對粘性土護(hù)坡技術(shù)指標(biāo)控制相關(guān)參數(shù)的研究

余小鵬 劉朝陽 沈金榮

（1.宿遷市水務(wù)勘測設(shè)計研究有限公司，江蘇宿遷 223800；2.泗陽縣水利局，江蘇 宿遷 223700）

1 概述

淮泗河治理工程粘土護(hù)坡范圍分別為泗陽段和淮陰段境內(nèi)，原有河床坡面在1974年經(jīng)過人工修建，采用粘土護(hù)坡、人工夯實而形成。經(jīng)過40多年運行，目前其坡面大部分植被情況良好，河床穩(wěn)定，但因多年運行失修，局部段河床淤積嚴(yán)重。通過本次河道疏浚，可極大地改善河道的行水能力，但由于施工造成部分河坡植被破壞，故使原有粘性土護(hù)坡也受到損壞。根據(jù)實地勘測，損壞后的坡面層為粉質(zhì)砂壤土。參照設(shè)計部門所提供的地質(zhì)報告，地質(zhì)分布大致為：真高12.0 m至8.5 m為重粉質(zhì)砂壤土和粉質(zhì)粘土，真高約8.5 m以下為4-2粘土。其地質(zhì)情況詳見表1。

2 問題的提出及研究

目前，對呈砂性土的河道護(hù)坡方式有多種形式，主要有混凝土護(hù)坡、粘性土護(hù)坡等，粘性土護(hù)坡均采用機(jī)械施工，技術(shù)難度不大，但對如何控制好護(hù)坡的工程質(zhì)量，其控制指標(biāo)參數(shù)為多少才能使效果達(dá)到最佳，尚無定量的數(shù)據(jù)，更無可循的規(guī)范和規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。因此，工程實施后標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的衡定以及檢測手段是否能滿足工程長期運行要求，且工程質(zhì)量如何能達(dá)到或超過1974年人工護(hù)坡，值得探討研究。

本工程需要進(jìn)行河道沿線粘性土護(hù)坡的長度為16.25 km（單片），其中，泗陽縣段4.6 km，淮陰區(qū)段11.65 km。首先，在無具體數(shù)據(jù)、資料參考的情況下，以1974年人工粘性土護(hù)坡作為參照的“標(biāo)本”護(hù)坡實體，通過就地抽取土樣，做土工試驗進(jìn)行剖解，從而獲取相關(guān)的參數(shù)。其次，依據(jù)設(shè)計部門所提供的地質(zhì)報告，純粘土臥層面在真高8.5 m以下，故將這層面土料作為護(hù)坡的“理想層”面土料，取土樣做土工試驗，并用所獲得的數(shù)據(jù)與“標(biāo)本”坡對比。第三，結(jié)合目前河床施工已形成的河床斷面，在坡面上隨機(jī)抽取土料，做同樣的土料試驗。對經(jīng)測試后而形成的3組試驗成果數(shù)據(jù)加以對比、分析，尋找出相互關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，從而形成適用于本工程粘土護(hù)坡的最佳參數(shù)，用于施工過程中的控制，并通過工程的實施，達(dá)到施工質(zhì)量能超過1974年人工護(hù)坡的效果，確保本項目實施后能夠使坡面穩(wěn)定、植被條件相對良好的綜合性效益得到體現(xiàn)。因此，圍繞工程實施過程的質(zhì)量控制來確定相關(guān)參數(shù)，并在施工過程中加以完善和提高，可確保整個工程超過1974年的粘性土護(hù)坡使用效果，也可為今后類似工程積累經(jīng)驗，并提供相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。

表1 地質(zhì)段土層參數(shù)表

3 試驗數(shù)據(jù)的形成

3.1 “標(biāo)本坡”（1974年坡面）的試驗數(shù)據(jù)

在現(xiàn)場對1974年人工形成的粘性土護(hù)坡隨機(jī)進(jìn)行土料采集，采集土料的斷面樁號為K10+000，分別做2.5 kg輕型擊實試驗和4.5 kg重型擊實試驗。在這基礎(chǔ)上，又在此段坡面上隨機(jī)抽取7組土料做環(huán)刀試驗，這樣共形成了3組數(shù)據(jù)結(jié)果，其結(jié)果見圖 1、圖 2、圖 3。

