基于原位測試方法的河道綜合治理堤防承載能力評價試驗(yàn)研究

孫 晶

（鐵嶺市水利工程規(guī)劃設(shè)計技術(shù)審核中心，遼寧鐵嶺118000）

基于原位測試方法的河道綜合治理堤防承載能力評價試驗(yàn)研究

孫 晶

（鐵嶺市水利工程規(guī)劃設(shè)計技術(shù)審核中心，遼寧鐵嶺118000）

本文以遼寧東部某河道整治工程為研究實(shí)例，結(jié)合原位試驗(yàn)觀測方式對河道堤防承載能力進(jìn)行評價，并分析原位觀測試驗(yàn)方式在河道堤防承載能力評價分析的優(yōu)缺點(diǎn)和注意事項。研究結(jié)果表明：原位測試可結(jié)合多個試驗(yàn)指標(biāo)對河道堤防天然狀況下的地質(zhì)承載能力進(jìn)行全面評價，彌補(bǔ)室內(nèi)試驗(yàn)測試的不足；經(jīng)試驗(yàn)評價研究河道堤防的滲透系數(shù)在5.1×103-8.5×103cm/s之間，土層的壓縮系數(shù)均值可達(dá)到0.042MP2，抗剪切內(nèi)摩擦角均值達(dá)到52°，研究河道堤防的抗載負(fù)荷為450kPa，滿足工程設(shè)計規(guī)范。研究成果可以為河道綜合治理堤防設(shè)計地質(zhì)承載能力分析提高參考價值。

原位測試方法；堤防承載能力；多試驗(yàn)指標(biāo)；遼東河道

河道綜合治理設(shè)計中，堤防設(shè)計是重中之重，河道堤防設(shè)計中，對河道堤防的地質(zhì)分析尤為關(guān)鍵，在河道地質(zhì)分析中需要對堤防的承載能力進(jìn)行分析，傳統(tǒng)的河道提防承載能力分析大都采用室內(nèi)試驗(yàn)的方式［1-5］，對河道堤段的土層的進(jìn)行抽樣，在試驗(yàn)室對抽樣的土層進(jìn)行承載能力試驗(yàn)指標(biāo)的評價，但是傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗(yàn)方式不能對河段堤防進(jìn)行全面評價，不能完全真實(shí)的反映天然河道的真實(shí)情況，在進(jìn)行河道堤防承載能力評價中存在一定的局限。原位測試方法開始起源于地質(zhì)勘測的領(lǐng)域，通過在勘測設(shè)計的原區(qū)域，直接進(jìn)行多項指標(biāo)的檢驗(yàn)，從而對地層的天然狀態(tài)的承載能力進(jìn)行試驗(yàn)。當(dāng)前，原位觀測方式也逐步在河道治理地質(zhì)分析中得到逐步應(yīng)用，并取得一定的研究成果［6-10］，但在河道堤防承載能力試驗(yàn)中應(yīng)用還較少，為此本文結(jié)合原位觀測的方式，以遼寧東部某河流為研究工程實(shí)例，對河道綜合治理堤防承載能力分析進(jìn)行多指標(biāo)的試驗(yàn)，結(jié)合原位測試試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對河道堤防的承載能力進(jìn)行綜合評價。研究成果可為河道綜合治理堤防設(shè)計地質(zhì)承載能力分析提高參考價值。

1 原位測試方法主要原理

原位測試為在工程設(shè)計現(xiàn)場，在對勘測地段土層不進(jìn)行擾動情況下對土層的各個指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析，以獲取測試土層不同物理指標(biāo)的一種勘測試驗(yàn)技術(shù)，原位測試假設(shè)進(jìn)行試驗(yàn)的地層表面在地表荷載作用下，由于地表荷載引起應(yīng)力采用彈性力學(xué)試驗(yàn)的原理進(jìn)行求解各種試驗(yàn)指標(biāo)，在河道堤防承載能力試驗(yàn)中主要采用試驗(yàn)為靜力荷載試驗(yàn)、土層的剪切試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、土層固結(jié)試驗(yàn)以及土層的相對密度試驗(yàn)，結(jié)合各個試驗(yàn)指標(biāo)對河道提防的承載能力進(jìn)行綜合的評價分析。原位測試試驗(yàn)的主要原理為。

