不同浸泡時間下黏性土堤防土體強度特性試驗研究

韓 雷，于松銘，李子晗，王理想

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水電局，黑龍江 哈爾濱 150040；3.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

不同浸泡時間下黏性土堤防土體強度特性試驗研究

韓 雷1，于松銘2，李子晗3，王理想1

(1.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省水電局，黑龍江 哈爾濱 150040；3.黑龍江大學水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

在堤防工程中，土體的強度變化直接影響到堤防工程的穩(wěn)定性和安全性。本文結合2013年黑龍江流域水災的實際情況，室內模擬黏性土堤防工程土體在不同浸泡時間下土體強度的變化。通過筑堤土體在0 d、3 d、7 d、10 d、15 d和30 d六種不同浸泡時間下不固結不排水三軸剪切試驗和常規(guī)固結試驗來研究堤防長期浸泡后土體的強度特性變化。試驗結果表明：土體隨浸泡時間的增加，其強度參數(shù)降低幅度明顯，內摩擦角由浸泡3 d降低40%到浸泡30 d降低70%以上，降低速率逐漸減小，最大降低72.1%；黏聚力降低70%以上，變化速率逐漸增大。堤防土體的壓縮系數(shù)比不浸泡狀態(tài)增加了1.6倍。

堤防工程；長期浸泡；黏性土；抗剪強度

堤壩的作用主要是擋水，正常運行期堤壩邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，但當水流穿過堤壩建筑物時，邊坡結構的穩(wěn)定性降低，且水位發(fā)生變化或降雨時，邊坡的安全系數(shù)將變得更小，容易引起邊坡失穩(wěn)。《土壩設計》[1]一書中指出，實際工程中防洪堤的穩(wěn)定性破壞主要是滲流破壞，上游高水位使?jié)B流線抬高，背水坡面會產(chǎn)生管涌、流土等現(xiàn)象，引起填土抗剪強度降低，壩基土體抗剪強度不足，致使滑面以外土體滑動力矩大于抗滑力矩，發(fā)生坍滑現(xiàn)象。Sevaldson R A[2]與Henkel D J[3]針對邊坡的黏土斜坡滑動，通過畢肖普法分析指出，地下水位的上升以及周期性的變化使強度指標有效黏聚力c降低是邊坡發(fā)生破壞的主要原因。周建[4]和廖紅建[5]等針對黏性土在浸水后進行了一系列的室內三軸剪切試驗，得出黏性土在浸水后使不固結不排水試驗的強度指標黏聚力c明顯降低50%以上，而內摩擦角φ的大小幾乎不變的結論。朱偉等[6]通過對兩個大型河堤滲透試驗的結果分析，得出引起河堤穩(wěn)定性下降的主要原因是伴隨著水分增加所產(chǎn)生的土的強度降低，由水份增加引起土體飽和可以使土的黏聚力降低到干燥時的1/10。

對于堤身土料組成較為復雜的黑龍江流域堤防工程來說，其土體本身的強度參數(shù)及不同土料的接觸面很薄弱。研究黑龍江流域堤防工程長時間洪水浸泡時，其強度特性的變化情況對汛期堤防的運行和搶險具有指導性意義。

1 試驗工況

1.1 試驗的制備

本試驗的試樣采取黑龍江流域堤防工程選定試驗段的擾動土樣進行制備。根據(jù)現(xiàn)場勘察結果及設計資料最終選定某樁號范圍堤防為試驗段，該試驗段堤段長度較長，且2013年特大洪水時為險工弱段，附近堤防出現(xiàn)過滲流、決堤等險情，具有代表性。其地質資料是老堤為低液限粉土+低液限黏土+細砂，加高培厚為粉土質砂，透水性強。考慮到選定試驗段長度較長，土質組成較復雜，進行了多斷面鉆孔取樣，每個斷面取多組擾動土樣。將擾動土樣進行基礎土參數(shù)指標的測定，將其平均結果確定為重塑土樣的參數(shù)指標。重塑土樣顆粒分析曲線見圖1，物理指標見表1。