3.2 “理想層”（純粘土層面）試驗數(shù)據(jù)

依據(jù)設(shè)計所提供的地質(zhì)報告，真高8.5 m以下為粘性土層，隨機(jī)在K5+776斷面真高8.5 m以下抽取土料，分別做重型和輕型擊實試驗，最后形成的試驗結(jié)果詳見圖4、圖5。

3.3 “復(fù)合坡面”（改進(jìn)層）試驗數(shù)據(jù)

目前，河床疏浚已經(jīng)完成了4 km的標(biāo)準(zhǔn)斷面，依據(jù)設(shè)計對疏浚河道斷面的要求，原則上要將真高8.5 m以上的淤泥質(zhì)土全部清除、清凈，這部分土質(zhì)流塑性大，液化性指數(shù)高，含水量達(dá)到50%以上，被視為淤泥質(zhì)土，不可以堆放在坡面上。真高8.5 m以下土層為粘性土，在施工過程中，由于需對原河床坡面進(jìn)行拉坡處理，首先是對沿岸樹木進(jìn)行了砍伐，原有坡面上的植被受到破壞，并被清理，從而形成了以砂壤土為主體的“裸坡”，施工單位利用真高8.5 m以下的粘土結(jié)合開挖壟溝拿出的一部分粘土層，經(jīng)過適當(dāng)晾干后，連同“裸坡”中的砂壤土，經(jīng)摻合處理后形成了“復(fù)合坡面”。對這部分土所形成的坡面，是否可以利用？采取何種形式利用？經(jīng)過改造利用后可否達(dá)到70年代粘性土坡面的要求？帶著這些問題，隨機(jī)抽取了土樣，抽取土料的斷面為K8+500，分別作重型和輕型擊實試驗，并得到了相關(guān)的數(shù)據(jù)，其結(jié)果見圖6、圖7。

3.4 幾種土料試驗成果

幾種土料試驗成果見表2。

4 相關(guān)參數(shù)的分析

4.1 土干密度值γ干具體數(shù)據(jù)的比較

土干密度值大小是粘性土護(hù)坡工程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的最重要指標(biāo)。

（1）重型擊實試驗：通過測試而形成的干密度值及排列為：理想層面的土料干密度1.832＞標(biāo)本坡層坡面的干密度1.801＞改造型土料的干密度1.78。

（2）輕型擊實試驗：其干密度值及排列為：理想層面的土料干密度1.671＞樣板層坡面的干密度1.646＞改造型土料的干密度1.64。

圖1 k10+000輕型擊實試驗曲線

圖2 k10+000重型擊實試驗曲線

圖3 環(huán)刀試驗曲線

圖4 k5+776重型擊實試驗曲線

圖5 k5+776輕型擊實試驗曲線

圖6 k8+500輕型擊實試驗曲線

圖7 k8+500重型擊實試驗曲線

表2 幾種土料試驗成果匯總表

（3）7組環(huán)刀試驗：20世紀(jì)70年代護(hù)坡的環(huán)刀試驗主要是在不同斷面上隨機(jī)抽取土料進(jìn)行環(huán)刀測試，其意圖是對“樣板”坡面輕型擊實試驗進(jìn)行校核，因其它2組無實體檢測“物”，也可視為施工間坡面控制質(zhì)量“等代”數(shù)據(jù)控制的一種補充形式。試驗形成的環(huán)刀干密度值在1.64～1.61之間，平均值為1.624。通過3組數(shù)據(jù)比較，干密度值大小排列一致。因而，認(rèn)為“理想層”土料是較佳的粘性土護(hù)坡的土源，而其它用于護(hù)坡的土料低于“理想層”的土料質(zhì)量。

4.2 最優(yōu)含水量（γw）數(shù)據(jù)的比較。

土料最佳含水量的大小反映了土料壓縮模量系數(shù)的大小，其最佳含水量越大，壓縮模量系數(shù)越大，土料的最佳含水量越大，所形成的含水量跨度也越大，不僅有利于施工過程壓實效果的控制，也可節(jié)約工程生產(chǎn)成本。

（1）重型擊實試驗：“理想層”面土料最優(yōu)含水量為17.7%，“標(biāo)本坡”面土料最優(yōu)含水量為16.9%，“改造層”面土料最優(yōu)含水量為17.2%，反映了3組土料含水的飽溶度基本接近，3組土料的最優(yōu)含水量平均值為17.27%。