當(dāng)勘測試驗(yàn)土層的垂向進(jìn)行荷載P試驗(yàn)，在試驗(yàn)中主要采用垂直擊打的方式，設(shè)定土層垂向擊打坐標(biāo)原點(diǎn)o，河道堤防土層中任何一點(diǎn)N（r，θ，z）離開原點(diǎn)坐標(biāo)的直線距離為R，直線距離R和點(diǎn)N的垂向指標(biāo)的夾角為β，可以推求任何一個θ的應(yīng)力轉(zhuǎn)臺，計算公式為：

式中，k表示地層應(yīng)力系數(shù)，可通過查表獲取不同土層指標(biāo)的應(yīng)力系數(shù)。

進(jìn)行土層荷載沉降分析時，原位觀測方式很難應(yīng)用函數(shù)表達(dá)式進(jìn)行計算，一般采用公式擬合的方式進(jìn)行擬合求解，假設(shè)河道堤防的層應(yīng)力為反向力分布函數(shù)，該反向力分布的函數(shù)對河道堤防土層作用與土層靜力荷載一直，計算荷載沉降實(shí)驗(yàn)的擬合公式為：

式中，P為沉降實(shí)驗(yàn)的負(fù)荷承載力，x為垂直抨擊的距離。

在上述計算方程中，可以推算得到不同土層應(yīng)力承載能力，得到土層應(yīng)力抨擊下的土層沉降得情況，兩者之間存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系式。

對于土層圓形剖面，其關(guān)系式方程為：

式中，ν為泊松系數(shù)，E為設(shè)計堤防土層的變形量，D表示原型剖面的直徑，B表示壓板形剖面的寬度。結(jié)合上述公式可以計算原位測試剖面的變形模量，泊松系數(shù)可以采用計算規(guī)范手冊的建議值。

在進(jìn)行河道堤防承載能力，結(jié)合多種試驗(yàn)指標(biāo)對河道堤防土層的承載能力進(jìn)行綜合評價分析計算，土層的承載能力特征值計算方程為：

式中，fspk表示河道堤防綜合承載能力評價值，fpk表示為剖面土層單位面積下的承載能力特征值，fsk表示為河道堤防不同試驗(yàn)指標(biāo)下的評價值。

對于土層壓板形剖面，其關(guān)系式方程為：

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

本文以遼寧東部某河道工程為例，該工程河段河底為素填土和卵石組成，河段順直段較長，岸壁為土質(zhì)岸壁、山巖等，河岸部分段落長有雜草或低矮灌木。設(shè)計河道堤防剖面圖見圖1。

2.2 試驗(yàn)堤段物理指標(biāo)分析

采用原位測試方法，對設(shè)計勘測區(qū)域進(jìn)行抨擊試驗(yàn)，抨擊試驗(yàn)的參數(shù)取值見表1，并對原位測試區(qū)域的不同土層進(jìn)行物理試驗(yàn)指標(biāo)的檢驗(yàn)，各土層物理試驗(yàn)指標(biāo)值見表2。

