黑龍江干流堤防砂性土物理特性試驗(yàn)分析

韓 雷,史長(zhǎng)瑩,張寶磊

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080; 3.黑龍江省水利水電集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080)

黑龍江干流堤防砂性土物理特性試驗(yàn)分析

韓 雷1,史長(zhǎng)瑩2,張寶磊3

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080; 3.黑龍江省水利水電集團(tuán)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150080)

闡述了砂性土堤防的破壞因素和基本物理指標(biāo)的重要作用，實(shí)地調(diào)研了黑龍江干流砂性土堤防的分布情況，通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量了黑龍江干流堤防填筑料的成分和基本物理特性指標(biāo)，分析了黑河和八岔兩處堤段砂土試樣的顆粒粒徑分布和在工程上表現(xiàn)出的力學(xué)特性。試驗(yàn)表明：對(duì)工程而言級(jí)配均勻的土產(chǎn)生的孔隙較多，滲透性良好，分布曲線較陡且分布狹窄，不易壓實(shí)，工程完工后沉降較為明顯對(duì)工程質(zhì)量影響較大。

黑龍江干流；堤防；砂性土；物理特性

1 概 述

目前國(guó)內(nèi)對(duì)江河堤防以及水庫(kù)邊坡高水位時(shí)的滲透特性研究較多，研究基礎(chǔ)也主要以黏性土為研究對(duì)象，隨著國(guó)內(nèi)重要水利工程的建設(shè)，國(guó)內(nèi)學(xué)者已經(jīng)得出一套相對(duì)完善的理論和試驗(yàn)方法。對(duì)于黑龍江干流堤防工程來說，其堤身填筑主要以砂性土為主，如圖1所示，針對(duì)砂性土堤防汛期高水位時(shí)的物理特性變化研究較少，同時(shí)砂性土堤防工程與其他土建工程相比，在勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、運(yùn)營(yíng)管理等方面都具有較強(qiáng)的不確定性，致使目前仍然存在理論研究落后于工程實(shí)際的情況，在現(xiàn)場(chǎng)施工管理過程中往往憑借工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏完備系統(tǒng)的科學(xué)依據(jù)作為指導(dǎo)，因此合理可靠的研究手段得出的經(jīng)驗(yàn)公式或結(jié)論不僅能為實(shí)際工程提供實(shí)用安全的方案，還可以為砂性土堤防科研領(lǐng)域提供有力的參考依據(jù)，針對(duì)砂性土的滲透性和穩(wěn)定性分析方法的研究頗具理論和現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 黑龍江干流堤防黑河市堤段填筑實(shí)物圖

黑龍江干流堤防多為20 a一遇的防洪標(biāo)準(zhǔn)[1]，防洪標(biāo)準(zhǔn)較低，在汛期高水位時(shí)存在一些安全隱患，容易形成管涌、滲水、崩岸、漏洞、散浸等險(xiǎn)情，分析這些險(xiǎn)情的破壞機(jī)理時(shí)應(yīng)從基本的物理特性著手研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者張宜健[2]研究了砂性土粒徑與滲透特性的關(guān)系，粒徑的大小直接影響孔隙率，不同粒徑級(jí)配下孔隙率越大，滲透性也隨之增大且二者之間線性相關(guān)度較高，并結(jié)合砂性土單一粒徑和混和粒徑預(yù)測(cè)滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式。周曉杰[3]對(duì)細(xì)砂進(jìn)行了大量的物理特性的試驗(yàn)研究，在此基礎(chǔ)上提出管涌-滲流耦合的滲透變形發(fā)展體系，給出堤防破壞通道內(nèi)顆粒運(yùn)動(dòng)的臨界水流流速計(jì)算式，并運(yùn)用無單元法數(shù)值模擬驗(yàn)證了公式的有效性。堤防一旦發(fā)生破壞時(shí)，無論分析其破壞機(jī)理，還是改善方法都需運(yùn)用到基本物理特性方面的指標(biāo)，文章主要針對(duì)黑河段砂性土堤防通過室內(nèi)試驗(yàn)分析其基本物理特性。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

通過實(shí)地調(diào)研施工現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)情況，最終確定兩處代表性較強(qiáng)堤段，分別為黑河市上馬場(chǎng)鄉(xiāng)樁號(hào)3+200處記為1號(hào)土樣和撫遠(yuǎn)縣八岔赫哲族鄉(xiāng)樁號(hào)4+300處記為2號(hào)土樣，為保證所取試樣具有足夠強(qiáng)的代表性，沿堤防橫斷面不同位置取土，用PVC管運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。室內(nèi)試驗(yàn)主要進(jìn)行密度試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、比重試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)方法

