孫 健

(遼寧天陽工程技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，沈陽 110003)

1 概 述

河道綜合治理需要對其堤防的承載能力進(jìn)行設(shè)計(jì)，這其中其地質(zhì)參數(shù)是其設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[1]。當(dāng)前對于河道堤防承載力的分析主要采用兩種方式，第一種方式是采用室內(nèi)試驗(yàn)，通過對治理河段的土層進(jìn)行采樣后，在室內(nèi)完成其堤防承載能力相關(guān)參數(shù)的測定[2-6]。這種方式得到的參數(shù)結(jié)果較為準(zhǔn)確，但需要消耗較長的時(shí)間，且受到采樣方式的影響，其參數(shù)測定結(jié)果代表性存在不高的局限[7].第二種方式主要采用有限元計(jì)算的方式，這種方式在國內(nèi)一些流域河道綜合治理項(xiàng)目中得到實(shí)踐，其一般用于大型河道，可通過有限元模型對不同地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行模擬演算，并結(jié)合試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)對其模型計(jì)算精度進(jìn)行驗(yàn)證，這種方式在于可以模擬不同地質(zhì)參數(shù)，代表性較好，適用于大型河道堤防承載力的計(jì)算，但由于模型參數(shù)較多，操作難度較大，適合于大型河道的地質(zhì)參數(shù)計(jì)算，而對于一些中小河流而言，這種方式存在一定的局限性。近些年來，原位觀測方式在一些水利工程建設(shè)地質(zhì)參數(shù)測定中得到應(yīng)用，但是對于河道綜合治理中還應(yīng)有較少，為此文章結(jié)合原位觀測方式，結(jié)合河道綜合治理工程實(shí)例，探討和摸索該方式在河道綜合治理堤防承載力的適用性，研究成果可為道綜合治理穩(wěn)定性參數(shù)設(shè)計(jì)提高重要參考。

2 試驗(yàn)原理

所謂原位觀測即為在現(xiàn)場不擾動河道堤防土層的前提下，進(jìn)行各項(xiàng)河道堤防各項(xiàng)地質(zhì)參數(shù)的測定，從而對不同堤防承載力相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行獲取。試驗(yàn)在地表荷載作用下，結(jié)合彈性力學(xué)對地表荷載力下的各相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測定，一般采用靜力荷載的方式進(jìn)行表層荷載試驗(yàn)，一般試驗(yàn)分為剪切、滲透、固結(jié)以及相對密度測定，各試驗(yàn)測定具有原理為：

采用垂直抨擊方式進(jìn)行靜力荷載分析，垂向抨擊原點(diǎn)坐標(biāo)為o，地質(zhì)土層中任何一個(gè)抨擊點(diǎn)三維坐標(biāo)為N(r,θ,z)，其與抨擊原點(diǎn)o的直線距離為R，抨擊點(diǎn)與原點(diǎn)o的直線夾角為β，則任意轉(zhuǎn)角θ的應(yīng)力測定值為：

(1)

式中：k為土層的應(yīng)力參數(shù)值。

原位觀測方式對堤防沉降分析主要采用函數(shù)擬合的方式進(jìn)行反向應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算中一直保持相同的靜力荷載：

(2)

式中：P為堤防沉降荷載，kPa；x為抨擊的垂線距離，m。

通過對河道堤防應(yīng)力和沉降原位觀測試驗(yàn)基礎(chǔ)上，對沉降荷載和應(yīng)力荷載建立相關(guān)方程，對于圓形剖面土層，其方程為：

(3)

對于方形剖面土層，其方程為：

(4)

式中：v為泊松系數(shù)；E為靜力荷載測定的河道堤防變形量，mm；D和B為圓形剖面直徑，m和剖面寬度，m。

在進(jìn)行土層變形量測定的基礎(chǔ)上，對其承載力進(jìn)行測定，測定方程為：

fspk=mfpk+(1-m)fsk

(5)

