裂隙迅速渗 入土体中，于是土体迅速膨胀崩解成稀软的“粘胶 泥”坡而雨水集中到地表膨胀土的裂隙中径流， 很容易从裂隙开始冲刷成用淋沟陶岔渠首由Q2 膨胀土组成的边坡历经36年的地表径流冲刷后， 形成的用淋沟一条紧挨一条，用淋沟深度超过lm (见照片6)。

照片6 36年后膨胀土渠道边坡雨淋沟发育情况 Photo.6 Gully development at expansive soil channel slope after 36 years另据冯玉勇等人在宁西铁路南阳段施工过程 中对膨胀土路处边坡开裂破坏的调查研究，在路垂 边坡开挖后，原本闭合的裂隙山于卸荷作用而张 开，由于水分蒸发作用也会产生收缩裂隙在旱季 常见未及时防护的路堑边坡普遍发生鱼鳞状剥落， 原來裂隙越发育,鱼鳞状开裂越严重；蒸发量越人, 开裂也越严重边坡浅农层被裂隙分割的土块在重 力作川下经常滚落于坡脚土体浅表层的裂隙为雨 水和地面径流的入渗和冲刷提供了条件。