黑龙江干流堤防砂性土物理特性试验分析

韩 雷,史长莹,张宝磊

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080; 3.黑龙江省水利水电集团有限公司，黑龙江 哈尔滨 150080)

黑龙江干流堤防砂性土物理特性试验分析

韩 雷1,史长莹2,张宝磊3

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080; 3.黑龙江省水利水电集团有限公司，黑龙江 哈尔滨 150080)

阐述了砂性土堤防的破坏因素和基本物理指标的重要作用，实地调研了黑龙江干流砂性土堤防的分布情况，通过室内试验测量了黑龙江干流堤防填筑料的成分和基本物理特性指标，分析了黑河和八岔两处堤段砂土试样的颗粒粒径分布和在工程上表现出的力学特性。试验表明：对工程而言级配均匀的土产生的孔隙较多，渗透性良好，分布曲线较陡且分布狭窄，不易压实，工程完工后沉降较为明显对工程质量影响较大。

黑龙江干流；堤防；砂性土；物理特性

1 概 述

目前国内对江河堤防以及水库边坡高水位时的渗透特性研究较多，研究基础也主要以黏性土为研究对象，随着国内重要水利工程的建设，国内学者已经得出一套相对完善的理论和试验方法。对于黑龙江干流堤防工程来说，其堤身填筑主要以砂性土为主，如图1所示，针对砂性土堤防汛期高水位时的物理特性变化研究较少，同时砂性土堤防工程与其他土建工程相比，在勘察设计、建设施工、运营管理等方面都具有较强的不确定性，致使目前仍然存在理论研究落后于工程实际的情况，在现场施工管理过程中往往凭借工程经验，缺乏完备系统的科学依据作为指导，因此合理可靠的研究手段得出的经验公式或结论不仅能为实际工程提供实用安全的方案，还可以为砂性土堤防科研领域提供有力的参考依据，针对砂性土的渗透性和稳定性分析方法的研究颇具理论和现实意义。

图1 黑龙江干流堤防黑河市堤段填筑实物图

黑龙江干流堤防多为20 a一遇的防洪标准[1]，防洪标准较低，在汛期高水位时存在一些安全隐患，容易形成管涌、渗水、崩岸、漏洞、散浸等险情，分析这些险情的破坏机理时应从基本的物理特性着手研究，国内学者张宜健[2]研究了砂性土粒径与渗透特性的关系，粒径的大小直接影响孔隙率，不同粒径级配下孔隙率越大，渗透性也随之增大且二者之间线性相关度较高，并结合砂性土单一粒径和混和粒径预测渗透系数的经验公式。周晓杰[3]对细砂进行了大量的物理特性的试验研究，在此基础上提出管涌-渗流耦合的渗透变形发展体系，给出堤防破坏通道内颗粒运动的临界水流流速计算式，并运用无单元法数值模拟验证了公式的有效性。堤防一旦发生破坏时，无论分析其破坏机理，还是改善方法都需运用到基本物理特性方面的指标，文章主要针对黑河段砂性土堤防通过室内试验分析其基本物理特性。

2 试验内容及试验方法

2.1 试验内容

通过实地调研施工现场土质情况，最终确定两处代表性较强堤段，分别为黑河市上马场乡桩号3+200处记为1号土样和抚远县八岔赫哲族乡桩号4+300处记为2号土样，为保证所取试样具有足够强的代表性，沿堤防横断面不同位置取土，用PVC管运回实验室。室内试验主要进行密度试验、含水率试验、颗粒分析试验、比重试验、击实试验、界限含水率试验。

2.2 试验方法

试样的含水率按式(1)计算。

ω=(m/md-1)×100

(1)

式中：ω为含水率，%；m为湿土质量，g；md为干土质量，g。

试样的干密度按式(2)计算。

(2)

式中：ρd为干密度，g/cm3；ρ为湿密度，g/cm3。

试样的比重按式(3)计算。

(3)

式中：Gs为土粒比重；md为干土质量，g；m1为瓶、水总质量，g；m2为瓶、水、土总质量，g；Gw t为t℃时纯水的比重(可查物理手册)，精确至0.001。

试样的饱和含水率按式(4)计算。

(4)

式中：ωsat为饱和含水率，%；ρw为水的密度，g/cm3。

以上试验依据《土工试验规程》(SL 237-1999)标准进行[4]。

3 试验结果与分析

3.1 基本物理试验

干密度和含水率是最基础的数据，依照现场施工标准，含水率和干密度在施工现场利用核磁密度仪测得，如图2所示。黑河堤防施工现场铺土厚度要求55 cm，振动碾(20 t)碾压6遍，控制干密度为1.80 g/cm3，含水率7.0%～7.8%，八岔堤段铺土厚度要求50 cm，碾压6遍，控制干密度为1.83 g/cm3，含水率8.5%～9.1%。相对传统灌砂法、环刀法等，该方法携带方便、操作简单、测量精度高，所测试样参数均为多点平均值，代表性强。