試樣的含水率按式(1)計(jì)算。

ω=(m/md-1)×100

(1)

式中：ω為含水率，%；m為濕土質(zhì)量，g；md為干土質(zhì)量，g。

試樣的干密度按式(2)計(jì)算。

(2)

式中：ρd為干密度，g/cm3；ρ為濕密度，g/cm3。

試樣的比重按式(3)計(jì)算。

(3)

式中：Gs為土粒比重；md為干土質(zhì)量，g；m1為瓶、水總質(zhì)量，g；m2為瓶、水、土總質(zhì)量，g；Gw t為t℃時(shí)純水的比重(可查物理手冊(cè))，精確至0.001。

試樣的飽和含水率按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：ωsat為飽和含水率，%；ρw為水的密度，g/cm3。

以上試驗(yàn)依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237-1999)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行[4]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 基本物理試驗(yàn)

干密度和含水率是最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，依照現(xiàn)場(chǎng)施工標(biāo)準(zhǔn)，含水率和干密度在施工現(xiàn)場(chǎng)利用核磁密度儀測(cè)得，如圖2所示。黑河堤防施工現(xiàn)場(chǎng)鋪土厚度要求55 cm，振動(dòng)碾(20 t)碾壓6遍，控制干密度為1.80 g/cm3，含水率7.0%～7.8%，八岔堤段鋪土厚度要求50 cm，碾壓6遍，控制干密度為1.83 g/cm3，含水率8.5%～9.1%。相對(duì)傳統(tǒng)灌砂法、環(huán)刀法等，該方法攜帶方便、操作簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高，所測(cè)試樣參數(shù)均為多點(diǎn)平均值，代表性強(qiáng)。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)含水率和干密度測(cè)量

試驗(yàn)所測(cè)比重為土粒質(zhì)量與同體積純蒸餾水在4 ℃時(shí)的質(zhì)量之比[5]。八岔土樣比重為2.68，黑河堤段土樣比重為2.69。圖3為使用液塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)量黑河試樣的液限和塑限WL=25.62%，WP=7.29%。

圖3 黑河砂土圓錐下沉深度與含水率關(guān)系圖

八岔試樣測(cè)得含水率與圓錐下沉深度值如表1所示。含水率與圓錐下沉深度不存在線性關(guān)系，分析其原因主要有撫遠(yuǎn)縣八岔堤段靠近黑龍江和松花江交匯處，水流對(duì)岸堤的沖擊較大，形成的土質(zhì)砂化較嚴(yán)重，內(nèi)部存在假塑性；另一原因可能是非飽和砂性土中存在水-汽交界面，產(chǎn)生負(fù)的基質(zhì)吸力，根據(jù)有效應(yīng)力原理將產(chǎn)生一個(gè)正的有效應(yīng)力抵抗剪切變形，當(dāng)含水量達(dá)到飽和含水率時(shí)基質(zhì)吸力為零，此時(shí)砂土不再具有抵抗變形的能力。測(cè)量的液塑限值不能代表真實(shí)指標(biāo)。

表1 八岔堤段砂性土樣液塑限數(shù)據(jù)

圖4為使用重型電動(dòng)擊實(shí)儀(擊錘4.5 kg 落高457 cm)測(cè)量最優(yōu)含水率和干密度，分五層擊實(shí)法，每層土料的質(zhì)量1100 g左右，每層56擊。黑河砂土最大干密度為1.898 g/cm3，最優(yōu)含水率為12.51%。八岔砂土的最大干密度為1.84 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.1%。

圖4 擊實(shí)曲線和飽和曲線圖

3.2 顆粒分析試驗(yàn)

