彭振宇

（遼寧省河庫(kù)管理服務(wù)中心（遼寧省水文局），遼寧沈陽(yáng) 110003）

在水閘工程設(shè)計(jì)中需要對(duì)施工區(qū)土體土濕吸力進(jìn)行分析，從而對(duì)水閘穩(wěn)定性進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。相關(guān)研究表明[2-8]，含水率是水利工程影響土濕吸力的重要因子，可通過(guò)建立土濕吸力和含水率的相關(guān)方程來(lái)進(jìn)行土濕吸力的分析。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)主要通過(guò)觀測(cè)試驗(yàn)的方式建立土濕吸力和含水率的相關(guān)方程來(lái)對(duì)土濕系列進(jìn)行計(jì)算，但這種方式代表性較弱，不能對(duì)水利工程整體的土濕吸力進(jìn)行分析。近些年來(lái)，非飽和土壓強(qiáng)度模型在國(guó)內(nèi)一些大型水利工程得到應(yīng)用[9-11]，應(yīng)用結(jié)果均表明非飽和土壓強(qiáng)度模型對(duì)于土濕吸力計(jì)算具有一定的精度，可滿足水利工程設(shè)計(jì)要求，但該模型在河道治理工程中還未得到相關(guān)應(yīng)用。為提高河道治理工程設(shè)計(jì)指標(biāo)計(jì)算的合理性，結(jié)合水閘治理工程實(shí)際，本文采用非飽和土壓強(qiáng)度模型對(duì)土濕吸力進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合原位觀測(cè)試驗(yàn)對(duì)土濕吸力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，從而對(duì)計(jì)算模型精度進(jìn)行驗(yàn)證。

1 非飽和土壓強(qiáng)度模型

土體表層的濕吸力采用非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算：

式中：PS為表層土體濕吸力計(jì)算值，MPa；σ為法向有效應(yīng)力，MPa；R為計(jì)算土壤顆粒粒徑，mm；θ，φ分別為土壤含水率和飽和含水率，%；ω為土壤張力系數(shù)。

土體宏觀濕吸力的計(jì)算方程：

式中：S為土濕吸力理論計(jì)算值，MPa。

當(dāng)土體含水率達(dá)到飽和時(shí)，土體顆粒間隙容量計(jì)算方程：

式中：V1，V2分別為土體圓柱和圓球體積，mm3；r為土體圓柱底部半徑，mm；h，R分別為土體側(cè)面高度和圓球底部半徑，mm。

土體顆?？紫扼w積V計(jì)算公式：

軟土地基的含水率w采用土體顆?？紫扼w積進(jìn)行計(jì)算：

對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算：

2 土體物理特征指標(biāo)

以遼寧某水閘工程為具體實(shí)例，壤土為該水閘工程施工區(qū)域主要土壤質(zhì)地，其主要物理特征指標(biāo)如表1 所示。對(duì)不同含水率堤防土體采樣后，進(jìn)行恒溫密實(shí)處理，恒溫處理期限一般為10 d，靜置和風(fēng)干2～3 d 后，采用濾紙對(duì)各土體樣本的土壤含水率進(jìn)行對(duì)比測(cè)定。

表1 水閘土體特征值

3 計(jì)算成果

3.1 模型計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

采用非飽和土壓強(qiáng)度模型對(duì)土體的土濕吸力進(jìn)行計(jì)算，并結(jié)合原位觀測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)定值對(duì)模型計(jì)算精度進(jìn)行分析，計(jì)算精度分析結(jié)果如表2 所示。

表2 非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型驗(yàn)證結(jié)果

由表2 可知，不同含水率條件下，非飽和土壓強(qiáng)度模型計(jì)算的土濕吸力和原位觀測(cè)試驗(yàn)下測(cè)定的土體樣本的土濕吸力之間誤差均在±10.00%以內(nèi)，精度在許可的誤差范圍內(nèi)，說(shuō)明模型可用于不同土體初始含水率下水閘穩(wěn)定性指標(biāo)的對(duì)比分析。

3.2 不同初始含水率條件下的土濕吸力計(jì)算

結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度模型計(jì)算不同土體含水率下的土濕吸力，并對(duì)不同含水率對(duì)土濕吸力的影響進(jìn)行分析，結(jié)果如表3 所示。

表3 不同初始含水率θ 條件下土濕吸力計(jì)算值

由表3 可知，同一初始含水率條件下，隨著含水率的遞減，土濕吸力理論計(jì)算值S呈現(xiàn)遞增變化，而土體濕吸力表層計(jì)算值PS呈現(xiàn)逐步遞減變化，這主要因?yàn)樵谙嗤跏己蕳l件下，隨著含水率不斷下降，土體張力系數(shù)逐步減小，使得土濕吸力理論計(jì)算值S 逐步增加，而土體之間的法向有效應(yīng)力受含水率遞減而逐步增加，使得土體濕吸力表層計(jì)算值PS逐步減小。

3.3 不同土濕吸力下的抗剪強(qiáng)度分析

對(duì)觀測(cè)區(qū)域河道堤防土體在不同土濕吸力條件下的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表4 所示。

表4 不同土濕吸力下的抗剪強(qiáng)度分析

由表4 可知，當(dāng)不斷增加水閘土體初始含水率后，通過(guò)非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型得到的土體抗剪強(qiáng)度逐步減弱；隨著土濕吸力的增加，土體顆?？紫兜哪Σ亮υ鰪?qiáng)，使得抗剪強(qiáng)度不斷加大，當(dāng)土濕吸力增加到一定程度后，設(shè)計(jì)水閘的穩(wěn)定性將有所減弱；當(dāng)土濕吸力為13.50 MPa 后，水閘土體抗剪強(qiáng)度增幅逐步趨于穩(wěn)定，其對(duì)應(yīng)的土濕吸力和抗剪強(qiáng)度值可作為水閘設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。

4 結(jié)語(yǔ)

文中構(gòu)建的非飽和土壓強(qiáng)度模型計(jì)算的土濕吸力和原位觀測(cè)試驗(yàn)下測(cè)定的土濕吸力之間的誤差滿足許可精度要求，在進(jìn)行水閘工程設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合非飽和土壓強(qiáng)度計(jì)算模型對(duì)土濕吸力進(jìn)行計(jì)算，從而確定該水閘工程土體失穩(wěn)條件下的抗剪強(qiáng)度，并以此作為工程設(shè)計(jì)重要指標(biāo)，提高水閘穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的合理性。