不同浸泡時(shí)間下黏性土堤防土體強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

韓 雷，于松銘，李子晗，王理想

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水電局，黑龍江 哈爾濱 150040；3.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

不同浸泡時(shí)間下黏性土堤防土體強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究

韓 雷1，于松銘2，李子晗3，王理想1

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水電局，黑龍江 哈爾濱 150040；3.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

在堤防工程中，土體的強(qiáng)度變化直接影響到堤防工程的穩(wěn)定性和安全性。本文結(jié)合2013年黑龍江流域水災(zāi)的實(shí)際情況，室內(nèi)模擬黏性土堤防工程土體在不同浸泡時(shí)間下土體強(qiáng)度的變化。通過筑堤土體在0 d、3 d、7 d、10 d、15 d和30 d六種不同浸泡時(shí)間下不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)和常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)來研究堤防長期浸泡后土體的強(qiáng)度特性變化。試驗(yàn)結(jié)果表明：土體隨浸泡時(shí)間的增加，其強(qiáng)度參數(shù)降低幅度明顯，內(nèi)摩擦角由浸泡3 d降低40%到浸泡30 d降低70%以上，降低速率逐漸減小，最大降低72.1%；黏聚力降低70%以上，變化速率逐漸增大。堤防土體的壓縮系數(shù)比不浸泡狀態(tài)增加了1.6倍。

堤防工程；長期浸泡；黏性土；抗剪強(qiáng)度

堤壩的作用主要是擋水，正常運(yùn)行期堤壩邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但當(dāng)水流穿過堤壩建筑物時(shí)，邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低，且水位發(fā)生變化或降雨時(shí)，邊坡的安全系數(shù)將變得更小，容易引起邊坡失穩(wěn)。《土壩設(shè)計(jì)》[1]一書中指出，實(shí)際工程中防洪堤的穩(wěn)定性破壞主要是滲流破壞，上游高水位使?jié)B流線抬高，背水坡面會(huì)產(chǎn)生管涌、流土等現(xiàn)象，引起填土抗剪強(qiáng)度降低，壩基土體抗剪強(qiáng)度不足，致使滑面以外土體滑動(dòng)力矩大于抗滑力矩，發(fā)生坍滑現(xiàn)象。Sevaldson R A[2]與Henkel D J[3]針對(duì)邊坡的黏土斜坡滑動(dòng)，通過畢肖普法分析指出，地下水位的上升以及周期性的變化使強(qiáng)度指標(biāo)有效黏聚力c降低是邊坡發(fā)生破壞的主要原因。周建[4]和廖紅建[5]等針對(duì)黏性土在浸水后進(jìn)行了一系列的室內(nèi)三軸剪切試驗(yàn)，得出黏性土在浸水后使不固結(jié)不排水試驗(yàn)的強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c明顯降低50%以上，而內(nèi)摩擦角φ的大小幾乎不變的結(jié)論。朱偉等[6]通過對(duì)兩個(gè)大型河堤滲透試驗(yàn)的結(jié)果分析，得出引起河堤穩(wěn)定性下降的主要原因是伴隨著水分增加所產(chǎn)生的土的強(qiáng)度降低，由水份增加引起土體飽和可以使土的黏聚力降低到干燥時(shí)的1/10。

對(duì)于堤身土料組成較為復(fù)雜的黑龍江流域堤防工程來說，其土體本身的強(qiáng)度參數(shù)及不同土料的接觸面很薄弱。研究黑龍江流域堤防工程長時(shí)間洪水浸泡時(shí)，其強(qiáng)度特性的變化情況對(duì)汛期堤防的運(yùn)行和搶險(xiǎn)具有指導(dǎo)性意義。