式中：fspk為堤防承載力測定值，kPa；fpk為土層剖面承載力測定值，kPa；fsk為不同參數(shù)測定條件下的堤防承載力測定值，kPa。

3 實(shí)例探討

3.1 堤防概況

以某河道堤防治理為實(shí)例，探討其河道堤防承載力原位觀測試驗(yàn)的試驗(yàn)用，該河段土層主要為卵石和素填土，設(shè)計(jì)堤防梯形剖面，見圖1，河道剖面總長度為3.94m，剖面高度為1m，主要為梯形剖面。

圖1 設(shè)計(jì)堤防梯形剖面

3.2 物理參數(shù)測定

通過垂向抨擊試驗(yàn)對不同土層的含水量、干濕密度、飽和密度、土壤容重、滲透孔隙比、滲透系數(shù)進(jìn)行了分組試驗(yàn)，抨擊試驗(yàn)測定參數(shù)，見表1；各土層地質(zhì)參數(shù)測定結(jié)果，見表2。

表1 抨擊試驗(yàn)測定參數(shù)

表2 各土層地質(zhì)參數(shù)測定結(jié)果

續(xù)表2 各土層地質(zhì)參數(shù)測定結(jié)果

采用重力垂直抨擊試驗(yàn)時(shí)，需要確定最為適應(yīng)的抨擊次數(shù)，通過抨擊組數(shù)分析其各抨擊試驗(yàn)下的變異系數(shù)的變化區(qū)間，當(dāng)變異系數(shù)較小時(shí)，一般認(rèn)為達(dá)到最佳抨擊次數(shù)，此時(shí)的可以對其土層的物理參數(shù)進(jìn)行測定。從表1中可看出，當(dāng)抨擊次數(shù)位于42-49次時(shí)，其變異系數(shù)變化范圍在0.2-0.3之間，變化幅度相對穩(wěn)定，因此當(dāng)試驗(yàn)組數(shù)達(dá)到49次時(shí)，其值較為穩(wěn)定，修正系數(shù)為1.1，卵石層的建議抨擊值要高于素填土。從不同地層物理參數(shù)可看出，堤身段其滲透系數(shù)總體變化較小，而砂礫段地層的滲透系數(shù)變化較大，變化幅度在4.0×102之間。砂礫段明顯高于其堤身段地層的滲透系數(shù)。從不同地層的含水量建議值可看出，堤防剖面含水層的分布總體較為均勻，其干濕密度也較為接近，表明土層厚度以及土層類型對其含水層以及干濕密度垂向影響較小。堤身段孔隙比要高于砂礫孔隙比，主要因?yàn)槠涞躺矶嗡靥钔凛^為稀疏，且位于上部，使得其具有相對較大孔隙比。

3.3 應(yīng)力測定結(jié)果

在采用垂向抨擊試驗(yàn)獲取各土層物理指標(biāo)后，分別進(jìn)行剪切應(yīng)力和沉降原位觀測試驗(yàn)，不同剪切應(yīng)力參數(shù)測定結(jié)果，見表3；不同剪切應(yīng)力沉降參數(shù)測定結(jié)果，見表4。

表3 不同剪切應(yīng)力參數(shù)測定結(jié)果

表4 不同剪切應(yīng)力沉降參數(shù)測定結(jié)果

從剪切應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果可看出，隨著靜力荷載的增加，其壓力參數(shù)逐步提高，但當(dāng)靜力荷載為150kPa時(shí)，其不同干密度條件下其剪切應(yīng)力逐步趨于穩(wěn)定變化，這主要是因?yàn)殡S著靜力荷載的作用下，其土層將不斷被壓實(shí)，壓實(shí)后的土層其剪切壓力也將不再發(fā)生變化。試驗(yàn)河段剪切應(yīng)力均值為41.4KPa，其不同剪切應(yīng)力下的內(nèi)摩擦角的均值為46.8°。從各試驗(yàn)河段堤防的沉降試驗(yàn)分析結(jié)果可看出，隨著靜力荷載的增加其壓縮系數(shù)先減后增，這主要是當(dāng)靜力荷載增加時(shí)，由于先增加了其孔隙比，使得其沉降的壓縮系數(shù)有所減少，當(dāng)孔隙比增加到一定程度后，壓縮系數(shù)逐步加大，并趨于穩(wěn)定變化。

