基于原位测试方法的河道综合治理堤防承载能力评价试验研究

孙 晶

（铁岭市水利工程规划设计技术审核中心，辽宁铁岭118000）

基于原位测试方法的河道综合治理堤防承载能力评价试验研究

孙 晶

（铁岭市水利工程规划设计技术审核中心，辽宁铁岭118000）

本文以辽宁东部某河道整治工程为研究实例，结合原位试验观测方式对河道堤防承载能力进行评价，并分析原位观测试验方式在河道堤防承载能力评价分析的优缺点和注意事项。研究结果表明：原位测试可结合多个试验指标对河道堤防天然状况下的地质承载能力进行全面评价，弥补室内试验测试的不足；经试验评价研究河道堤防的渗透系数在5.1×103-8.5×103cm/s之间，土层的压缩系数均值可达到0.042MP2，抗剪切内摩擦角均值达到52°，研究河道堤防的抗载负荷为450kPa，满足工程设计规范。研究成果可以为河道综合治理堤防设计地质承载能力分析提高参考价值。

原位测试方法；堤防承载能力；多试验指标；辽东河道

河道综合治理设计中，堤防设计是重中之重，河道堤防设计中，对河道堤防的地质分析尤为关键，在河道地质分析中需要对堤防的承载能力进行分析，传统的河道提防承载能力分析大都采用室内试验的方式［1-5］，对河道堤段的土层的进行抽样，在试验室对抽样的土层进行承载能力试验指标的评价，但是传统的室内试验方式不能对河段堤防进行全面评价，不能完全真实的反映天然河道的真实情况，在进行河道堤防承载能力评价中存在一定的局限。原位测试方法开始起源于地质勘测的领域，通过在勘测设计的原区域，直接进行多项指标的检验，从而对地层的天然状态的承载能力进行试验。当前，原位观测方式也逐步在河道治理地质分析中得到逐步应用，并取得一定的研究成果［6-10］，但在河道堤防承载能力试验中应用还较少，为此本文结合原位观测的方式，以辽宁东部某河流为研究工程实例，对河道综合治理堤防承载能力分析进行多指标的试验，结合原位测试试验数据，对河道堤防的承载能力进行综合评价。研究成果可为河道综合治理堤防设计地质承载能力分析提高参考价值。

1 原位测试方法主要原理

原位测试为在工程设计现场，在对勘测地段土层不进行扰动情况下对土层的各个指标进行试验分析，以获取测试土层不同物理指标的一种勘测试验技术，原位测试假设进行试验的地层表面在地表荷载作用下，由于地表荷载引起应力采用弹性力学试验的原理进行求解各种试验指标，在河道堤防承载能力试验中主要采用试验为静力荷载试验、土层的剪切试验、渗透试验、土层固结试验以及土层的相对密度试验，结合各个试验指标对河道提防的承载能力进行综合的评价分析。原位测试试验的主要原理为。

当勘测试验土层的垂向进行荷载P试验，在试验中主要采用垂直击打的方式，设定土层垂向击打坐标原点o，河道堤防土层中任何一点N（r，θ，z）离开原点坐标的直线距离为R，直线距离R和点N的垂向指标的夹角为β，可以推求任何一个θ的应力转台，计算公式为：

式中，k表示地层应力系数，可通过查表获取不同土层指标的应力系数。

进行土层荷载沉降分析时，原位观测方式很难应用函数表达式进行计算，一般采用公式拟合的方式进行拟合求解，假设河道堤防的层应力为反向力分布函数，该反向力分布的函数对河道堤防土层作用与土层静力荷载一直，计算荷载沉降实验的拟合公式为：

式中，P为沉降实验的负荷承载力，x为垂直抨击的距离。

在上述计算方程中，可以推算得到不同土层应力承载能力，得到土层应力抨击下的土层沉降得情况，两者之间存在一定的数学关系式。

对于土层圆形剖面，其关系式方程为：

式中，ν为泊松系数，E为设计堤防土层的变形量，D表示原型剖面的直径，B表示压板形剖面的宽度。结合上述公式可以计算原位测试剖面的变形模量，泊松系数可以采用计算规范手册的建议值。

在进行河道堤防承载能力，结合多种试验指标对河道堤防土层的承载能力进行综合评价分析计算，土层的承载能力特征值计算方程为：

式中，fspk表示河道堤防综合承载能力评价值，fpk表示为剖面土层单位面积下的承载能力特征值，fsk表示为河道堤防不同试验指标下的评价值。

对于土层压板形剖面，其关系式方程为：

2 工程实例分析

2.1 工程概况

本文以辽宁东部某河道工程为例，该工程河段河底为素填土和卵石组成，河段顺直段较长，岸壁为土质岸壁、山岩等，河岸部分段落长有杂草或低矮灌木。设计河道堤防剖面图见图1。

