張樹鵬

(沈陽市遼中區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心，遼寧 沈陽 110000)

根據(jù)近20年遼寧省大水災(zāi)害統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，中小河流堤防決口數(shù)量占堤防漫堤決口總數(shù)的95%以上，中小河流造成的災(zāi)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(jīng)濟(jì)損失占80%以上，中小河流已逐漸成為遼寧省防洪減災(zāi)體系的薄弱環(huán)節(jié)，中小河流治理工作是當(dāng)前河道治理的重中之重[1]。遼寧省中部平原區(qū)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(cè)需要加大坡面防護(hù)措施，提高土堤的穩(wěn)定性[2]。土堤穩(wěn)定計(jì)算一般需包括以下工況：即(設(shè)計(jì)洪水位下)堤防穩(wěn)定滲流期背水堤腳的滲透穩(wěn)定(用筑堤土料允許出逸比降與計(jì)算出逸比降比較結(jié)果判定)、穩(wěn)定滲流期背水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定和洪水驟降期臨水側(cè)堤坡抗滑穩(wěn)定(均通過計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與規(guī)范允許穩(wěn)定安全系數(shù)比較結(jié)果判定)[3]。對于傳統(tǒng)土堤穩(wěn)定性分析主要通過野外采樣結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)方式進(jìn)行[4- 10]。但這種方式常常不能完全反應(yīng)非均質(zhì)土堤的地質(zhì)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(wěn)定性分析中得到廣發(fā)應(yīng)用[13- 15]，但在中小河流治理中還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此本文結(jié)合原位觀測方式，探討其在中小河流治理中非均質(zhì)土堤穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用效果，研究方法對于土堤穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供重要參考。

1 原位動力觸探方法試驗(yàn)方式

1.1 試驗(yàn)方法

原位觀測方式的優(yōu)點(diǎn)在于可以不擾動原有土樣工程力學(xué)基礎(chǔ)上進(jìn)行測定，在河道治理區(qū)位置保持土層的天然結(jié)構(gòu)、天然應(yīng)力以及含水量的條件下，對其土層力學(xué)的指標(biāo)進(jìn)行測定，可以有效避免傳統(tǒng)測定方法在采樣過程由于釋放應(yīng)力使得參數(shù)指標(biāo)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(jié)合抨擊試驗(yàn)的方式進(jìn)行中小河流非均值土堤的力學(xué)指標(biāo)的測定。該方法主要原理在于將一定尺度和規(guī)格的圓錐探頭通過抨擊方式進(jìn)入探測的土體內(nèi)，結(jié)合圓錐探頭進(jìn)入土體內(nèi)阻抗的大小來對其土層變化進(jìn)行判定，對不同土層進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)的分層，一般以抨擊次數(shù)作為土體的阻抗大小進(jìn)行分析。

1.2 試驗(yàn)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(guī)格和類型的圓錐動力觸探見表1。

1.3 試驗(yàn)原理

其主要的測定原理在于采用能量平衡分析方法進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)的測定，一次抨擊試驗(yàn)完成功能轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方程為：

Em=Ek+Ec+Ef+Ep+Ee

(1)

式中，Em—落錘下落產(chǎn)生的能量值，J；Ek—觸探器與落錘發(fā)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(guī)格和類型的圓錐動力觸探

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

側(cè)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用荷蘭動力方程對土體動態(tài)貫穿阻力Rd計(jì)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(jié)構(gòu)

2 工程實(shí)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(shí)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(chǔ)自上而下依次為：(1)雜填土(厚0.5～3.2m)；(2)粉質(zhì)黏土(厚3.0m以上)；(3)粉砂(厚0.5～1.2m)；(4)基巖。其中粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)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(shù)7.24×10-2～3.55×10-1cm/s，屬強(qiáng)透水層。地層分布連續(xù)穩(wěn)定，地基土承載力良好，工程地質(zhì)條件良好。地區(qū)汛期多年平均最大風(fēng)速為12.5m/s，標(biāo)準(zhǔn)凍土深度1.05m。

2.2 試驗(yàn)布設(shè)

整個勘查區(qū)域的貫穿厚度為0.5～3.2m，整個治理區(qū)域共布設(shè)115個勘探點(diǎn)，其中布設(shè)動力觸探測定點(diǎn)為44個，總進(jìn)尺試驗(yàn)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(jìn)行555組數(shù)據(jù)采集工作。