（2）輕型擊實試驗：“理想層”面土料最優(yōu)含水量為18.6%，“標(biāo)本坡”面土料最優(yōu)含水量為18.4%，“改造層”面土料最優(yōu)含水量為16.4%。整個土料最優(yōu)含水量平均值為17.8%，理想層面的土料飽溶度要大于標(biāo)本坡和改造型坡，而改造坡面土料含水量即含水的飽溶度低于其它2組的土料飽溶度。也說明純粘土層面最佳含水量大于其它2組含水量，只要對復(fù)合土料進(jìn)行有效的粘土配置，不僅有利于改變坡體結(jié)構(gòu)形式，且有利于提高坡體的穩(wěn)定性和安全性，更有利于使用效果在耐久性上得到體現(xiàn)。

4.3 具體分析

（1）理想型粘性土護(hù)坡滿足的條件分析

一個較理想的粘性土坡護(hù)體，若能夠充分滿足使用條件、耐久性，必須要滿足三個方面條件：土料級配、土料最適宜含水量、壓實效果。從3組土料通過試驗所獲得的數(shù)據(jù)看，后兩個條件都可看作是人為控制的必須條件，也是可控的，而前者由天然地質(zhì)條件決定。因此，應(yīng)在土料級配上加以重視，依據(jù)目前的土質(zhì)，土料級配分別為：真高8.5 m以下的粘土以及真高8.5 m以上的砂壤土和粉質(zhì)粘土。土料內(nèi)摩擦角φ值中，砂壤土（φ=21°）大于粘性土（φ=19°），更大于粉質(zhì)粘土（φ=4°），砂壤土的土料內(nèi)在結(jié)構(gòu)形式要好于粘性土。但是，砂壤土粘聚力c值偏?。ㄉ叭劳羉=6，粘性土c=32），而本工程護(hù)體在外力作用下（人力、雨水沖刷等）形成的護(hù)體不穩(wěn)定，因而在土料級配上，應(yīng)考慮摻入一定數(shù)量的純粘土，以增強(qiáng)粘聚力（c值的增大），同時土料內(nèi)摩擦角也可得到提高，使其級配能達(dá)到最佳，優(yōu)于單純土料的結(jié)構(gòu)形式，則不僅有利于改善坡體結(jié)構(gòu)，更有利于增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性和耐久性。

（2）施工效果分析

“理想層”的土料為純粘土，其作為坡面的最佳護(hù)坡土料，與砂壤土有效配置后，不僅能使土料的φ、c值提高，且因目前施工機(jī)械化程度較高，壓實的效果更佳，最后工程達(dá)到的整體效果將肯定好于1974年的“標(biāo)本坡”面。

（3）壓實度數(shù)據(jù)分析

①對壓實度成果分析的思路是，以“標(biāo)本坡”作為成功的實體，研究其歷經(jīng)40多年運行所具備的較強(qiáng)耐久性。主要的研究方法是對實體進(jìn)行剖解，不僅要了解土料的結(jié)構(gòu)，更要了解其壓實度。壓實度數(shù)值的確定，將直接影響到本工程的施工效果，若以3種土料形成的重型擊實試驗的成果作為最大干密度值、輕型擊實試驗干密度值為下限值的條件成立，則可以利用已試驗成果數(shù)據(jù)，對實體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。因此，將標(biāo)本坡輕型擊實值與環(huán)刀值相比較，再通過加權(quán)平均形式可尋求出換算系數(shù)。

②壓實度下限值換算系數(shù)的推求。實體取樣的7組環(huán)刀試驗成果分別為 2 組 1.64、2 組 1.62、2 組 1.61、1組1.63，平均值為1.624，而輕型擊實試驗成果為1.646，與環(huán)刀試驗平均值之間的值差為0.0222，產(chǎn)生的差值較小?？紤]到做擊實試驗為垂直受力，而實際施工是在斜面上進(jìn)行的，故產(chǎn)生的差值和效果與試驗存有誤差；再因受工地條件有限，加之烘干條件不能同實驗室相比，所以兩種試驗主要是實驗手法上存在差別，在掌握烘干時間和衡量的精度上兩者不盡相同，因而產(chǎn)生了偏差。故應(yīng)對輕型擊實試驗成果進(jìn)行換算系數(shù)α修正后，再用于以其它2組試驗成果推求壓實度相對較合理。則：

