阿勒錦島岸坡非飽和土體固結(jié)試驗(yàn)研究★

張慶海 周利軍 趙 爽 尹 凱

(綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，黑龍江 綏化 152000)

0 引言

阿勒錦島位于松花江江心主航道北側(cè)，隸屬于哈爾濱城區(qū)段，是典型的河漫灘濕地，是松花江泛洪區(qū)自然形成的梭形江心島。江心島東西長(zhǎng)約7 km，南北最寬約1.3 km，汊河把江心島分為大島和小島兩個(gè)部分[1-3]。江心島的地理位置十分優(yōu)越，與哈爾濱市區(qū)隔江相望，松浦大橋、哈佳鐵路橋與公路橋跨越島嶼的東部，西部隔賓洲鐵路橋與哈爾濱著名旅游景點(diǎn)太陽(yáng)島相望，對(duì)外聯(lián)系相對(duì)便利。2008年國(guó)家批準(zhǔn)的《哈爾濱市城市防洪規(guī)劃》中提到：“近期狗島可以做無(wú)堤利用”，充分利用狗島資源優(yōu)勢(shì)，通過(guò)科學(xué)規(guī)劃，夏季可以為人們提供休閑度假場(chǎng)所，冬季可開(kāi)發(fā)冰雪娛樂(lè)活動(dòng)，控制標(biāo)準(zhǔn)為三年一遇，相應(yīng)水位117.20 m，這樣的保護(hù)利用不會(huì)給自然環(huán)境生態(tài)、航運(yùn)及城市給排水帶來(lái)不利影響[4]。

隨著該政策的提出，江心島開(kāi)發(fā)利用被提上了日程，但相關(guān)江心島岸坡穩(wěn)定性方面的研究卻寥寥無(wú)幾，而江心島岸坡土體多為砂土，其穩(wěn)定性比較差，岸坡的穩(wěn)定性受松花江水流的沖刷及水位變動(dòng)的影響較大。水流的沖刷作用和水位的高低變化，可以改變岸坡土體的物理力學(xué)特性、滲透性指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)、岸坡坡體的形態(tài)等一系列與岸坡穩(wěn)定有關(guān)的因素。本論文針對(duì)天然岸坡土體的物理特性中固結(jié)試驗(yàn)研究其物理參數(shù)[5]。

1 試驗(yàn)原理

固結(jié)試驗(yàn)也叫壓縮試驗(yàn)，是研究土體一維變形特性的測(cè)試方法。該試驗(yàn)是測(cè)定土體在豎向壓力作用下的壓縮特性，并可通過(guò)試驗(yàn)所得的各項(xiàng)指標(biāo)(如壓縮模量、壓縮系數(shù)等)來(lái)計(jì)算土工建筑物與地基的沉降。當(dāng)土體表面均布有大面積的豎向荷載時(shí)，土體中的空氣和水分將會(huì)在壓力的作用下被慢慢的排出，因此土體的孔隙體積隨著壓力作用時(shí)間的增長(zhǎng)及壓力大小的增加而逐漸的減小，從而土體在均布荷載作用下壓縮性的變化可以表示為孔隙體積隨壓力的增大而減小的關(guān)系。

通常是在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)壓縮固結(jié)儀來(lái)測(cè)定土體壓縮性相關(guān)的指標(biāo)，一般先將土樣放在金屬容器內(nèi)，在側(cè)限的條件下分級(jí)施加豎向壓力，如圖1所示，觀察在不同的豎向壓力下土體的壓縮變形量，然后依據(jù)試驗(yàn)觀測(cè)記錄所得數(shù)據(jù)及處理分析后繪制孔隙比隨壓力增長(zhǎng)的變化曲線，進(jìn)而求得土體的壓縮系數(shù)、壓縮模量等參數(shù)。因試樣是在側(cè)限的條件下進(jìn)行壓縮，所以土體只在豎向承受壓力，并且只在土體的上下方向發(fā)生壓縮變形，因此土體的壓縮屬于一維軸對(duì)稱應(yīng)變問(wèn)題，試樣單元體的受力狀態(tài)如圖2所示，土體內(nèi)部任意一點(diǎn)的豎向應(yīng)力等于外部施加的壓應(yīng)力，而側(cè)向應(yīng)力則與土的側(cè)向壓縮系數(shù)有關(guān)，即：σx=σy=k0σz，固結(jié)試驗(yàn)其實(shí)際上就是k0條件下的壓縮試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)儀器、試驗(yàn)方法及試樣的制備