1 試驗(yàn)工況

1.1 試驗(yàn)的制備

本試驗(yàn)的試樣采取黑龍江流域堤防工程選定試驗(yàn)段的擾動(dòng)土樣進(jìn)行制備。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果及設(shè)計(jì)資料最終選定某樁號(hào)范圍堤防為試驗(yàn)段，該試驗(yàn)段堤段長度較長，且2013年特大洪水時(shí)為險(xiǎn)工弱段，附近堤防出現(xiàn)過滲流、決堤等險(xiǎn)情，具有代表性。其地質(zhì)資料是老堤為低液限粉土+低液限黏土+細(xì)砂，加高培厚為粉土質(zhì)砂，透水性強(qiáng)。考慮到選定試驗(yàn)段長度較長，土質(zhì)組成較復(fù)雜，進(jìn)行了多斷面鉆孔取樣，每個(gè)斷面取多組擾動(dòng)土樣。將擾動(dòng)土樣進(jìn)行基礎(chǔ)土參數(shù)指標(biāo)的測定，將其平均結(jié)果確定為重塑土樣的參數(shù)指標(biāo)。重塑土樣顆粒分析曲線見圖1，物理指標(biāo)見表1。

圖1 重塑土樣顆粒大小分布曲線

表1 重塑土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

為了探究黏性土堤防土體強(qiáng)度受到不同時(shí)間浸泡下的影響，本文擬進(jìn)行三軸試驗(yàn)(不固結(jié)不排水)以及常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)。其中，固結(jié)試驗(yàn)采用電動(dòng)固結(jié)儀器，見圖2，三軸試驗(yàn)(不固結(jié)不排水)采用北京華勘三軸壓縮儀，見圖3。試驗(yàn)過程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果均通過電腦軟件采集完成。

圖2 固結(jié)試驗(yàn)儀器

圖3 三軸試驗(yàn)儀器

根據(jù)表1制備固結(jié)試驗(yàn)與三軸試驗(yàn)試樣各六組,每組根據(jù)試驗(yàn)需要有若干土樣。其中一組試樣在制備完成后即進(jìn)行試驗(yàn)，另外五組試樣分別用紗布包裹封閉后至于水中浸泡。浸泡時(shí)間分別為3 d，7 d，10 d，15 d，30 d。待各組浸泡試樣達(dá)到浸泡天數(shù)后即進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

2.1 常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)

試驗(yàn)分別對(duì)浸泡不同天數(shù)后的試樣進(jìn)行固結(jié)壓力為50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa的等向固結(jié)，獲得變形系數(shù)與變形曲線。表2為不同浸泡天數(shù)土體的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果。圖4為不同浸泡天數(shù)的土體在不同固結(jié)壓力下的變形曲線。

表2 不同浸泡天數(shù)土體的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

圖4 固結(jié)試驗(yàn)變形曲線

由表2中可以看出，浸泡后土樣的壓縮系數(shù)明顯增大，最大可增大至2倍。但從圖4中可以看到，不同的浸泡天數(shù)，尤其是較短的浸泡時(shí)間(3～15 d)對(duì)于土體的壓縮性能改變較一致，壓縮系數(shù)增大幅度都在1.6倍左右。對(duì)于汛期的黑龍江流域堤防工程來說，洪水長期浸泡帶來的堤防土體變形是較大的，正常行駛車輛應(yīng)禁止汛期通行，抗洪搶險(xiǎn)車輛應(yīng)盡早運(yùn)送物資上壩，后期經(jīng)過長時(shí)間浸泡的堤防土體壓縮幅度很大，應(yīng)禁止大荷載機(jī)械上壩，保證堤防安全。

2.2 不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)(UU)

土樣在浸泡不同時(shí)間后分別在圍壓100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa下進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)。每一組浸泡天數(shù)工況同時(shí)進(jìn)行多組平行試驗(yàn)，表3給出不同浸泡工況下的試驗(yàn)結(jié)果。以浸泡15 d試樣的試驗(yàn)結(jié)果為例，其與未浸泡試樣結(jié)果的包絡(luò)線如圖5。

