中小河流治理中非均質土堤的穩定性測定研究

張樹鵬

(沈陽市遼中區農業技術推廣與行政執法中心，遼寧 沈陽 110000)

根據近20年遼寧省大水災害統計數據，中小河流堤防決口數量占堤防漫堤決口總數的95%以上，中小河流造成的災害損失大于大江大河，在沒有大江大河堤防決口的情況下，中小河流的經濟損失占80%以上，中小河流已逐漸成為遼寧省防洪減災體系的薄弱環節，中小河流治理工作是當前河道治理的重中之重[1]。遼寧省中部平原區多為黏土(粉黏土)堤防，由于土堤本身抗沖性能較差，因此土堤的迎背水側需要加大坡面防護措施，提高土堤的穩定性[2]。土堤穩定計算一般需包括以下工況：即(設計洪水位下)堤防穩定滲流期背水堤腳的滲透穩定(用筑堤土料允許出逸比降與計算出逸比降比較結果判定)、穩定滲流期背水側堤坡抗滑穩定和洪水驟降期臨水側堤坡抗滑穩定(均通過計算抗滑穩定安全系數與規范允許穩定安全系數比較結果判定)[3]。對于傳統土堤穩定性分析主要通過野外采樣結合室內試驗方式進行[4- 10]。但這種方式常常不能完全反應非均質土堤的地質概況，存在一定的測定誤差[11- 12]。近些年來原位觀測方式在路基穩定性分析中得到廣發應用[13- 15]，但在中小河流治理中還未得到相關應用，為此本文結合原位觀測方式，探討其在中小河流治理中非均質土堤穩定性分析中的應用效果，研究方法對于土堤穩定性設計提供重要參考。

1 原位動力觸探方法試驗方式

1.1 試驗方法

原位觀測方式的優點在于可以不擾動原有土樣工程力學基礎上進行測定，在河道治理區位置保持土層的天然結構、天然應力以及含水量的條件下，對其土層力學的指標進行測定，可以有效避免傳統測定方法在采樣過程由于釋放應力使得參數指標測定存在誤差，且代表性不高，影響覆蓋面不全的問題。本文主要采用圓錐動力觸探方法結合抨擊試驗的方式進行中小河流非均值土堤的力學指標的測定。該方法主要原理在于將一定尺度和規格的圓錐探頭通過抨擊方式進入探測的土體內，結合圓錐探頭進入土體內阻抗的大小來對其土層變化進行判定，對不同土層進行力學指標的分層，一般以抨擊次數作為土體的阻抗大小進行分析。

1.2 試驗裝置

圓錐動力觸探裝置主要有落錘和探頭兩個部分組成，不同規格和類型的圓錐動力觸探見表1。

1.3 試驗原理

其主要的測定原理在于采用能量平衡分析方法進行力學指標的測定，一次抨擊試驗完成功能轉換，轉換方程為：

Em=Ek+Ec+Ef+Ep+Ee

(1)

式中，Em—落錘下落產生的能量值，J；Ek—觸探器與落錘發生由于碰撞損失的能量值，J；Ec—觸探器由于彈性變形所損失的能量值，J；Ef—探桿

表1 不同規格和類型的圓錐動力觸探

注：能量指數nd=MHg/A，其中，M—落錘質量，kg；H—下落高度，m；A—探頭截面積，cm2；g—重力加速度，m/s2。

側壁為克服貫穿摩擦所損失的能量值，J；Ep—由于土體塑性變形所損失的能量值，J；Ee—由于土體彈性變形所損失的能量值，J。圓錐動力觸探裝置能量平衡結構如圖1所示。

采用荷蘭動力方程對土體動態貫穿阻力Rd計算，方程為：

(2)

式中，e—落錘貫入的深度，mm；M—落錘的重量，kg；m—圓錐探頭的重量，kg；A—截面積，cm2；h—落錘下落高度，m。

圖1 圓錐動力觸探裝置能量平衡結構

2 工程實例研究

2.1 工程概況

本文以遼寧中部某中小河流整治為工程實例，該治理工程沿河兩岸上部地層由第四系沉積物組成，主要以沖洪積為主的砂卵礫石，下部地層以混合花崗巖、灰黑巖為主。基礎自上而下依次為：(1)雜填土(厚0.5～3.2m)；(2)粉質黏土(厚3.0m以上)；(3)粉砂(厚0.5～1.2m)；(4)基巖。其中粉質黏土層滲透系數為1.0×10-6～1.2×10-5cm/s，屬于微～弱透水層，礫砂夾卵礫石滲透系數7.24×10-2～3.55×10-1cm/s，屬強透水層。地層分布連續穩定，地基土承載力良好，工程地質條件良好。地區汛期多年平均最大風速為12.5m/s，標準凍土深度1.05m。

2.2 試驗布設

整個勘查區域的貫穿厚度為0.5～3.2m，整個治理區域共布設115個勘探點，其中布設動力觸探測定點為44個，總進尺試驗長度為152.4m，其中素填土層為25.2m，卵石層為127.2m，采用圓錐動力觸探進行555組數據采集工作。