圖5和圖6試驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線形式，更加直觀表示了黑河土樣和八岔土樣的顆粒分布情況，八岔土樣粒徑2 mm以上基本沒有，主要集中在0.1～0.5 mm之間，其中含量最多粒徑為0.24 mm占7.63%，不均勻系數(shù)6.78，曲率系數(shù)2.16 ，顆粒分布均勻，屬于低液限級(jí)配不良的砂，粒徑小于0.075 mm的土顆粒占19.94%≥10%屬于凍脹性土，對(duì)工程而言級(jí)配均勻的土產(chǎn)生的孔隙較多，滲透性良好，分布曲線較陡且分布狹窄，不易壓實(shí)，工程完工后沉降較為明顯對(duì)工程質(zhì)量影響較大。黑河土樣粒徑主要集中在0.01～1 mm之間，顆粒成雙峰分布，含量最多是0.59 mm粒徑占3.77%，其次是0.05 mm占2.57%。不均勻系數(shù)24.28，曲率系數(shù)1.6，為低液限級(jí)配良好的砂，粒徑小于0.075 mm的土顆粒占31.34%≥10%屬于凍脹性土，曲線較平緩且分布較廣，易于壓實(shí)，細(xì)顆粒填充于粗顆粒形成的孔隙中，容易得到較高的干密度和較好的力學(xué)特性。

圖5 土樣的質(zhì)量百分含量

圖6 土樣的質(zhì)量累積百分含量

4 結(jié) 論

(1)討論了黑龍江干流堤防砂性土的基本物理特性，基礎(chǔ)試驗(yàn)的重要性和對(duì)工程上的重要幫助。試驗(yàn)通過基本的土工室內(nèi)試驗(yàn)分析了黑龍江干流堤防砂性土的基本物理特性，黑河土樣的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)干密度為1.80 g/cm3，含水率7.68%，比重2.69，液限25.62%，塑限7.28%，最優(yōu)含水率12.51%，最大干密度1.90 g/cm3，粒徑主要集中在0.01～1 mm之間，不均勻系數(shù)24.28，曲率系數(shù)1.6，屬于低液限級(jí)配良好的砂，易于壓實(shí)，工程性質(zhì)穩(wěn)定，工程完工后沉降量小。

(2)八岔土樣現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)干密度為1.75 g/cm3，含水率9.86%，比重2.68，含沙量較大塑性較低，最大干密度1.84 g/cm3，最優(yōu)含水率13.1%，粒徑主要集中在0.1～0.5 mm之間，不均勻系數(shù)6.78，曲率系數(shù)2.16，粒徑分布均勻，屬于低液限級(jí)配不良砂，工程性質(zhì)較差，不易壓實(shí)，完工后沉降明顯。

[1] 王波.三江治理工程建設(shè)的歷史機(jī)遇與現(xiàn)實(shí)意義[J].黑龍江水利科技,2016,4(44):25-28.

[2] 張宜健.不同粒徑級(jí)砂性土滲透特性實(shí)驗(yàn)研究[D].陜西:西安建筑科技大學(xué),2013.

[3] 周曉杰.堤防的滲透變形及其發(fā)展的研究[D].北京:清華大學(xué),2006.

[4] 中華人民共和國(guó)水利部.土工試驗(yàn)規(guī)程：SL 237-1999 [S].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999.

[5] 李廣信,張丙印,于玉貞,等.土力學(xué)[M]. 北京:清華大學(xué)出版社,2013.

Heilongjiang River levee sand soil physical properties test analysis

HAN Lei1,SHI Changying2,ZHANG Baolei3

(1.HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute,Harbin150080,China; 2.SchoolofHydraulic&Electric-power,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China; 3.HeilongjiangProvincialWaterResourcesandHydraulicGroupCo.Ltd,Harbin150080,China)

Expounds the damage factors of sand soil embankments and basic physical indexes of the important role of field investigation and research of the distribution of heilongjiang river sand soil embankments, through indoor experiment measured the heilongjiang river embankment filling material composition and basic physical properties index, analysis of the heihe river and eight bifurcation two some sand particle size distribution of the sample and the mechanical properties in the engineering. Experiments show that: for engineering gradation uniformity of the porosity of the soil to produce more, permeability is good, the distribution curve is steep and narrow, not easy compaction, after the completion of the project settlement evident influence the quality of engineering.

Heilongjiang river；embankment；sand soil；physical properties

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(GZ16B019);黑龍江省黑龍江干流堤防工程科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(HGZL/KY-09)

韓 雷(1974-)，男，黑龍江海林人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事水力學(xué)及水工結(jié)構(gòu)方向的科研工作。E-mail：hanleity@126.com。

史長(zhǎng)瑩(1964-)，男，河北樂亭人，教授，主要從事水利工程教學(xué)與科研工作。E-mail：shicy2004@126.com。

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2096-0506(2017)06-0011-04