表3 不同浸泡時(shí)間得不固結(jié)不排水試驗(yàn)結(jié)果

圖5 15 d浸泡試樣與未浸泡試樣不固結(jié)不排水包絡(luò)線

從表3可以看出，黑干堤防土樣在經(jīng)過長時(shí)間浸泡后，內(nèi)摩擦角和黏聚力都降低很多。浸泡30 d后，土的內(nèi)摩擦角降低60%以上，土的黏聚力降低70%以上。這相較于前人所做試驗(yàn)得出的結(jié)果偏大，其原因是本次三軸試驗(yàn)采用得是不固結(jié)不排水試驗(yàn)，試樣在試驗(yàn)過程中水分無法排出，對(duì)于黏粒含量較低的粉黏土擾動(dòng)很大[7]，故浸泡與未浸泡土樣試驗(yàn)結(jié)果相差很大。但在實(shí)際的工程情況中，堤防長期受到洪水浸泡，其上下游始終處于高水頭狀態(tài)，壩內(nèi)土體無法很好的進(jìn)行水分遷移。不固結(jié)不排水試驗(yàn)可以很好的模擬這種狀態(tài)。

2.3 土體強(qiáng)度對(duì)比分析

本節(jié)將上文三軸試驗(yàn)(不固結(jié)不排水)結(jié)果與喬蘭[8]等對(duì)黃河下游堤防土樣(黏性土)所做的浸泡試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。喬蘭等為觀察土體受水浸泡后的強(qiáng)度改變情況，并考慮堤防在洪水期間的土體排水情況，進(jìn)行了不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果與擬合公式給出了土樣浸泡不同天數(shù)時(shí)其黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化情況。將其試驗(yàn)結(jié)果與上文三軸試驗(yàn)結(jié)果繪制曲線圖，兩種土樣的黏聚力變化趨勢圖見圖6，內(nèi)摩擦角變化趨勢圖見圖7。

圖6 兩種土樣隨浸泡天數(shù)黏聚力變化趨勢圖

根據(jù)圖6的變化趨勢可以看出，黑龍江堤防土樣經(jīng)過浸泡1～5 d左右，其黏聚力沒有明顯下降，但在浸泡5 d后，其黏聚力大幅下降，由40 kPa降至15 kPa，至浸泡10 d下降趨勢逐漸變緩，穩(wěn)定在5 kPa附近；黃河堤防土樣浸泡2 d內(nèi)，其黏聚力即大幅下降，且下降幅度大于黑龍江堤防土樣，由32.5 kPa降至12 kPa，浸泡2 d后其黏聚力穩(wěn)定在12 kPa附近。

圖7 兩種土樣隨浸泡天數(shù)內(nèi)摩擦角變化趨勢圖

根據(jù)圖7的變化趨勢可以看出，黑龍江干流堤防在浸泡1～10 d內(nèi)，內(nèi)摩擦角大幅下降，由22.5°降至3°；黃河堤防土樣浸泡2 d內(nèi)，其內(nèi)摩擦角即大幅下降，與黑龍江堤防土樣下降幅度接近，由20.7°降至4.4°，其后穩(wěn)定在4.4°附近。

可以看出，黃河堤防土樣經(jīng)過浸泡后其強(qiáng)度參數(shù)在開始的2 d內(nèi)即有大幅度下降且黏聚力與內(nèi)摩擦角的下降趨勢幅度接近，經(jīng)過2 d以上的長時(shí)間浸泡后，其強(qiáng)度參數(shù)也無明顯變化；黑龍江堤防土樣經(jīng)過長期浸泡后的強(qiáng)度參數(shù)變化反應(yīng)較黃河堤防土樣較慢，但最終下降幅度較為相似。其中，黏聚力的下降方式為先緩后急，內(nèi)摩擦角的下降方式為先急后緩。綜合來看，長期浸泡造成兩種土樣強(qiáng)度參數(shù)的變化方式較不一致的原因主要是土樣主要物理參數(shù)不同。黑龍江堤防土樣的含水率要遠(yuǎn)大于黃河堤防土樣，同時(shí)，黑龍江堤防土樣的顆粒粒徑要略大于黃河堤防土樣。因?yàn)橥恋酿ぞ哿κ怯赏猎诔蓭r過程中，土粒間所形成的結(jié)晶、連結(jié)黏土粒間的分子引力、 黏性土具有的水膠連結(jié)和粒間毛細(xì)壓力這幾部分組成，土樣在浸泡時(shí)破壞了這些力，會(huì)使得土樣在浸泡后黏聚力迅速下降。由于黃河堤防土樣比黑龍江堤防土樣的黏粒含量要高，故黃河堤防土樣的黏聚力在浸水同樣時(shí)間時(shí)，比黑龍江堤防土樣降低更快。