③幾種土料壓實度值推算。通過換算，3組土料壓實度值應(yīng)為：標(biāo)本坡1.646×0.99/1.801=0.905，理想坡為1.67×0.99/1.832=0.902， 復(fù) 合 土 料1.64×0.99/1.78=0.912。

④復(fù)合土料壓實度值推算。以上分析充分說明了復(fù)合型土料是可用的，其自身壓實度值較高的主要原因是干密度值偏低，故應(yīng)對復(fù)合土料配比加以控制，以提高坡面壓實度，這樣才能確保干密度增大，最后形成的護(hù)坡效果不會低于1974年的“標(biāo)本坡”面。其原因：經(jīng)過對復(fù)合土料改良后，假設(shè)采用砂壤土∶粘土=1∶1配比，其壓實度計算：a.取粘土與砂壤土輕型擊實值的平均值×修正系數(shù)=n；b.粘土與砂壤土重型擊實值的平均值

⑤若3種土料統(tǒng)一以標(biāo)本坡面所做的實體環(huán)刀值作為下限值，上限值以土料重型擊實試驗成果來推算，壓實度分別為：標(biāo)本坡0.902；理想層面土料0.886；改造層面土料0.912（土料未改造前，若改造后應(yīng)為

⑥依據(jù)以上分析，我們認(rèn)為壓實度采用0.9較為合適，可以涵蓋工程中3種土料的施工質(zhì)量情況，尤其對復(fù)合土料使用較為有利。幾種土料壓實度對比值詳見表3。

（4）土料中c值分析

雖然未對具體的土料結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行試驗，但在數(shù)據(jù)分析中，通過對干密度與最優(yōu)含水量的分析，并參考工程設(shè)計，依據(jù)地質(zhì)報告，可以認(rèn)為，“理想層”的土料通過設(shè)計所確定的土料的類別為粘土，粘聚力c=68、粉質(zhì)粘土c=32、砂壤土c=6；1974年“標(biāo)本坡”面的土料，其干密度值以及含水量均低于“理想坡”面土料的試驗結(jié)果，反映了人工夯實的不足（壓實度偏低），也反映了當(dāng)時的施工水平有限。根據(jù)河床斷面，原有地面高程在真高13.0 m，河床的開挖為真高8.5 m，其高差為4.5 m，采用人挖肩扛的施工方法，造成了工程施工的局限性。另依據(jù)地質(zhì)報告，純粘土臥層為真高8.5 m以下，而真高8.5 m以上的土質(zhì)為粉質(zhì)粘土，說明1974年施工時，人工開挖未開挖至真高8.5 m（純粘土層），其利用的土料應(yīng)是在砂壤土與粉質(zhì)粘土交層面取土，故形成兩種土料的摻合，而其所形成的復(fù)合土料因級配好于單純土料，也使土料在φ、c之間得到互補。根據(jù)《土力學(xué)》對河床穩(wěn)定條件要求，φ＞β（φ—土內(nèi)摩擦角，β—坡內(nèi)角），才能確保河床整體的穩(wěn)定。根據(jù)分析，并結(jié)合河床的實際情況，老河床坡比為1∶3，坡內(nèi)角β=5.8°，通過復(fù)合土料的改造，φ≥17°，其安全系數(shù)為2.93，這也是造就原河床穩(wěn)定性的重要條件之一。因此，“標(biāo)本坡”所采用的復(fù)合土料c≤32，φ≥17°，可以認(rèn)為，1974 年粘性土護(hù)坡為兩種土料的復(fù)合體。

表3 幾種土料類似標(biāo)本坡效果所需壓實度成果匯總表

（5）復(fù)合型土料

復(fù)合型土料所形成的改造型坡面，其土料的含水量和干密度值均接近和相似于理想坡面的土料，含水飽溶度也相近，則由于粘聚力c值不盡相同，其值偏小，最后形成的干密度值均小于其它2組值。壓實度可通過人為控制達(dá)到，土料的粘性土摻合比例需要確定適宜的配比，這樣才能超過1974年標(biāo)本坡面的質(zhì)量水準(zhǔn)，故粘性土坡面土料應(yīng)在真高8.5 m以下獲取。