3.4 堤防承載力測定結(jié)果

在應(yīng)力和沉降靜力荷載試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，對各試驗(yàn)河段不同靜力荷載條件下的堤防承載力進(jìn)行綜合測定，不同原位觀測點(diǎn)靜力荷載條件下堤防承載力測定結(jié)果，見表5。

表5 不同原位觀測點(diǎn)靜力荷載條件下堤防承載力測定結(jié)果

從各原位觀測點(diǎn)靜力荷載下的承載力測定結(jié)果可看出，不用原位觀測點(diǎn)下其承載力變化不同，且影響的沉降值有所差異，第1個(gè)原位觀測點(diǎn)其沉降變化幅度最大，最大沉降和最低沉降之間的差值為48.62mm，沉降變化最小的為3#原位觀測點(diǎn)，其最大沉降和最低沉降之間差值為45.35mm，不同原位觀測點(diǎn)沉降差異值主要受其承載力的綜合影響。隨著承載力的提高，其沉降值逐步減小。除受到不同河段堤防承載力影響外，其剖面的剪切應(yīng)力也是其沉降的重要影響因素，隨著剪切應(yīng)力的加大，各原位觀測點(diǎn)的沉降也有所減小。

3.4 原位觀測質(zhì)量控制措施

原位觀測試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于可不對堤防土層進(jìn)行人為擾動的條件下進(jìn)行其堤防承載能力各項(xiàng)指標(biāo)的測定，且可以對不同堤防段的土層進(jìn)行原位測定，代表性較高，其缺點(diǎn)在于需要較多的人力和物力試驗(yàn)觀測，因此不適合于大型河道的堤防承載力的試驗(yàn)測定，在進(jìn)行原位過程觀測試驗(yàn)時(shí)，需要對以下幾個(gè)方面進(jìn)行質(zhì)量控制，可提高原位觀測指標(biāo)測定的精度：

1)在進(jìn)行觀測試驗(yàn)時(shí)需要對不同土層進(jìn)行多組試驗(yàn)，而不能采用單一組別試驗(yàn)對河道堤防不同土層的承載力指標(biāo)進(jìn)行測定。

2)在進(jìn)行較大河流堤防承載力原位觀測試驗(yàn)時(shí)，還需要對土層的殘余強(qiáng)度進(jìn)行原位測定，從而綜合判定其堤防的承載能力。

3)在進(jìn)行河道堤防承載力設(shè)計(jì)值選取時(shí)，應(yīng)對其不同觀測點(diǎn)沉降位移和靜載的相關(guān)性進(jìn)行分析，從而對其壓力經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

4)在進(jìn)行土層動力學(xué)指標(biāo)測定時(shí)，不同土層的測定距離應(yīng)盡量在1-1.5m范圍內(nèi)進(jìn)行測定，對于復(fù)雜土層還應(yīng)采用孔斜測量方式進(jìn)行土樣的測定。

4 結(jié) 論

1)原位觀測試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于可不對堤防土層進(jìn)行人為擾動的條件下進(jìn)行其堤防承載能力各項(xiàng)指標(biāo)的測定，且可以對不同堤防段的土層進(jìn)行原位測定，代表性較高，其缺點(diǎn)在于需要較多的人力和物力試驗(yàn)觀測，因此不適合于大型河道的堤防承載力的試驗(yàn)測定。

2)隨著靜力荷載的增加河道堤防土層壓縮系數(shù)先減后增，這主要是當(dāng)靜力荷載增加時(shí)，由于先增加了其孔隙比，使得其沉降的壓縮系數(shù)有所減少，當(dāng)孔隙比增加到一定程度后，壓縮系數(shù)逐步加大，并趨于穩(wěn)定變化。

3)在進(jìn)行較大河流堤防承載力原位觀測試驗(yàn)時(shí)，建議土層殘余強(qiáng)度指標(biāo)的原位測定，從而綜合判定其堤防的承載能力。