利用渠道开挖的泥砾土料
摘要：南水北调中线工程河北省磁县段渠道开挖赋存大量的高含卵砾石粒径的泥砾土，具有不均匀性、抗剪强度高、较好地压实性及低压缩变形性等特点，本渠段开挖的泥砾土数量较大，如果不能加以利用，将导致取土场和弃土场占地的增加，增加工程投资。正确地掌握和理解泥砾土的工程特性，克服泥砾土对工程的不利影响，最大限度地利用渠道开挖的泥砾土料，不仅具有巨大的经济价值，而且具有显著的社会效益。
1．泥砾土的定名
泥砾，又称冰砾土或冰川泥砾。由冰川直接堆积的粘土、砾石和砂呈无层状分选的混合体。随着冰川冰底部拖动的岩块和细岩粉末，冰融化以后，将它们堆积下来。泥砾通常是一种不成层次夹有砾石和砂的坚硬粘土。泥砾中的含泥量，主要决定于基岩地层受冰川剥蚀时产生粘土的多少，发育在坚硬的粗粒岩层的冰川堆积物，粘土含量很少，常成砂砾冰碛。
泥砾是粘土、卵砾石和砂的混合体，这种粗细粒混杂的土如果按颗粒组成成分常可视为碎石类土，而其可通过0.5mm筛后的数量较多又可进行可塑性试验，按其塑性指数又可视为粉土或粘性土。这类土在分类中找不到相应的位置。我国的分类方法迄今尚未统一，不同部门根据各自的行业特点建立了各自的分类标准，一般对粗粒土主要按颗粒组成进行分类，粘性土则按塑性图分类，水利行业对土的分类标准有三个，《土的分类标准》（GBJ145-90）、《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001），《土工试验规程》（SL237-1999），根据以上规范，为了正确评价泥砾土的工程性质，将颗粒级配呈不连续状，细粒（＜0.075mm》、粗粒（0.075～60mm）和巨粒（＞60mm）混杂的泥砾称为混合土。
2．泥砾土的成因
太行山东麓泥砾的成因类型从上世纪20年代至今也没有统一的认识。但大多数学者和地质工作者认为泥砾是冰水碛的产物，属冰碛层。在南水北调中线工程河北省段渠线勘察中，依据大量的勘察资料分析倾向于冰碛泥砾的成因学说。
本渠段的红色泥砾是第四纪时期第二次冰期的产物。太行山不断抬升，东部平原持续下降，漳河、滏阳河上游冰川携带冰碛物堆积于河谷盆地和太行山前河流出山口附近，组成与河流方向相近的垅岗，多个出山口的垄岗组成了岗群台地。
3.主要工程特性
泥砾土是一种非常特殊的土，它会由于卵石、漂石、砾石、块石、粉粒及粘粒的含量，母岩成分，土的含水量，饱和度等的变化，地域不同而导致岩土材料物理力学性质千变万化，泥砾土不尽具有无粘性土和粗粒土的特点，也具有部分粉土、粘性土等细粒土的特点。
泥砾土的工程特性主要表现在不均匀性、渗透性、抗剪强度、密实度、沉降变形及承载力等方面：
3.1不均匀性
由于泥砾土的粒径范围广，使得泥砾土的块体及层厚的不均匀性极强，主要变现在以下几个方面：
（1）块体大小不一。由于母岩岩性的差异，冲积搬运的距离及在搬运过程中碰撞破裂程度不同，加上物理化学风化环境、程度等的不同，形成的泥砾土的粒径也在大范围内变动，其中不乏粒径较大的漂（块）石(d＞200mm)，由于冲洪积作用，某些以粘性土为主的土层中含有粒径不一的泥砾土也较为常见。