（6）復(fù)合型坡體土料的配置

通過分析，復(fù)合型坡體粘聚力應(yīng)≥32，才能與1974年坡體的結(jié)構(gòu)形式和質(zhì)量相適應(yīng)。因此，要求在土源取用上，一定要在真高8.5 m以下獲取一定數(shù)量的土源，再與砂壤土進(jìn)行配置，其粘聚力值為c=37＞32，則配比為粘土∶砂壤土=1∶1，土料內(nèi)摩擦角 φ=20°＞17°。這些基本參數(shù)的提高，將使護(hù)體在保持河床穩(wěn)定以及內(nèi)在結(jié)構(gòu)方面都會大大超過1974年護(hù)體水準(zhǔn)。

5 施工工藝

（1）粘土坡設(shè)計。為滿足設(shè)計的要求，應(yīng)在護(hù)坡所在地依據(jù)土源的情況，采用因地制宜的方法，取土料做粘性土護(hù)坡，尤其要根據(jù)2個標(biāo)段的斷面情況，結(jié)合開挖槽口在真高6.5 m至8.5 m處取得的一定量的粘土，將土料分別培厚在坡面上，其形式如圖8。

圖8 工程斷面圖

（2）粘土坡面厚度確定。依據(jù)對20世紀(jì)70年代粘土坡面的開挖剖析，坡面厚度一般在30 cm左右，由于當(dāng)時河道坡面施工為人工夯實而成，故厚度較淺，目前施工方式發(fā)生了改變，均為機(jī)械化施工，故建議厚度取50 cm，分2次成型。

（3）碾壓機(jī)具及遍數(shù)控制。采用挖掘機(jī)或推土機(jī)履帶行走進(jìn)行套壓，其遍數(shù)可采用“小區(qū)碾壓試驗”確定，即通過將每遍取得的含水量—干密度值形成的曲線與V=1.63進(jìn)行比較，選擇最經(jīng)濟(jì)、效果最佳的曲線來確定遍數(shù)和施工方法。小區(qū)試驗取得成果后，再全線進(jìn)行推廣運用。

（4）壟溝的回填。對坡面粘土取出后而形成的壟溝應(yīng)進(jìn)行回填，以確保河床整體的穩(wěn)定，尤其確保河道運行期的安全，建議以砂壤土與4-1層面的復(fù)合土進(jìn)行回填。

6 結(jié)論

6.1 施工質(zhì)量

根據(jù)采取土樣進(jìn)行擊實試驗以及環(huán)刀試驗所形成的報告，以及對相關(guān)參數(shù)的分析，證明20世紀(jì)70年代采用人工夯實粘土護(hù)坡，保證了河道護(hù)坡的穩(wěn)定，達(dá)到了一定的水準(zhǔn)和效果，并較好地運行了40多年。目前施工條件比40年前有了較大的改變，尤其施工的機(jī)械化程度較高，只要按照確定的方案取土、分坯碾壓，其工程的質(zhì)量和最后形成的效果一定會超過20世紀(jì)70年代的水平。

6.2 幾個參數(shù)的分析與確定

①結(jié)合目前所取的土料，若對復(fù)合型土料進(jìn)行改造，其粘土∶砂壤土應(yīng)不低于3∶1，經(jīng)過配合使土料c值提高，其護(hù)坡效果可超過20世紀(jì)70年代坡體面所采用的土料；

②本項目壓實度建議統(tǒng)一采用0.9，可以涵蓋整個土料的壓實效果情形，均超過20世紀(jì)70年代的施工水平和效果；

③干密度控制值γ干=1.64，最優(yōu)含水量W在16.4%～18.5%范圍內(nèi)；

④護(hù)體土料綜合指數(shù)中，粘土料粘聚力c=37，土內(nèi)摩擦角φ=20°。

通過在工程實踐中不斷積累經(jīng)驗，在施工過程中對土料的相關(guān)參數(shù)加以完善，可更好地提高工程的質(zhì)量。本次工程土料基本參數(shù)的確定，均超過了1974年護(hù)體指數(shù)。筆者以上論述和具體工程實施，為今后類似工程的建設(shè)提供了經(jīng)驗。