2.3 錘擊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

采用原位動力觸探方法對錘擊數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，對不同土層的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，各土層原位測試的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)分析過程可看出，圓錐動力觸探類型為重型錘擊方式，統(tǒng)計(jì)組數(shù)最大值為75組，最小值為15組，共進(jìn)行555組錘擊數(shù)組試驗(yàn)，從統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果可看出，在各組試驗(yàn)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(yīng)力釋放影響，使得各堤防錘擊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)中存在一定的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)合各堤防變差系數(shù)對其標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行修正，各提放修正系數(shù)在1.365～1.410之間。按修正系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)錘擊次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可以得到其錘擊建議次數(shù)，各堤防錘擊建議次數(shù)在9～27之間。由統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)可知，該

表2 各土層原位測試錘擊數(shù)統(tǒng)計(jì)表

非均值土堤在力學(xué)性質(zhì)上具有一定的一致性，屬于中密度的碎石土體。

2.4 穩(wěn)定性測試結(jié)果

在錘擊統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對各堤防不同土層的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表3。

表3 各堤防不同土層穩(wěn)定性分析結(jié)果

從不同土層的穩(wěn)定性測試結(jié)果可看出，原位測定的工程區(qū)非均值土堤承載能力值均高于對應(yīng)土層標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(zhì)黏土經(jīng)過壓實(shí)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(qū)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(yàn)分析表明，在采用重型圓錐動力觸探類型進(jìn)行錘擊試驗(yàn)后，基本可以滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的承載能力。

2.5 非均質(zhì)土層安全系數(shù)測定結(jié)果

在穩(wěn)定性測定的基礎(chǔ)上，結(jié)合建議的錘擊次數(shù)，分析不同承載強(qiáng)度下各土層均值土堤的綜合安全系數(shù)，各土層錘擊試驗(yàn)下的安全系數(shù)測定結(jié)果分別見表4—7。

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

表4 雜填土原位綜合安全系數(shù)測定結(jié)果

表5 粉質(zhì)黏土原位綜合安全系數(shù)測定結(jié)果

表6 卵礫石原位綜合安全系數(shù)測定結(jié)果

表7 粉砂原位綜合安全系數(shù)測定結(jié)果

主要是因?yàn)榱W(xué)指標(biāo)決定了非均質(zhì)土體的強(qiáng)度特征。卵礫石和粉砂屬于非均質(zhì)土堤的基巖，一旦上層覆土測定的綜合安全系數(shù)可滿足安全穩(wěn)定性，則卵礫石和粉砂土層也具有較好的綜合安全系數(shù)。

3 動力觸探錘擊影響因素分析

3.1 不同土層類型影響

經(jīng)過實(shí)例測定分析表明，非均質(zhì)土堤的不同土層對其錘擊影響較大，當(dāng)土層顆粒較小時，錘擊出現(xiàn)離散的程度較小，而當(dāng)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(shù)的離散度較高。特別是當(dāng)探頭錘擊到顆粒較大的卵礫石時，錘擊次數(shù)會出現(xiàn)明顯的遞增變化。非均質(zhì)土層的密實(shí)度、土層之間的摩擦程度、主要填充物質(zhì)組成對錘擊次數(shù)產(chǎn)生直接影響。這些由于土層結(jié)構(gòu)的影響因素，在工程實(shí)踐中是難以避免的，因此對錘擊次數(shù)進(jìn)行均值選取從而對其承載能力以及安全系數(shù)進(jìn)行選取是可行方式。

3.2 不同試驗(yàn)方式影響

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

4 研究結(jié)論

(1)原位動力觸探方式可對中小河流非均值土堤力學(xué)指標(biāo)、土層的密實(shí)程度進(jìn)行準(zhǔn)確測定，為河道治理設(shè)計(jì)提供天然條件下的地質(zhì)參數(shù)，可有效提高地勘質(zhì)量，降低地勘成本和周期，該方法在中小河流治理設(shè)計(jì)中具有廣闊前景．

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

(3)原位動力觸探測定的穩(wěn)定性測定結(jié)果和土堤力學(xué)參數(shù)之間的相關(guān)性還需要進(jìn)一步總結(jié)和分析，從而有效減低試驗(yàn)方式影響。