基于原位測試方法的河道綜合治理堤防承載能力評價試驗研究

孫 晶

（鐵嶺市水利工程規劃設計技術審核中心，遼寧鐵嶺118000）

基于原位測試方法的河道綜合治理堤防承載能力評價試驗研究

孫 晶

（鐵嶺市水利工程規劃設計技術審核中心，遼寧鐵嶺118000）

本文以遼寧東部某河道整治工程為研究實例，結合原位試驗觀測方式對河道堤防承載能力進行評價，并分析原位觀測試驗方式在河道堤防承載能力評價分析的優缺點和注意事項。研究結果表明：原位測試可結合多個試驗指標對河道堤防天然狀況下的地質承載能力進行全面評價，彌補室內試驗測試的不足；經試驗評價研究河道堤防的滲透系數在5.1×103-8.5×103cm/s之間，土層的壓縮系數均值可達到0.042MP2，抗剪切內摩擦角均值達到52°，研究河道堤防的抗載負荷為450kPa，滿足工程設計規范。研究成果可以為河道綜合治理堤防設計地質承載能力分析提高參考價值。

原位測試方法；堤防承載能力；多試驗指標；遼東河道

河道綜合治理設計中，堤防設計是重中之重，河道堤防設計中，對河道堤防的地質分析尤為關鍵，在河道地質分析中需要對堤防的承載能力進行分析，傳統的河道提防承載能力分析大都采用室內試驗的方式［1-5］，對河道堤段的土層的進行抽樣，在試驗室對抽樣的土層進行承載能力試驗指標的評價，但是傳統的室內試驗方式不能對河段堤防進行全面評價，不能完全真實的反映天然河道的真實情況，在進行河道堤防承載能力評價中存在一定的局限。原位測試方法開始起源于地質勘測的領域，通過在勘測設計的原區域，直接進行多項指標的檢驗，從而對地層的天然狀態的承載能力進行試驗。當前，原位觀測方式也逐步在河道治理地質分析中得到逐步應用，并取得一定的研究成果［6-10］，但在河道堤防承載能力試驗中應用還較少，為此本文結合原位觀測的方式，以遼寧東部某河流為研究工程實例，對河道綜合治理堤防承載能力分析進行多指標的試驗，結合原位測試試驗數據，對河道堤防的承載能力進行綜合評價。研究成果可為河道綜合治理堤防設計地質承載能力分析提高參考價值。

1 原位測試方法主要原理

原位測試為在工程設計現場，在對勘測地段土層不進行擾動情況下對土層的各個指標進行試驗分析，以獲取測試土層不同物理指標的一種勘測試驗技術，原位測試假設進行試驗的地層表面在地表荷載作用下，由于地表荷載引起應力采用彈性力學試驗的原理進行求解各種試驗指標，在河道堤防承載能力試驗中主要采用試驗為靜力荷載試驗、土層的剪切試驗、滲透試驗、土層固結試驗以及土層的相對密度試驗，結合各個試驗指標對河道提防的承載能力進行綜合的評價分析。原位測試試驗的主要原理為。

當勘測試驗土層的垂向進行荷載P試驗，在試驗中主要采用垂直擊打的方式，設定土層垂向擊打坐標原點o，河道堤防土層中任何一點N（r，θ，z）離開原點坐標的直線距離為R，直線距離R和點N的垂向指標的夾角為β，可以推求任何一個θ的應力轉臺，計算公式為：

式中，k表示地層應力系數，可通過查表獲取不同土層指標的應力系數。

進行土層荷載沉降分析時，原位觀測方式很難應用函數表達式進行計算，一般采用公式擬合的方式進行擬合求解，假設河道堤防的層應力為反向力分布函數，該反向力分布的函數對河道堤防土層作用與土層靜力荷載一直，計算荷載沉降實驗的擬合公式為：

式中，P為沉降實驗的負荷承載力，x為垂直抨擊的距離。

在上述計算方程中，可以推算得到不同土層應力承載能力，得到土層應力抨擊下的土層沉降得情況，兩者之間存在一定的數學關系式。

對于土層圓形剖面，其關系式方程為：

式中，ν為泊松系數，E為設計堤防土層的變形量，D表示原型剖面的直徑，B表示壓板形剖面的寬度。結合上述公式可以計算原位測試剖面的變形模量，泊松系數可以采用計算規范手冊的建議值。

在進行河道堤防承載能力，結合多種試驗指標對河道堤防土層的承載能力進行綜合評價分析計算，土層的承載能力特征值計算方程為：

式中，fspk表示河道堤防綜合承載能力評價值，fpk表示為剖面土層單位面積下的承載能力特征值，fsk表示為河道堤防不同試驗指標下的評價值。

對于土層壓板形剖面，其關系式方程為：

2 工程實例分析

2.1 工程概況

本文以遼寧東部某河道工程為例，該工程河段河底為素填土和卵石組成，河段順直段較長，岸壁為土質岸壁、山巖等，河岸部分段落長有雜草或低矮灌木。設計河道堤防剖面圖見圖1。