图2 现场含水率和干密度测量

试验所测比重为土粒质量与同体积纯蒸馏水在4 ℃时的质量之比[5]。八岔土样比重为2.68，黑河堤段土样比重为2.69。图3为使用液塑限联合测定法测量黑河试样的液限和塑限WL=25.62%，WP=7.29%。

图3 黑河砂土圆锥下沉深度与含水率关系图

八岔试样测得含水率与圆锥下沉深度值如表1所示。含水率与圆锥下沉深度不存在线性关系，分析其原因主要有抚远县八岔堤段靠近黑龙江和松花江交汇处，水流对岸堤的冲击较大，形成的土质砂化较严重，内部存在假塑性；另一原因可能是非饱和砂性土中存在水-汽交界面，产生负的基质吸力，根据有效应力原理将产生一个正的有效应力抵抗剪切变形，当含水量达到饱和含水率时基质吸力为零，此时砂土不再具有抵抗变形的能力。测量的液塑限值不能代表真实指标。

表1 八岔堤段砂性土样液塑限数据

图4为使用重型电动击实仪(击锤4.5 kg 落高457 cm)测量最优含水率和干密度，分五层击实法，每层土料的质量1100 g左右，每层56击。黑河砂土最大干密度为1.898 g/cm3，最优含水率为12.51%。八岔砂土的最大干密度为1.84 g/cm3，最优含水率为13.1%。

图4 击实曲线和饱和曲线图

3.2 颗粒分析试验

图5和图6试验数据的曲线形式，更加直观表示了黑河土样和八岔土样的颗粒分布情况，八岔土样粒径2 mm以上基本没有，主要集中在0.1～0.5 mm之间，其中含量最多粒径为0.24 mm占7.63%，不均匀系数6.78，曲率系数2.16 ，颗粒分布均匀，属于低液限级配不良的砂，粒径小于0.075 mm的土颗粒占19.94%≥10%属于冻胀性土，对工程而言级配均匀的土产生的孔隙较多，渗透性良好，分布曲线较陡且分布狭窄，不易压实，工程完工后沉降较为明显对工程质量影响较大。黑河土样粒径主要集中在0.01～1 mm之间，颗粒成双峰分布，含量最多是0.59 mm粒径占3.77%，其次是0.05 mm占2.57%。不均匀系数24.28，曲率系数1.6，为低液限级配良好的砂，粒径小于0.075 mm的土颗粒占31.34%≥10%属于冻胀性土，曲线较平缓且分布较广，易于压实，细颗粒填充于粗颗粒形成的孔隙中，容易得到较高的干密度和较好的力学特性。

图5 土样的质量百分含量

图6 土样的质量累积百分含量

4 结 论

(1)讨论了黑龙江干流堤防砂性土的基本物理特性，基础试验的重要性和对工程上的重要帮助。试验通过基本的土工室内试验分析了黑龙江干流堤防砂性土的基本物理特性，黑河土样的现场压实干密度为1.80 g/cm3，含水率7.68%，比重2.69，液限25.62%，塑限7.28%，最优含水率12.51%，最大干密度1.90 g/cm3，粒径主要集中在0.01～1 mm之间，不均匀系数24.28，曲率系数1.6，属于低液限级配良好的砂，易于压实，工程性质稳定，工程完工后沉降量小。

(2)八岔土样现场压实干密度为1.75 g/cm3，含水率9.86%，比重2.68，含沙量较大塑性较低，最大干密度1.84 g/cm3，最优含水率13.1%，粒径主要集中在0.1～0.5 mm之间，不均匀系数6.78，曲率系数2.16，粒径分布均匀，属于低液限级配不良砂，工程性质较差，不易压实，完工后沉降明显。

[1] 王波.三江治理工程建设的历史机遇与现实意义[J].黑龙江水利科技,2016,4(44):25-28.

[2] 张宜健.不同粒径级砂性土渗透特性实验研究[D].陕西:西安建筑科技大学,2013.

[3] 周晓杰.堤防的渗透变形及其发展的研究[D].北京:清华大学,2006.

[4] 中华人民共和国水利部.土工试验规程：SL 237-1999 [S].北京:中国水利水电出版社,1999.

[5] 李广信,张丙印,于玉贞,等.土力学[M]. 北京:清华大学出版社,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

黑龙江省应用技术研究与开发计划项目(GZ16B019);黑龙江省黑龙江干流堤防工程科学研究实验项目(HGZL/KY-09)

韩 雷(1974-)，男，黑龙江海林人，研究员级高级工程师，主要从事水力学及水工结构方向的科研工作。E-mail：hanleity@126.com。

史长莹(1964-)，男，河北乐亭人，教授，主要从事水利工程教学与科研工作。E-mail：shicy2004@126.com。

TV871

A

2096-0506(2017)06-0011-04