2.3 錘擊統計試驗結果

采用原位動力觸探方法對錘擊數進行統計試驗，對不同土層的力學性質進行分析，各土層原位測試的統計試驗結果見表2。

從統計試驗分析過程可看出，圓錐動力觸探類型為重型錘擊方式，統計組數最大值為75組，最小值為15組，共進行555組錘擊數組試驗，從統計試驗結果可看出，在各組試驗中，錘擊土層的厚度最大值為3.20m，厚度最小值為0.43m，厚度均值在0.56～1.51m之間，均低于圓錐動力觸探探桿的最大貫入深度。由于錘擊應力釋放影響，使得各堤防錘擊統計試驗中存在一定的標準差，結合各堤防變差系數對其標準差進行修正，各提放修正系數在1.365～1.410之間。按修正系數和標準錘擊次數進行統計分析可以得到其錘擊建議次數，各堤防錘擊建議次數在9～27之間。由統計試驗可知，該

表2 各土層原位測試錘擊數統計表

非均值土堤在力學性質上具有一定的一致性，屬于中密度的碎石土體。

2.4 穩定性測試結果

在錘擊統計試驗分析的基礎上，對各堤防不同土層的穩定性進行分析，分析結果見表3。

表3 各堤防不同土層穩定性分析結果

從不同土層的穩定性測試結果可看出，原位測定的工程區非均值土堤承載能力值均高于對應土層標準規范推薦的承載力建議值。從各堤段不同土層的承載能力測定值可看出，雜填土測定的承載能力在216～446kPa之間，粉質黏土經過壓實處理后，其原位測定的承載能力均要好于建議的土層承載能力值。研究治理區卵礫石土層測定的承載能力值均低于粉砂承載能力。通過試驗分析表明，在采用重型圓錐動力觸探類型進行錘擊試驗后，基本可以滿足標準規范要求的承載能力。

2.5 非均質土層安全系數測定結果

在穩定性測定的基礎上，結合建議的錘擊次數，分析不同承載強度下各土層均值土堤的綜合安全系數，各土層錘擊試驗下的安全系數測定結果分別見表4—7。

從雜填土的綜合安全系數分析結果可看出，通常情況下雜填土在不同承載強度下其表層的安全系數可高于其下層軟土安全系數的40%～90%之間。因此對于非均值土堤的雜填土而言，壓實深度一般應達到下層土體的上覆厚度為宜。對于雜填土而言，隨著承載強度及表層土體厚度的增加，其綜合安全系數逐步遞增。對于粉質黏土而言，由于其土體的內摩擦力及黏聚力均高于雜填土，因此在相同的承載強度下，其綜合安全系數也高于雜填土，這

表4 雜填土原位綜合安全系數測定結果

表5 粉質黏土原位綜合安全系數測定結果

表6 卵礫石原位綜合安全系數測定結果

表7 粉砂原位綜合安全系數測定結果

主要是因為力學指標決定了非均質土體的強度特征。卵礫石和粉砂屬于非均質土堤的基巖，一旦上層覆土測定的綜合安全系數可滿足安全穩定性，則卵礫石和粉砂土層也具有較好的綜合安全系數。

3 動力觸探錘擊影響因素分析

3.1 不同土層類型影響

經過實例測定分析表明，非均質土堤的不同土層對其錘擊影響較大，當土層顆粒較小時，錘擊出現離散的程度較小，而當土層為卵礫石和粉砂顆粒時，由于這種土層顆粒較為分散，使得動力觸探重錘次數的離散度較高。特別是當探頭錘擊到顆粒較大的卵礫石時，錘擊次數會出現明顯的遞增變化。非均質土層的密實度、土層之間的摩擦程度、主要填充物質組成對錘擊次數產生直接影響。這些由于土層結構的影響因素，在工程實踐中是難以避免的，因此對錘擊次數進行均值選取從而對其承載能力以及安全系數進行選取是可行方式。

3.2 不同試驗方式影響

為提高非均值土堤穩定性測定的精度，在進行動力觸探錘擊試驗時，應注意以下幾點：①錘擊貫穿時應確保重錘自由下落，探桿的高度不宜過大，以免出現擺動過大的現象；②保持探桿的垂直高度，傾斜角度最大值應低于2%，連續進行重錘的抨擊試驗，錘擊速率控制在20～35min/次，降低摩擦側壁的阻力，特別是對于黏土層而言，速率較低會增加側向的摩擦阻力；③每此貫穿深度高于2m，應將探桿進行1次旋轉，從而有效降低內摩擦力；④對于重型動力觸探貫穿深度應低于20m，超過這個深度，應將內摩擦阻力進行綜合考慮。

4 研究結論

(1)原位動力觸探方式可對中小河流非均值土堤力學指標、土層的密實程度進行準確測定，為河道治理設計提供天然條件下的地質參數，可有效提高地勘質量，降低地勘成本和周期，該方法在中小河流治理設計中具有廣闊前景．

(2)非均質土層的密實度、各土層之間的側向摩擦、填充物質主要組成均是原位動力觸探錘擊次數影響的直接動力，在工程實踐中建議采用錘擊次數均值測定其非均值土堤穩定性指標．

(3)原位動力觸探測定的穩定性測定結果和土堤力學參數之間的相關性還需要進一步總結和分析，從而有效減低試驗方式影響。