本次試驗(yàn)采用單杠桿式三聯(lián)固結(jié)儀(WG-1B)，試驗(yàn)方法采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)法，分四級(jí)施加豎向壓力：50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa。試驗(yàn)所用試樣均采用直徑61.8 mm×高20 mm的環(huán)刀從現(xiàn)場(chǎng)取的原狀土樣，測(cè)出每個(gè)土樣的含水量，并稱取每個(gè)環(huán)刀試樣的總重；選取密度相近(密度插值≤0.03 g/cm3)的四個(gè)試樣，從中選取一個(gè)試樣，定為壓縮試樣,其余的作為備用樣。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試樣在每級(jí)荷載下的穩(wěn)定壓縮變形量見(jiàn)表1。

取試驗(yàn)所得中間數(shù)據(jù)(即第一組數(shù)據(jù))，按下式計(jì)算試樣的初始孔隙比和各級(jí)壓力下的孔隙比：

某一壓力范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)可按下式計(jì)算：

某一壓力范圍內(nèi)的壓縮模量可按下式計(jì)算：

某一壓力范圍內(nèi)的體積壓縮系數(shù)可按下式計(jì)算：

壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)通過(guò)下式計(jì)算：

其中，e0為初始孔隙比；ei為各級(jí)壓力下相對(duì)應(yīng)的孔隙比；h0為試樣的初始高度，20 mm；Δh0為某一級(jí)壓力下試樣固結(jié)穩(wěn)定后的總壓縮變形量，mm；αv為壓縮系數(shù)，MPa-1；pi為某級(jí)荷載的壓力值；Es為壓縮模量，MPa；mv為體積壓縮系數(shù)，MPa-1；Cc(Cs)為壓縮指數(shù)(回彈指數(shù))。

根據(jù)上述公式求得：

土體的初始孔隙比:e0=0.738 5。

土體100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)的壓縮系數(shù)：

αv(1-2)=0.158 MPa-1。

土體100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)的壓縮模量：

Es(1-2)=11.003 MPa。

土體100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)的體積壓縮系數(shù)為：

mv=0.091 MPa-1。

土體100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)的壓縮指數(shù)(回彈指數(shù))：

Cc(Cs)=0.05。

以孔隙比為縱坐標(biāo)，豎向壓力為橫坐標(biāo)，繪制孔隙比隨豎向壓力變化的規(guī)律曲線如圖3所示。

利用多元回歸線性擬合得出岸坡土體孔隙比與豎向荷載的關(guān)系式為：

e1=0.659 9+0.078 6e-0.011 4p(ep=0=0.738 5,R=0.989 7)。

通過(guò)擬合公式得出曲線e—p，推導(dǎo)出的壓縮系數(shù)為0.158 MPa-1，壓縮指數(shù)(回彈指數(shù))為Cc(Cs)=0.050，屬于中壓縮性土。

4 結(jié)語(yǔ)

利用儀器單杠桿式固結(jié)儀(WG-1B)對(duì)土體進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)研究可知，阿勒錦島非飽和土物理參數(shù)：

1)通過(guò)多元回歸線性擬合孔隙比與壓力關(guān)系曲線得出p=0時(shí)，e0=0.749 0；

2)得出土體100 kPa～200 kPa范圍內(nèi)，壓縮系數(shù)0.158 MPa-1、壓縮模量9.883 MPa、體積壓縮系數(shù)0.101 MPa-1、壓縮指數(shù)(回彈指數(shù))0.05。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)得出，阿勒錦島岸坡土體屬于中壓縮性土。

[1] 朱 光．從橘子洲的發(fā)展探討狗島的保護(hù)利用[J]．水利科技與經(jīng)濟(jì)，2010，16(9)：976-977．

[2] 南 昊．從哈爾濱段江心島分析松花江泥沙沉降[J]．中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2010(12)：81．

[3] 張 杰．松花江哈爾濱段水位枯、洪水期歷史規(guī)律分析[J]．黑龍江氣象，2008，25(1)：17-18．

[4] 張 文.水流沖刷作用下阿勒錦洲天然岸坡穩(wěn)定性研究[D].哈爾濱：黑龍江科技大學(xué)，2013.

[5] 周 莉．阿勒錦島岸坡非飽和土土—水特征曲線試驗(yàn)研究[J]．黑龍科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2015(3):69-70.