2.2 试验堤段物理指标分析

采用原位测试方法，对设计勘测区域进行抨击试验，抨击试验的参数取值见表1，并对原位测试区域的不同土层进行物理试验指标的检验，各土层物理试验指标值见表2。

表1为原位测试抨击试验的参数指标值，从表中看出，本次对不同土层的抨击试验的次数在35次到41次之间，均符合原位测试方法抨击试验次数的要求（要求30次以上），其不同试验次数之间的变异系数值在0.19～0.22之间，建议选取的标准参数值分别为8和13。表2为不同土层的物理指标分析值，从不同土层的物理分析指标可以看出，在设计河道堤防堤身土层其测定的含水量在4.4%～7%之间，属于含水量较低的区域，该土层的平均含水率可以达到6.3%，为此在河道堤防设计中对河道堤身处土层的含水率取其平均值为6.3%，而在砂砾土层其含水量达到4.2%～8.6%之间，高于堤身处土层的含水率。通过湿度和密度指标分析，在堤身处和砂砾土层处土层湿密度最大值均可达到2.10g/m3，两处土层的干密度建议取值为1.82g/m3和1.92g/m3，经过对不同土层的渗透试验分析，在河道设计堤防堤身处其渗透系数在5.1×103-6.4×103之间，而在砂砾土层其渗透系数在5.8×103-8.5× 103之间，渗透系数指标的分析表面设计河道堤防处的渗透系数较低。

2.3 试验指标分析值

在河道堤防设计处抨击试验下不同土层物理指标分析的基础上，对设计勘测区域进行选样，对选取的土层选样进行应力和沉降分析试验，试验分析结果见表3、表4以及图2。

图1 设计河道堤防剖面图

表1 抨击试验下的参数指标值

表2 不同土层物理试验指标值

表3 剪力应力试验成果统计表

表4 沉降试验成果统计表

图2 各试验编号土层剪切和沉降压缩试验

表3为不同试验堤防段的剪切应力试验结果，从表3中可以看出，在100Kpa压力下其不同试验段下剪切应力值在138.1～180Kpa之间，增加100Kpa压力后，各个试验段剪切应力值均高于100Kpa压力下，在291.0～326.2Kpa之间，而在300Kpa压力下不同试验段剪切压力值也逐渐增加，当剖面压力达到400Kpa下其不同试验段剪切压力值达到510.1～636.5Kpa之间，在不同静载压力下不同试验段的内摩擦角达到50.5～53°之间，各个试验段在不同压力下的剪切应力值变化也随图2（a）所示，随着剖面压力的不断增加，各个试验段的剪切压力也逐渐增加。表4为不同试验段的沉降试验结果，从表中可以看出，在无静载压力符合下，其土层孔隙比在0.3679～0.3968之间，而随着剖面静载压力的增加，各个试验段河道堤防土层的孔隙比逐渐减小，正如图2（b）所示，各个试验段土层的沉降孔隙比逐渐增加随着剖面静载压力的加大而减小，当剖面静载压力达到400Kp时，其土层的孔隙比在0.3419～0.3791之间，剖面压力的增加，可减少土层沉降的孔隙比。

2.4 河道设计堤防承载能力综合评价

结合原位观测方式静载应力、沉降试验以及设计河道堤防土层的物理指标计算了河道堤防承载能力，计算结果见表5。

表5 不同试验段河道堤防承载能力综合评价结果

表5为河道堤防不同试验段承载能力综合评价结果，从表中可以看出1#试验段当其荷载增加到450Kpa后，其试验点的沉降值将达到最大值为45.31mm，其在不同荷载压力下沉降值在0～45.31mm之间，而从1#试验段到6#试验段，在不同静载负荷压力下，其试验点的沉降值也逐渐加大，在河道堤防设计中应加大对4#～6#试验段河道堤防的稳定性，从表中还可以看出在同一个试验点，随着试验点的静载负荷加大，其沉降值也呈现逐渐增加的变化，这主要是因为随着试验点静载负荷的加大，其剖面受到的剪切压力也逐渐加大，而结合前面的孔隙比试验分析结果可以看出，随着试验段剖面静载负荷的较大，其土层的孔隙比逐渐较小，当土层孔隙比逐渐减小，而剖面受到的剪切应力增加，使得同一个试验点随着静载负荷的增加而相应增加。

2.5 原位测试方法优缺点及试验注意事项

本文结合原位测试实例应用对原位测试方法的优缺点以及试验注意事项进行了表述，其中原位测试方法的优点在于可以不影响土样扰动的各项物理指标，可以对勘测区域的土层进行原样监测，具有较好的代表性，其缺点在于需要耗费大量的人力和物力，在大型河道整治工程中，应加强原位观测试验对河道堤防进行承载能力分析。

此外在进行原位观测试验时，需注意以下几个事项。

（1）原位测试可以包含不同的试验项目，应该结合实际土层情况和工程设计情况要素确定需要进行试验的指标，而不应遵循同一组试验指标进行测试。

（2）在进行大型河道堤防承载能力原位测试时，还应加入土层的残余强度试验进行分析。

（3）在进行河道堤防试验承载能力选值时，应结合土层静载压力与沉降时间之间的关系或者地区经验压力值进行合理选取。

（4）在河道堤防勘测区域进行土层动力学指标测试时，不同土层测试距离宜控制在1～1.5m之间，并结合孔斜测量方式对复杂土层进行跨孔取样。

3 结语

本文结合原位测试的方法，以辽宁东部某河道整治工程为实例，对河道堤防承载能力进行综合评价试验，研究取得以下结论。

（1）原位观测方式可在不扰动土样的情况，可对工程实例河道堤防承载力进行综合评价，可解决室内试验选样和指标不全的局限，具有全面性，但是原位观测方式耗费的人力和物力要高于室内试验，建议在大型河道堤防设计中多加采用。

（2）原位观测方式可进行多个指标的试验，在河道综合治理设计中其他指标的分析和设计中也进行试验观测。

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TV8

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1008-1305（2017）01-0007-04

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

2016-11-03

孙 晶（1981年—），女，工程师。