2.2 試驗堤段物理指標分析

采用原位測試方法，對設計勘測區域進行抨擊試驗，抨擊試驗的參數取值見表1，并對原位測試區域的不同土層進行物理試驗指標的檢驗，各土層物理試驗指標值見表2。

表1為原位測試抨擊試驗的參數指標值，從表中看出，本次對不同土層的抨擊試驗的次數在35次到41次之間，均符合原位測試方法抨擊試驗次數的要求（要求30次以上），其不同試驗次數之間的變異系數值在0.19～0.22之間，建議選取的標準參數值分別為8和13。表2為不同土層的物理指標分析值，從不同土層的物理分析指標可以看出，在設計河道堤防堤身土層其測定的含水量在4.4%～7%之間，屬于含水量較低的區域，該土層的平均含水率可以達到6.3%，為此在河道堤防設計中對河道堤身處土層的含水率取其平均值為6.3%，而在砂礫土層其含水量達到4.2%～8.6%之間，高于堤身處土層的含水率。通過濕度和密度指標分析，在堤身處和砂礫土層處土層濕密度最大值均可達到2.10g/m3，兩處土層的干密度建議取值為1.82g/m3和1.92g/m3，經過對不同土層的滲透試驗分析，在河道設計堤防堤身處其滲透系數在5.1×103-6.4×103之間，而在砂礫土層其滲透系數在5.8×103-8.5× 103之間，滲透系數指標的分析表面設計河道堤防處的滲透系數較低。

2.3 試驗指標分析值

在河道堤防設計處抨擊試驗下不同土層物理指標分析的基礎上，對設計勘測區域進行選樣，對選取的土層選樣進行應力和沉降分析試驗，試驗分析結果見表3、表4以及圖2。

圖1 設計河道堤防剖面圖

表1 抨擊試驗下的參數指標值

表2 不同土層物理試驗指標值

表3 剪力應力試驗成果統計表

表4 沉降試驗成果統計表

圖2 各試驗編號土層剪切和沉降壓縮試驗

表3為不同試驗堤防段的剪切應力試驗結果，從表3中可以看出，在100Kpa壓力下其不同試驗段下剪切應力值在138.1～180Kpa之間，增加100Kpa壓力后，各個試驗段剪切應力值均高于100Kpa壓力下，在291.0～326.2Kpa之間，而在300Kpa壓力下不同試驗段剪切壓力值也逐漸增加，當剖面壓力達到400Kpa下其不同試驗段剪切壓力值達到510.1～636.5Kpa之間，在不同靜載壓力下不同試驗段的內摩擦角達到50.5～53°之間，各個試驗段在不同壓力下的剪切應力值變化也隨圖2（a）所示，隨著剖面壓力的不斷增加，各個試驗段的剪切壓力也逐漸增加。表4為不同試驗段的沉降試驗結果，從表中可以看出，在無靜載壓力符合下，其土層孔隙比在0.3679～0.3968之間，而隨著剖面靜載壓力的增加，各個試驗段河道堤防土層的孔隙比逐漸減小，正如圖2（b）所示，各個試驗段土層的沉降孔隙比逐漸增加隨著剖面靜載壓力的加大而減小，當剖面靜載壓力達到400Kp時，其土層的孔隙比在0.3419～0.3791之間，剖面壓力的增加，可減少土層沉降的孔隙比。

2.4 河道設計堤防承載能力綜合評價

結合原位觀測方式靜載應力、沉降試驗以及設計河道堤防土層的物理指標計算了河道堤防承載能力，計算結果見表5。

表5 不同試驗段河道堤防承載能力綜合評價結果

表5為河道堤防不同試驗段承載能力綜合評價結果，從表中可以看出1#試驗段當其荷載增加到450Kpa后，其試驗點的沉降值將達到最大值為45.31mm，其在不同荷載壓力下沉降值在0～45.31mm之間，而從1#試驗段到6#試驗段，在不同靜載負荷壓力下，其試驗點的沉降值也逐漸加大，在河道堤防設計中應加大對4#～6#試驗段河道堤防的穩定性，從表中還可以看出在同一個試驗點，隨著試驗點的靜載負荷加大，其沉降值也呈現逐漸增加的變化，這主要是因為隨著試驗點靜載負荷的加大，其剖面受到的剪切壓力也逐漸加大，而結合前面的孔隙比試驗分析結果可以看出，隨著試驗段剖面靜載負荷的較大，其土層的孔隙比逐漸較小，當土層孔隙比逐漸減小，而剖面受到的剪切應力增加，使得同一個試驗點隨著靜載負荷的增加而相應增加。

2.5 原位測試方法優缺點及試驗注意事項

本文結合原位測試實例應用對原位測試方法的優缺點以及試驗注意事項進行了表述，其中原位測試方法的優點在于可以不影響土樣擾動的各項物理指標，可以對勘測區域的土層進行原樣監測，具有較好的代表性，其缺點在于需要耗費大量的人力和物力，在大型河道整治工程中，應加強原位觀測試驗對河道堤防進行承載能力分析。

此外在進行原位觀測試驗時，需注意以下幾個事項。

（1）原位測試可以包含不同的試驗項目，應該結合實際土層情況和工程設計情況要素確定需要進行試驗的指標，而不應遵循同一組試驗指標進行測試。

（2）在進行大型河道堤防承載能力原位測試時，還應加入土層的殘余強度試驗進行分析。

（3）在進行河道堤防試驗承載能力選值時，應結合土層靜載壓力與沉降時間之間的關系或者地區經驗壓力值進行合理選取。

（4）在河道堤防勘測區域進行土層動力學指標測試時，不同土層測試距離宜控制在1～1.5m之間，并結合孔斜測量方式對復雜土層進行跨孔取樣。

3 結語

本文結合原位測試的方法，以遼寧東部某河道整治工程為實例，對河道堤防承載能力進行綜合評價試驗，研究取得以下結論。

（1）原位觀測方式可在不擾動土樣的情況，可對工程實例河道堤防承載力進行綜合評價，可解決室內試驗選樣和指標不全的局限，具有全面性，但是原位觀測方式耗費的人力和物力要高于室內試驗，建議在大型河道堤防設計中多加采用。

（2）原位觀測方式可進行多個指標的試驗，在河道綜合治理設計中其他指標的分析和設計中也進行試驗觀測。

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1008-1305（2017）01-0007-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.003

2016-11-03

孫 晶（1981年—），女，工程師。