（2）土层厚度不均匀。与其它土层一样，由于形成历史、过程的差异，造成了大多卵石层厚度的不均，在一个几平方米的小范围内，土层可能就会形成很大的倾斜度，甚至局部严重缺失、以透镜体在土层中出现的情况也屡见不鲜，这种不均匀性很容易导致整个地层的不均匀。在某些低山丘陵区或山前倾斜平原，尤其是上部覆盖有第四系马兰黄土的地区，在（古）河流阶地的陡坡壁上，呈鸡窝状分布的卵石层透镜体很常见，有时一边是黄土，一边是卵石，岩性在垂直面上差异可达数米。在详勘中就遇到过同一个孔位前后移动不到1m，结果地层层位最大相差近2m。
3.2渗水性
由于填充物的性质、颗粒级配、密度的不同，对泥砾土层的渗透性影响很大，当为砂质充填时，形成砂卵石，一般可形成紊流，甚至可以形成地下径流，可作为良好的排水通道，当为泥质（粘性土）充填时，且卵砾石含量在一定范围内时，透水性就不太好，可能形成符合达西定律的层流，充填密实（或半胶结状态）的土层甚至可以成为弱隔水层。
一般泥砾土的卵砾石含量在40%以内时，卵砾石在土体中被细粒土包裹，加上卵砾石本身不透水，从而减少了渗透面积，并延长了部分渗径，所以渗透系数不但不增大，反而有所减小。但当卵砾石含量超过40%以后，由于粗颗粒开始有局部接触，渗透系数开始增大，粗料已完全形成了骨架，细粒填不满孔隙。
3.3抗剪强度
决定泥砾土抗剪强度的因素很多，其中最主要的因素是粗粒含量和细料性质，泥砾土的抗剪强度由三部分组成，即细料本身的强度、粗料间的强度和粗细料间的强度，当粗料含量小于30%时，抗剪强度随粗料含量的增加稍有增大，但基本上仍决定于细料的强度，当粗料含量在30%～70%范围内时，抗剪强度随粗料含量的增加显著增大，当粗料含量大于70%时，抗剪强度主要取决于粗料之间的摩擦力和咬合力，因细料不能填充满粗料孔隙，一方面，泥砾土的密实度减小，另一方面，在同样的压实功能下，作用力由粗料骨架所承担，处于孔隙中的细粒得不到压实，这些都影响抗剪强度不但不能增加，反而有所减小。
3.4渗透稳定性
泥砾土的渗透稳定性与粗粒含量有着密切关系，从一般的工程实践可以看出：当粗粒含量大于70%时，泥砾土的水力破坏坡降显著减小，渗透破坏变为管涌型，其原因是：当粗粒含量大于70%以后，粗粒单独组成骨架，细粒因含量少填不满骨架孔隙，粗、细料之间不能紧密接触，在渗透水流作用下相互约束力减小，细颗粒容易在孔隙内移动，细粒含量愈少，约束力愈小，抗渗透破坏的能力愈小，细粒就容易被渗透水流带出。当粗粒含量小于70%时，粗粒孔隙全部被细粒充填，甚至粗料颗粒被细粒撑开，这时细粒也起骨架作用，大小颗粒相互紧密接触，所以细粒不容易被渗透水流带出，渗透破坏坡降增大，而且渗透破坏的形式转为流土。因此，对泥砾土判断其渗透稳定性的允许水力坡降与粗粒含量大于70%有密切关系。
3.5压缩变形及密实性
（1）天然形成的泥砾土由于不同粒径的充填物充分沉积填充后，在漫长的地质年代中受到上部覆盖层的压力或构造地应力等因素的作用，可以达到很高的密实度。一般地质年代愈久形成的泥砾土层，密实度及承载力也越大；是对变形沉降有特殊要求的建筑物的优良地基。
（2）当泥砾土中粗颗粒含量在30%以内时，随粗颗粒的增多，干密度增加，主要是粗颗粒大，代替同重量的细颗粒个数多，因细颗粒的比表面积大且颗粒之间有孔隙，势必形成单位体积土重增加，这就是干密度随粗料含量增加而增大的原因。当粗粒含量超过30%以后，粗料开始起骨架作用，在细料、粗料彼此充填的联合作用下，干密度值增加较快，当粗粒含量为70%左右时，粗粒形成完整骨架，细粒又能填满孔隙，干密度值最大，当粗粒含量大于70%以后，由于细粒含量减少，填不满粗粒孔隙，故粗粒起主要作用，细粒只起影响作用，出现干密度随粗粒含量增加而减小的现象。