3 結(jié) 論

(1)黏性土堤防在長期浸泡下，土的可壓縮性明顯增加。壓縮系數(shù)增大，壓縮強(qiáng)度明顯降低。以浸泡15 d為例，堤防土體的壓縮系數(shù)比不浸泡狀態(tài)增加了1.6倍。對(duì)于關(guān)乎民生安全的堤防工程來說，汛期建議加大管理，減少重型設(shè)備上堤。

(2)堤防土樣在經(jīng)過長時(shí)間浸泡后，內(nèi)摩擦角和黏聚力降低幅度明顯。土的內(nèi)摩擦角降低60%以上，土的黏聚力降低70%以上。

(3)考慮長期浸泡工況下的堤防工程土體的強(qiáng)度研究，為黑龍江流域的堤防工程安全運(yùn)行管理提供有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

[1] 水電部第五工程局. 土壩設(shè)計(jì)[M]. 北京:水利電力出版社, 1978.

[2] Sevaldson R A.The Slide in Lodalen October 6th,1954[J].Geotechnique, 1954(4):167-182.

[3] Henkel D J.Investigation of Long Term Failures in London Clay Slopes at Wood Green and Northnolt[C]//International. Conference on Soil Mechanic sand Foundation Engineering proceedings, 1957(2):315-320.

[4] 周建, 余嘉澍. 防洪堤穩(wěn)定性的研究[J]. 水利學(xué)報(bào), 2002, 33(7):98-103.

[5] 廖紅建, 韓波, 殷建華,等. 人工開挖邊坡的長期穩(wěn)定性分析與土的強(qiáng)度參數(shù)確定[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2002, 24(5):560-564.

[6] 朱偉, 山村和也. 雨水·洪水滲透時(shí)河堤的穩(wěn)定性[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1999, 21(4):414-419.

[7] 趙宇坤, 劉漢東, 喬蘭. 不同浸水時(shí)間黃河堤防土體強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008, 27(S1):3047-3051.

[8] 喬蘭, 趙宇坤, 李慶安. 考慮洪水浸泡的黃河下游堤防穩(wěn)定性預(yù)測[J]. 人民黃河, 2008, 30(7):14-15.

Test study on cohesive soil strength of embankment with different soaked time

HAN Lei1，YU Songming2,LI Zihan3，WANG Lixiang1

(1.HeilongjiangProvinceHydraulicResearchInstitute，Harbin150080,China；2.HeilongjiangHydropowerBureau，Harbin150040,China； 3.SchoolofHydraulic&Electric-prower,HeilongjiangUniversity，Harbin150080,China)

In the embankment project, the strength change of soil directly affect the stability and safety of embankment. In this paper, the author combines with the actual situation of the flood in Heilongjiang Province in 2013, and studies the change of soil strength with different immersion times. The strength characteristics change of the soil under six different long-term soaked times (0 d,3 d,7 d,10 d,15 d,30 d)in the embankment was studied by using the non-drainage triaxial shear test(UU) and the conventional consolidation test. The results show that, the more soaked times increased, the more decrease of the strength parameters.The friction angle decreased 40% in 3 d soaked,and 70% in 30 d soaked.The cohesion decreased more than 70%. The compressive coefficient of embankment soil was 1.6 times higher than that without soaked.

embankment; long-term soaked; cohesive soil; shear strength

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。

王理想(1987-)，男，安徽六安人，工程師，主要從事巖土工程方向的科研工作。E-mail：wanglixiang135@126.com。

TV443

：A

：2096-0506(2017)08-0018-05