不同浸泡时间下黏性土堤防土体强度特性试验研究

韩 雷，于松铭，李子晗，王理想

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水电局，黑龙江 哈尔滨 150040；3.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

不同浸泡时间下黏性土堤防土体强度特性试验研究

韩 雷1，于松铭2，李子晗3，王理想1

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省水电局，黑龙江 哈尔滨 150040；3.黑龙江大学水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

在堤防工程中，土体的强度变化直接影响到堤防工程的稳定性和安全性。本文结合2013年黑龙江流域水灾的实际情况，室内模拟黏性土堤防工程土体在不同浸泡时间下土体强度的变化。通过筑堤土体在0 d、3 d、7 d、10 d、15 d和30 d六种不同浸泡时间下不固结不排水三轴剪切试验和常规固结试验来研究堤防长期浸泡后土体的强度特性变化。试验结果表明：土体随浸泡时间的增加，其强度参数降低幅度明显，内摩擦角由浸泡3 d降低40%到浸泡30 d降低70%以上，降低速率逐渐减小，最大降低72.1%；黏聚力降低70%以上，变化速率逐渐增大。堤防土体的压缩系数比不浸泡状态增加了1.6倍。

堤防工程；长期浸泡；黏性土；抗剪强度

堤坝的作用主要是挡水，正常运行期堤坝边坡处于稳定状态，但当水流穿过堤坝建筑物时，边坡结构的稳定性降低，且水位发生变化或降雨时，边坡的安全系数将变得更小，容易引起边坡失稳。《土坝设计》[1]一书中指出，实际工程中防洪堤的稳定性破坏主要是渗流破坏，上游高水位使渗流线抬高，背水坡面会产生管涌、流土等现象，引起填土抗剪强度降低，坝基土体抗剪强度不足，致使滑面以外土体滑动力矩大于抗滑力矩，发生坍滑现象。Sevaldson R A[2]与Henkel D J[3]针对边坡的黏土斜坡滑动，通过毕肖普法分析指出，地下水位的上升以及周期性的变化使强度指标有效黏聚力c降低是边坡发生破坏的主要原因。周建[4]和廖红建[5]等针对黏性土在浸水后进行了一系列的室内三轴剪切试验，得出黏性土在浸水后使不固结不排水试验的强度指标黏聚力c明显降低50%以上，而内摩擦角φ的大小几乎不变的结论。朱伟等[6]通过对两个大型河堤渗透试验的结果分析，得出引起河堤稳定性下降的主要原因是伴随着水分增加所产生的土的强度降低，由水份增加引起土体饱和可以使土的黏聚力降低到干燥时的1/10。

对于堤身土料组成较为复杂的黑龙江流域堤防工程来说，其土体本身的强度参数及不同土料的接触面很薄弱。研究黑龙江流域堤防工程长时间洪水浸泡时，其强度特性的变化情况对汛期堤防的运行和抢险具有指导性意义。

1 试验工况

1.1 试验的制备

本试验的试样采取黑龙江流域堤防工程选定试验段的扰动土样进行制备。根据现场勘察结果及设计资料最终选定某桩号范围堤防为试验段，该试验段堤段长度较长，且2013年特大洪水时为险工弱段，附近堤防出现过渗流、决堤等险情，具有代表性。其地质资料是老堤为低液限粉土+低液限黏土+细砂，加高培厚为粉土质砂，透水性强。考虑到选定试验段长度较长，土质组成较复杂，进行了多断面钻孔取样，每个断面取多组扰动土样。将扰动土样进行基础土参数指标的测定，将其平均结果确定为重塑土样的参数指标。重塑土样颗粒分析曲线见图1，物理指标见表1。

图1 重塑土样颗粒大小分布曲线

表1 重塑土样物理性质指标

1.2 试验方法

为了探究黏性土堤防土体强度受到不同时间浸泡下的影响，本文拟进行三轴试验(不固结不排水)以及常规固结试验。其中，固结试验采用电动固结仪器，见图2，三轴试验(不固结不排水)采用北京华勘三轴压缩仪，见图3。试验过程及试验数据结果均通过电脑软件采集完成。

图2 固结试验仪器

图3 三轴试验仪器

根据表1制备固结试验与三轴试验试样各六组,每组根据试验需要有若干土样。其中一组试样在制备完成后即进行试验，另外五组试样分别用纱布包裹封闭后至于水中浸泡。浸泡时间分别为3 d，7 d，10 d，15 d，30 d。待各组浸泡试样达到浸泡天数后即进行试验。

2 试验过程与结果分析

2.1 常规固结试验

试验分别对浸泡不同天数后的试样进行固结压力为50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa的等向固结，获得变形系数与变形曲线。表2为不同浸泡天数土体的固结试验结果。图4为不同浸泡天数的土体在不同固结压力下的变形曲线。

表2 不同浸泡天数土体的固结试验结果

图4 固结试验变形曲线

由表2中可以看出，浸泡后土样的压缩系数明显增大，最大可增大至2倍。但从图4中可以看到，不同的浸泡天数，尤其是较短的浸泡时间(3～15 d)对于土体的压缩性能改变较一致，压缩系数增大幅度都在1.6倍左右。对于汛期的黑龙江流域堤防工程来说，洪水长期浸泡带来的堤防土体变形是较大的，正常行驶车辆应禁止汛期通行，抗洪抢险车辆应尽早运送物资上坝，后期经过长时间浸泡的堤防土体压缩幅度很大，应禁止大荷载机械上坝，保证堤防安全。

2.2 不固结不排水三轴试验(UU)