圖1 重塑土樣顆粒大小分布曲線

表1 重塑土樣物理性質指標

1.2 試驗方法

為了探究黏性土堤防土體強度受到不同時間浸泡下的影響，本文擬進行三軸試驗(不固結不排水)以及常規(guī)固結試驗。其中，固結試驗采用電動固結儀器，見圖2，三軸試驗(不固結不排水)采用北京華勘三軸壓縮儀，見圖3。試驗過程及試驗數(shù)據(jù)結果均通過電腦軟件采集完成。

圖2 固結試驗儀器

圖3 三軸試驗儀器

根據(jù)表1制備固結試驗與三軸試驗試樣各六組,每組根據(jù)試驗需要有若干土樣。其中一組試樣在制備完成后即進行試驗，另外五組試樣分別用紗布包裹封閉后至于水中浸泡。浸泡時間分別為3 d，7 d，10 d，15 d，30 d。待各組浸泡試樣達到浸泡天數(shù)后即進行試驗。

2 試驗過程與結果分析

2.1 常規(guī)固結試驗

試驗分別對浸泡不同天數(shù)后的試樣進行固結壓力為50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa的等向固結，獲得變形系數(shù)與變形曲線。表2為不同浸泡天數(shù)土體的固結試驗結果。圖4為不同浸泡天數(shù)的土體在不同固結壓力下的變形曲線。

表2 不同浸泡天數(shù)土體的固結試驗結果

圖4 固結試驗變形曲線

由表2中可以看出，浸泡后土樣的壓縮系數(shù)明顯增大，最大可增大至2倍。但從圖4中可以看到，不同的浸泡天數(shù)，尤其是較短的浸泡時間(3～15 d)對于土體的壓縮性能改變較一致，壓縮系數(shù)增大幅度都在1.6倍左右。對于汛期的黑龍江流域堤防工程來說，洪水長期浸泡帶來的堤防土體變形是較大的，正常行駛車輛應禁止汛期通行，抗洪搶險車輛應盡早運送物資上壩，后期經(jīng)過長時間浸泡的堤防土體壓縮幅度很大，應禁止大荷載機械上壩，保證堤防安全。

2.2 不固結不排水三軸試驗(UU)

土樣在浸泡不同時間后分別在圍壓100 kPa，200 kPa，300 kPa，400 kPa下進行不固結不排水三軸試驗。每一組浸泡天數(shù)工況同時進行多組平行試驗，表3給出不同浸泡工況下的試驗結果。以浸泡15 d試樣的試驗結果為例，其與未浸泡試樣結果的包絡線如圖5。

表3 不同浸泡時間得不固結不排水試驗結果

圖5 15 d浸泡試樣與未浸泡試樣不固結不排水包絡線

從表3可以看出，黑干堤防土樣在經(jīng)過長時間浸泡后，內摩擦角和黏聚力都降低很多。浸泡30 d后，土的內摩擦角降低60%以上，土的黏聚力降低70%以上。這相較于前人所做試驗得出的結果偏大，其原因是本次三軸試驗采用得是不固結不排水試驗，試樣在試驗過程中水分無法排出，對于黏粒含量較低的粉黏土擾動很大[7]，故浸泡與未浸泡土樣試驗結果相差很大。但在實際的工程情況中，堤防長期受到洪水浸泡，其上下游始終處于高水頭狀態(tài)，壩內土體無法很好的進行水分遷移。不固結不排水試驗可以很好的模擬這種狀態(tài)。

2.3 土體強度對比分析

本節(jié)將上文三軸試驗(不固結不排水)結果與喬蘭[8]等對黃河下游堤防土樣(黏性土)所做的浸泡試驗結果進行比較。喬蘭等為觀察土體受水浸泡后的強度改變情況，并考慮堤防在洪水期間的土體排水情況，進行了不固結不排水三軸剪切試驗，通過試驗結果與擬合公式給出了土樣浸泡不同天數(shù)時其黏聚力與內摩擦角的變化情況。將其試驗結果與上文三軸試驗結果繪制曲線圖，兩種土樣的黏聚力變化趨勢圖見圖6，內摩擦角變化趨勢圖見圖7。

