中小河流治理中非均质土堤的稳定性测定研究

张树鹏

(沈阳市辽中区农业技术推广与行政执法中心，辽宁 沈阳 110000)

根据近20年辽宁省大水灾害统计数据，中小河流堤防决口数量占堤防漫堤决口总数的95%以上，中小河流造成的灾害损失大于大江大河，在没有大江大河堤防决口的情况下，中小河流的经济损失占80%以上，中小河流已逐渐成为辽宁省防洪减灾体系的薄弱环节，中小河流治理工作是当前河道治理的重中之重[1]。辽宁省中部平原区多为黏土(粉黏土)堤防，由于土堤本身抗冲性能较差，因此土堤的迎背水侧需要加大坡面防护措施，提高土堤的稳定性[2]。土堤稳定计算一般需包括以下工况：即(设计洪水位下)堤防稳定渗流期背水堤脚的渗透稳定(用筑堤土料允许出逸比降与计算出逸比降比较结果判定)、稳定渗流期背水侧堤坡抗滑稳定和洪水骤降期临水侧堤坡抗滑稳定(均通过计算抗滑稳定安全系数与规范允许稳定安全系数比较结果判定)[3]。对于传统土堤稳定性分析主要通过野外采样结合室内试验方式进行[4- 10]。但这种方式常常不能完全反应非均质土堤的地质概况，存在一定的测定误差[11- 12]。近些年来原位观测方式在路基稳定性分析中得到广发应用[13- 15]，但在中小河流治理中还未得到相关应用，为此本文结合原位观测方式，探讨其在中小河流治理中非均质土堤稳定性分析中的应用效果，研究方法对于土堤稳定性设计提供重要参考。

1 原位动力触探方法试验方式

1.1 试验方法

原位观测方式的优点在于可以不扰动原有土样工程力学基础上进行测定，在河道治理区位置保持土层的天然结构、天然应力以及含水量的条件下，对其土层力学的指标进行测定，可以有效避免传统测定方法在采样过程由于释放应力使得参数指标测定存在误差，且代表性不高，影响覆盖面不全的问题。本文主要采用圆锥动力触探方法结合抨击试验的方式进行中小河流非均值土堤的力学指标的测定。该方法主要原理在于将一定尺度和规格的圆锥探头通过抨击方式进入探测的土体内，结合圆锥探头进入土体内阻抗的大小来对其土层变化进行判定，对不同土层进行力学指标的分层，一般以抨击次数作为土体的阻抗大小进行分析。

1.2 试验装置

圆锥动力触探装置主要有落锤和探头两个部分组成，不同规格和类型的圆锥动力触探见表1。

1.3 试验原理

其主要的测定原理在于采用能量平衡分析方法进行力学指标的测定，一次抨击试验完成功能转换，转换方程为：

Em=Ek+Ec+Ef+Ep+Ee

(1)

式中，Em—落锤下落产生的能量值，J；Ek—触探器与落锤发生由于碰撞损失的能量值，J；Ec—触探器由于弹性变形所损失的能量值，J；Ef—探杆

表1 不同规格和类型的圆锥动力触探

注：能量指数nd=MHg/A，其中，M—落锤质量，kg；H—下落高度，m；A—探头截面积，cm2；g—重力加速度，m/s2。

侧壁为克服贯穿摩擦所损失的能量值，J；Ep—由于土体塑性变形所损失的能量值，J；Ee—由于土体弹性变形所损失的能量值，J。圆锥动力触探装置能量平衡结构如图1所示。

采用荷兰动力方程对土体动态贯穿阻力Rd计算，方程为：

(2)

式中，e—落锤贯入的深度，mm；M—落锤的重量，kg；m—圆锥探头的重量，kg；A—截面积，cm2；h—落锤下落高度，m。

图1 圆锥动力触探装置能量平衡结构

2 工程实例研究

2.1 工程概况

本文以辽宁中部某中小河流整治为工程实例，该治理工程沿河两岸上部地层由第四系沉积物组成，主要以冲洪积为主的砂卵砾石，下部地层以混合花岗岩、灰黑岩为主。基础自上而下依次为：(1)杂填土(厚0.5～3.2m)；(2)粉质黏土(厚3.0m以上)；(3)粉砂(厚0.5～1.2m)；(4)基岩。其中粉质黏土层渗透系数为1.0×10-6～1.2×10-5cm/s，属于微～弱透水层，砾砂夹卵砾石渗透系数7.24×10-2～3.55×10-1cm/s，属强透水层。地层分布连续稳定，地基土承载力良好，工程地质条件良好。地区汛期多年平均最大风速为12.5m/s，标准冻土深度1.05m。

2.2 试验布设

整个勘查区域的贯穿厚度为0.5～3.2m，整个治理区域共布设115个勘探点，其中布设动力触探测定点为44个，总进尺试验长度为152.4m，其中素填土层为25.2m，卵石层为127.2m，采用圆锥动力触探进行555组数据采集工作。