4.磁县段泥砾土的应用
由于泥砾土的特殊的工程特性，针对磁县段渠道开挖的泥砾土，按照不同渠段以及不同卵砾石粒径和含量的泥砾土，根据其不同的工程特性，因地、因时制宜，使得泥砾土得到了最大限度地利用，节省了工程建设投资。
(1)夯扩桩填料
对于颗粒大的，作为夯扩桩填料，磁县段渠道桩号0+000-1+851、4+451-4+951渠段为砂土液化渠段，处理方案采用夯扩桩，原采用碎石作为夯扩桩填料，经过现场试验，颗粒在150mm左右的泥砾土可以满足处理要求，现场采用泥砾土代替碎石，总泥砾土用量约20万m3，节省了工程投资。
(2)渠堤填筑
由于泥砾土区域分布不均匀，中线建管局河北直管建管部委托中水北方勘测设计研究有限公司，对磁县一标桩号10+850处泥砾开挖料进行现场试验，试验包括室内试验和现场试验两部分，主要完成了颗粒筛分试验、击实试验、d≤60mm直剪试验、现场碾压试验以及原位渗透试验等。通过该试验研究成果，为利用泥砾开挖料进行渠堤填筑提供了依据。通过现场大剪试验取得的泥砾料c、φ抗剪强度参数，对填筑断面的抗滑稳定性进行了复核。设计采用了现场碾压试验、原位渗透试验的成果。
由于泥砾开挖料级配不连续，桩号7+000～12+000渠段泥砾土压实后渗透系数不能满足要求，因此，该渠段的泥砾土主要用作高填方渠段的基础填筑，利用泥砾开挖料填筑桩号0+580～1+180的采砂坑，并对部分渠堤利用开挖泥砾料进行分区填筑，即泥砾土作为坝壳料填筑在渠堤的外侧，内侧填筑2.0m厚的粘性土防渗层。采用以上填筑方案，利用了渠道开挖的泥砾料。
桩号17+000～29+056渠段，泥砾粒径基本小于150mm，粘粒含量较高，通过现场碾压和渗透试验，渗透系数满足均质坝的填筑要求。因此，对该桩号之间的泥砾土，直接用于筑堤。
(3)建筑物基坑回填、地基处理垫层
由于泥砾土的低压缩性，穿越总干渠左岸排水建筑物根据地基要求，采用泥砾土进行基坑回填。部分建筑物建基面承载力不能满足设计要求，也采用泥砾土进行地基处理。按照复核结果，采用换填30～50cm的泥砾土垫层改善地基承载力，处理效果明显。
(4)现场深加工碎石
对于卵砾石含量较高的部分泥砾土，可直接在现场加工成碎石，按设计要求掺加一定比例的粘性土组成碎石土，碎石含量在40%以内的碎石土具有较好地低压缩性和弱渗透性。用于桥梁承台以及跨总干渠桥梁连接坡道的填筑。
(5)市政建设
颗粒均一、大小合适、磨圆度好的（鹅）卵石还用来在游园中铺路，既美化，又有保健功能，市政建设中多有使用。
5.结语
泥砾土作为一类特殊土，具有不均匀性、抗剪强度高、较好地压实性及低压缩变形性等工程特性，本渠段开挖的泥砾土数量较大，如果不能加以利用，将导致取土场和弃土场占地的增加，增加工程投资。正确地掌握和理解泥砾土的工程特性，克服泥砾土对工程的不利影响，最大限度地利用渠道开挖的泥砾土料，不仅具有巨大的经济价值，而且具有显著的社会效益。
参考文献
【1】建设部．土的分类标准（GBJ145-90）
【2】水利部．土工试验规程（GB237-1999）．北京：中国水利水电出版社，1999
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