土样在浸泡不同时间后分别在围压100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa下进行不固结不排水三轴试验。每一组浸泡天数工况同时进行多组平行试验，表3给出不同浸泡工况下的试验结果。以浸泡15 d试样的试验结果为例，其与未浸泡试样结果的包络线如图5。

表3 不同浸泡时间得不固结不排水试验结果

图5 15 d浸泡试样与未浸泡试样不固结不排水包络线

从表3可以看出，黑干堤防土样在经过长时间浸泡后，内摩擦角和黏聚力都降低很多。浸泡30 d后，土的内摩擦角降低60%以上，土的黏聚力降低70%以上。这相较于前人所做试验得出的结果偏大，其原因是本次三轴试验采用得是不固结不排水试验，试样在试验过程中水分无法排出，对于黏粒含量较低的粉黏土扰动很大[7]，故浸泡与未浸泡土样试验结果相差很大。但在实际的工程情况中，堤防长期受到洪水浸泡，其上下游始终处于高水头状态，坝内土体无法很好的进行水分迁移。不固结不排水试验可以很好的模拟这种状态。

2.3 土体强度对比分析

本节将上文三轴试验(不固结不排水)结果与乔兰[8]等对黄河下游堤防土样(黏性土)所做的浸泡试验结果进行比较。乔兰等为观察土体受水浸泡后的强度改变情况，并考虑堤防在洪水期间的土体排水情况，进行了不固结不排水三轴剪切试验，通过试验结果与拟合公式给出了土样浸泡不同天数时其黏聚力与内摩擦角的变化情况。将其试验结果与上文三轴试验结果绘制曲线图，两种土样的黏聚力变化趋势图见图6，内摩擦角变化趋势图见图7。

图6 两种土样随浸泡天数黏聚力变化趋势图

根据图6的变化趋势可以看出，黑龙江堤防土样经过浸泡1～5 d左右，其黏聚力没有明显下降，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下降趋势逐渐变缓，稳定在5 kPa附近；黄河堤防土样浸泡2 d内，其黏聚力即大幅下降，且下降幅度大于黑龙江堤防土样，由32.5 kPa降至12 kPa，浸泡2 d后其黏聚力稳定在12 kPa附近。

图7 两种土样随浸泡天数内摩擦角变化趋势图

根据图7的变化趋势可以看出，黑龙江干流堤防在浸泡1～10 d内，内摩擦角大幅下降，由22.5°降至3°；黄河堤防土样浸泡2 d内，其内摩擦角即大幅下降，与黑龙江堤防土样下降幅度接近，由20.7°降至4.4°，其后稳定在4.4°附近。

可以看出，黄河堤防土样经过浸泡后其强度参数在开始的2 d内即有大幅度下降且黏聚力与内摩擦角的下降趋势幅度接近，经过2 d以上的长时间浸泡后，其强度参数也无明显变化；黑龙江堤防土样经过长期浸泡后的强度参数变化反应较黄河堤防土样较慢，但最终下降幅度较为相似。其中，黏聚力的下降方式为先缓后急，内摩擦角的下降方式为先急后缓。综合来看，长期浸泡造成两种土样强度参数的变化方式较不一致的原因主要是土样主要物理参数不同。黑龙江堤防土样的含水率要远大于黄河堤防土样，同时，黑龙江堤防土样的颗粒粒径要略大于黄河堤防土样。因为土的黏聚力是由土在成岩过程中，土粒间所形成的结晶、连结黏土粒间的分子引力、 黏性土具有的水胶连结和粒间毛细压力这几部分组成，土样在浸泡时破坏了这些力，会使得土样在浸泡后黏聚力迅速下降。由于黄河堤防土样比黑龙江堤防土样的黏粒含量要高，故黄河堤防土样的黏聚力在浸水同样时间时，比黑龙江堤防土样降低更快。

3 结 论

(1)黏性土堤防在长期浸泡下，土的可压缩性明显增加。压缩系数增大，压缩强度明显降低。以浸泡15 d为例，堤防土体的压缩系数比不浸泡状态增加了1.6倍。对于关乎民生安全的堤防工程来说，汛期建议加大管理，减少重型设备上堤。

(2)堤防土样在经过长时间浸泡后，内摩擦角和黏聚力降低幅度明显。土的内摩擦角降低60%以上，土的黏聚力降低70%以上。

(3)考虑长期浸泡工况下的堤防工程土体的强度研究，为黑龙江流域的堤防工程安全运行管理提供有效的试验数据支撑。

[1] 水电部第五工程局. 土坝设计[M]. 北京:水利电力出版社, 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. 防洪堤稳定性的研究[J]. 水利学报, 2002, 33(7):98-103.

[5] 廖红建, 韩波, 殷建华,等. 人工开挖边坡的长期稳定性分析与土的强度参数确定[J]. 岩土工程学报, 2002, 24(5):560-564.

[6] 朱伟, 山村和也. 雨水·洪水渗透时河堤的稳定性[J]. 岩土工程学报, 1999, 21(4):414-419.

[7] 赵宇坤, 刘汉东, 乔兰. 不同浸水时间黄河堤防土体强度特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(S1):3047-3051.

[8] 乔兰, 赵宇坤, 李庆安. 考虑洪水浸泡的黄河下游堤防稳定性预测[J]. 人民黄河, 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。

王理想(1987-)，男，安徽六安人，工程师，主要从事岩土工程方向的科研工作。E-mail：wanglixiang135@126.com。

TV443

：A

：2096-0506(2017)08-0018-05