表1為原位測試抨擊試驗(yàn)的參數(shù)指標(biāo)值，從表中看出，本次對不同土層的抨擊試驗(yàn)的次數(shù)在35次到41次之間，均符合原位測試方法抨擊試驗(yàn)次數(shù)的要求（要求30次以上），其不同試驗(yàn)次數(shù)之間的變異系數(shù)值在0.19～0.22之間，建議選取的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)值分別為8和13。表2為不同土層的物理指標(biāo)分析值，從不同土層的物理分析指標(biāo)可以看出，在設(shè)計河道堤防堤身土層其測定的含水量在4.4%～7%之間，屬于含水量較低的區(qū)域，該土層的平均含水率可以達(dá)到6.3%，為此在河道堤防設(shè)計中對河道堤身處土層的含水率取其平均值為6.3%，而在砂礫土層其含水量達(dá)到4.2%～8.6%之間，高于堤身處土層的含水率。通過濕度和密度指標(biāo)分析，在堤身處和砂礫土層處土層濕密度最大值均可達(dá)到2.10g/m3，兩處土層的干密度建議取值為1.82g/m3和1.92g/m3，經(jīng)過對不同土層的滲透試驗(yàn)分析，在河道設(shè)計堤防堤身處其滲透系數(shù)在5.1×103-6.4×103之間，而在砂礫土層其滲透系數(shù)在5.8×103-8.5× 103之間，滲透系數(shù)指標(biāo)的分析表面設(shè)計河道堤防處的滲透系數(shù)較低。

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)分析值

在河道堤防設(shè)計處抨擊試驗(yàn)下不同土層物理指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，對設(shè)計勘測區(qū)域進(jìn)行選樣，對選取的土層選樣進(jìn)行應(yīng)力和沉降分析試驗(yàn)，試驗(yàn)分析結(jié)果見表3、表4以及圖2。

圖1 設(shè)計河道堤防剖面圖

表1 抨擊試驗(yàn)下的參數(shù)指標(biāo)值

表2 不同土層物理試驗(yàn)指標(biāo)值

表3 剪力應(yīng)力試驗(yàn)成果統(tǒng)計表

表4 沉降試驗(yàn)成果統(tǒng)計表

圖2 各試驗(yàn)編號土層剪切和沉降壓縮試驗(yàn)

表3為不同試驗(yàn)堤防段的剪切應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果，從表3中可以看出，在100Kpa壓力下其不同試驗(yàn)段下剪切應(yīng)力值在138.1～180Kpa之間，增加100Kpa壓力后，各個試驗(yàn)段剪切應(yīng)力值均高于100Kpa壓力下，在291.0～326.2Kpa之間，而在300Kpa壓力下不同試驗(yàn)段剪切壓力值也逐漸增加，當(dāng)剖面壓力達(dá)到400Kpa下其不同試驗(yàn)段剪切壓力值達(dá)到510.1～636.5Kpa之間，在不同靜載壓力下不同試驗(yàn)段的內(nèi)摩擦角達(dá)到50.5～53°之間，各個試驗(yàn)段在不同壓力下的剪切應(yīng)力值變化也隨圖2（a）所示，隨著剖面壓力的不斷增加，各個試驗(yàn)段的剪切壓力也逐漸增加。表4為不同試驗(yàn)段的沉降試驗(yàn)結(jié)果，從表中可以看出，在無靜載壓力符合下，其土層孔隙比在0.3679～0.3968之間，而隨著剖面靜載壓力的增加，各個試驗(yàn)段河道堤防土層的孔隙比逐漸減小，正如圖2（b）所示，各個試驗(yàn)段土層的沉降孔隙比逐漸增加隨著剖面靜載壓力的加大而減小，當(dāng)剖面靜載壓力達(dá)到400Kp時，其土層的孔隙比在0.3419～0.3791之間，剖面壓力的增加，可減少土層沉降的孔隙比。

2.4 河道設(shè)計堤防承載能力綜合評價

結(jié)合原位觀測方式靜載應(yīng)力、沉降試驗(yàn)以及設(shè)計河道堤防土層的物理指標(biāo)計算了河道堤防承載能力，計算結(jié)果見表5。