2.3 锤击统计试验结果

采用原位动力触探方法对锤击数进行统计试验，对不同土层的力学性质进行分析，各土层原位测试的统计试验结果见表2。

从统计试验分析过程可看出，圆锥动力触探类型为重型锤击方式，统计组数最大值为75组，最小值为15组，共进行555组锤击数组试验，从统计试验结果可看出，在各组试验中，锤击土层的厚度最大值为3.20m，厚度最小值为0.43m，厚度均值在0.56～1.51m之间，均低于圆锥动力触探探杆的最大贯入深度。由于锤击应力释放影响，使得各堤防锤击统计试验中存在一定的标准差，结合各堤防变差系数对其标准差进行修正，各提放修正系数在1.365～1.410之间。按修正系数和标准锤击次数进行统计分析可以得到其锤击建议次数，各堤防锤击建议次数在9～27之间。由统计试验可知，该

表2 各土层原位测试锤击数统计表

非均值土堤在力学性质上具有一定的一致性，属于中密度的碎石土体。

2.4 稳定性测试结果

在锤击统计试验分析的基础上，对各堤防不同土层的稳定性进行分析，分析结果见表3。

表3 各堤防不同土层稳定性分析结果

从不同土层的稳定性测试结果可看出，原位测定的工程区非均值土堤承载能力值均高于对应土层标准规范推荐的承载力建议值。从各堤段不同土层的承载能力测定值可看出，杂填土测定的承载能力在216～446kPa之间，粉质黏土经过压实处理后，其原位测定的承载能力均要好于建议的土层承载能力值。研究治理区卵砾石土层测定的承载能力值均低于粉砂承载能力。通过试验分析表明，在采用重型圆锥动力触探类型进行锤击试验后，基本可以满足标准规范要求的承载能力。

2.5 非均质土层安全系数测定结果

在稳定性测定的基础上，结合建议的锤击次数，分析不同承载强度下各土层均值土堤的综合安全系数，各土层锤击试验下的安全系数测定结果分别见表4—7。

从杂填土的综合安全系数分析结果可看出，通常情况下杂填土在不同承载强度下其表层的安全系数可高于其下层软土安全系数的40%～90%之间。因此对于非均值土堤的杂填土而言，压实深度一般应达到下层土体的上覆厚度为宜。对于杂填土而言，随着承载强度及表层土体厚度的增加，其综合安全系数逐步递增。对于粉质黏土而言，由于其土体的内摩擦力及黏聚力均高于杂填土，因此在相同的承载强度下，其综合安全系数也高于杂填土，这

表4 杂填土原位综合安全系数测定结果

表5 粉质黏土原位综合安全系数测定结果

表6 卵砾石原位综合安全系数测定结果

表7 粉砂原位综合安全系数测定结果

主要是因为力学指标决定了非均质土体的强度特征。卵砾石和粉砂属于非均质土堤的基岩，一旦上层覆土测定的综合安全系数可满足安全稳定性，则卵砾石和粉砂土层也具有较好的综合安全系数。

3 动力触探锤击影响因素分析

3.1 不同土层类型影响

经过实例测定分析表明，非均质土堤的不同土层对其锤击影响较大，当土层颗粒较小时，锤击出现离散的程度较小，而当土层为卵砾石和粉砂颗粒时，由于这种土层颗粒较为分散，使得动力触探重锤次数的离散度较高。特别是当探头锤击到颗粒较大的卵砾石时，锤击次数会出现明显的递增变化。非均质土层的密实度、土层之间的摩擦程度、主要填充物质组成对锤击次数产生直接影响。这些由于土层结构的影响因素，在工程实践中是难以避免的，因此对锤击次数进行均值选取从而对其承载能力以及安全系数进行选取是可行方式。

3.2 不同试验方式影响

为提高非均值土堤稳定性测定的精度，在进行动力触探锤击试验时，应注意以下几点：①锤击贯穿时应确保重锤自由下落，探杆的高度不宜过大，以免出现摆动过大的现象；②保持探杆的垂直高度，倾斜角度最大值应低于2%，连续进行重锤的抨击试验，锤击速率控制在20～35min/次，降低摩擦侧壁的阻力，特别是对于黏土层而言，速率较低会增加侧向的摩擦阻力；③每此贯穿深度高于2m，应将探杆进行1次旋转，从而有效降低内摩擦力；④对于重型动力触探贯穿深度应低于20m，超过这个深度，应将内摩擦阻力进行综合考虑。

4 研究结论

(1)原位动力触探方式可对中小河流非均值土堤力学指标、土层的密实程度进行准确测定，为河道治理设计提供天然条件下的地质参数，可有效提高地勘质量，降低地勘成本和周期，该方法在中小河流治理设计中具有广阔前景．

(2)非均质土层的密实度、各土层之间的侧向摩擦、填充物质主要组成均是原位动力触探锤击次数影响的直接动力，在工程实践中建议采用锤击次数均值测定其非均值土堤稳定性指标．

(3)原位动力触探测定的稳定性测定结果和土堤力学参数之间的相关性还需要进一步总结和分析，从而有效减低试验方式影响。