表5 不同試驗(yàn)段河道堤防承載能力綜合評價結(jié)果

表5為河道堤防不同試驗(yàn)段承載能力綜合評價結(jié)果，從表中可以看出1#試驗(yàn)段當(dāng)其荷載增加到450Kpa后，其試驗(yàn)點(diǎn)的沉降值將達(dá)到最大值為45.31mm，其在不同荷載壓力下沉降值在0～45.31mm之間，而從1#試驗(yàn)段到6#試驗(yàn)段，在不同靜載負(fù)荷壓力下，其試驗(yàn)點(diǎn)的沉降值也逐漸加大，在河道堤防設(shè)計中應(yīng)加大對4#～6#試驗(yàn)段河道堤防的穩(wěn)定性，從表中還可以看出在同一個試驗(yàn)點(diǎn)，隨著試驗(yàn)點(diǎn)的靜載負(fù)荷加大，其沉降值也呈現(xiàn)逐漸增加的變化，這主要是因?yàn)殡S著試驗(yàn)點(diǎn)靜載負(fù)荷的加大，其剖面受到的剪切壓力也逐漸加大，而結(jié)合前面的孔隙比試驗(yàn)分析結(jié)果可以看出，隨著試驗(yàn)段剖面靜載負(fù)荷的較大，其土層的孔隙比逐漸較小，當(dāng)土層孔隙比逐漸減小，而剖面受到的剪切應(yīng)力增加，使得同一個試驗(yàn)點(diǎn)隨著靜載負(fù)荷的增加而相應(yīng)增加。

2.5 原位測試方法優(yōu)缺點(diǎn)及試驗(yàn)注意事項

本文結(jié)合原位測試實(shí)例應(yīng)用對原位測試方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及試驗(yàn)注意事項進(jìn)行了表述，其中原位測試方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以不影響土樣擾動的各項物理指標(biāo)，可以對勘測區(qū)域的土層進(jìn)行原樣監(jiān)測，具有較好的代表性，其缺點(diǎn)在于需要耗費(fèi)大量的人力和物力，在大型河道整治工程中，應(yīng)加強(qiáng)原位觀測試驗(yàn)對河道堤防進(jìn)行承載能力分析。

此外在進(jìn)行原位觀測試驗(yàn)時，需注意以下幾個事項。

（1）原位測試可以包含不同的試驗(yàn)項目，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際土層情況和工程設(shè)計情況要素確定需要進(jìn)行試驗(yàn)的指標(biāo)，而不應(yīng)遵循同一組試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行測試。

（2）在進(jìn)行大型河道堤防承載能力原位測試時，還應(yīng)加入土層的殘余強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行分析。

（3）在進(jìn)行河道堤防試驗(yàn)承載能力選值時，應(yīng)結(jié)合土層靜載壓力與沉降時間之間的關(guān)系或者地區(qū)經(jīng)驗(yàn)壓力值進(jìn)行合理選取。

（4）在河道堤防勘測區(qū)域進(jìn)行土層動力學(xué)指標(biāo)測試時，不同土層測試距離宜控制在1～1.5m之間，并結(jié)合孔斜測量方式對復(fù)雜土層進(jìn)行跨孔取樣。

3 結(jié)語

本文結(jié)合原位測試的方法，以遼寧東部某河道整治工程為實(shí)例，對河道堤防承載能力進(jìn)行綜合評價試驗(yàn)，研究取得以下結(jié)論。

（1）原位觀測方式可在不擾動土樣的情況，可對工程實(shí)例河道堤防承載力進(jìn)行綜合評價，可解決室內(nèi)試驗(yàn)選樣和指標(biāo)不全的局限，具有全面性，但是原位觀測方式耗費(fèi)的人力和物力要高于室內(nèi)試驗(yàn)，建議在大型河道堤防設(shè)計中多加采用。

（2）原位觀測方式可進(jìn)行多個指標(biāo)的試驗(yàn)，在河道綜合治理設(shè)計中其他指標(biāo)的分析和設(shè)計中也進(jìn)行試驗(yàn)觀測。

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1008-1305（2017）01-0007-04

DO I:10.3969/j.issn.1008-1305.2017.01.003

2016-11-03

孫 晶（1981年—），女，工程師。