圖6 兩種土樣隨浸泡天數(shù)黏聚力變化趨勢圖

根據(jù)圖6的變化趨勢可以看出，黑龍江堤防土樣經(jīng)過浸泡1～5 d左右，其黏聚力沒有明顯下降，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下降趨勢逐漸變緩，穩(wěn)定在5 kPa附近；黃河堤防土樣浸泡2 d內，其黏聚力即大幅下降，且下降幅度大于黑龍江堤防土樣，由32.5 kPa降至12 kPa，浸泡2 d后其黏聚力穩(wěn)定在12 kPa附近。

圖7 兩種土樣隨浸泡天數(shù)內摩擦角變化趨勢圖

根據(jù)圖7的變化趨勢可以看出，黑龍江干流堤防在浸泡1～10 d內，內摩擦角大幅下降，由22.5°降至3°；黃河堤防土樣浸泡2 d內，其內摩擦角即大幅下降，與黑龍江堤防土樣下降幅度接近，由20.7°降至4.4°，其后穩(wěn)定在4.4°附近。

可以看出，黃河堤防土樣經(jīng)過浸泡后其強度參數(shù)在開始的2 d內即有大幅度下降且黏聚力與內摩擦角的下降趨勢幅度接近，經(jīng)過2 d以上的長時間浸泡后，其強度參數(shù)也無明顯變化；黑龍江堤防土樣經(jīng)過長期浸泡后的強度參數(shù)變化反應較黃河堤防土樣較慢，但最終下降幅度較為相似。其中，黏聚力的下降方式為先緩后急，內摩擦角的下降方式為先急后緩。綜合來看，長期浸泡造成兩種土樣強度參數(shù)的變化方式較不一致的原因主要是土樣主要物理參數(shù)不同。黑龍江堤防土樣的含水率要遠大于黃河堤防土樣，同時，黑龍江堤防土樣的顆粒粒徑要略大于黃河堤防土樣。因為土的黏聚力是由土在成巖過程中，土粒間所形成的結晶、連結黏土粒間的分子引力、 黏性土具有的水膠連結和粒間毛細壓力這幾部分組成，土樣在浸泡時破壞了這些力，會使得土樣在浸泡后黏聚力迅速下降。由于黃河堤防土樣比黑龍江堤防土樣的黏粒含量要高，故黃河堤防土樣的黏聚力在浸水同樣時間時，比黑龍江堤防土樣降低更快。

3 結 論

(1)黏性土堤防在長期浸泡下，土的可壓縮性明顯增加。壓縮系數(shù)增大，壓縮強度明顯降低。以浸泡15 d為例，堤防土體的壓縮系數(shù)比不浸泡狀態(tài)增加了1.6倍。對于關乎民生安全的堤防工程來說，汛期建議加大管理，減少重型設備上堤。

(2)堤防土樣在經(jīng)過長時間浸泡后，內摩擦角和黏聚力降低幅度明顯。土的內摩擦角降低60%以上，土的黏聚力降低70%以上。

(3)考慮長期浸泡工況下的堤防工程土體的強度研究，為黑龍江流域的堤防工程安全運行管理提供有效的試驗數(shù)據(jù)支撐。

[1] 水電部第五工程局. 土壩設計[M]. 北京:水利電力出版社, 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. 防洪堤穩(wěn)定性的研究[J]. 水利學報, 2002, 33(7):98-103.

[5] 廖紅建, 韓波, 殷建華,等. 人工開挖邊坡的長期穩(wěn)定性分析與土的強度參數(shù)確定[J]. 巖土工程學報, 2002, 24(5):560-564.

[6] 朱偉, 山村和也. 雨水·洪水滲透時河堤的穩(wěn)定性[J]. 巖土工程學報, 1999, 21(4):414-419.

[7] 趙宇坤, 劉漢東, 喬蘭. 不同浸水時間黃河堤防土體強度特性試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27(S1):3047-3051.

[8] 喬蘭, 趙宇坤, 李慶安. 考慮洪水浸泡的黃河下游堤防穩(wěn)定性預測[J]. 人民黃河, 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

黑龍江省應用技術研究與開發(fā)計劃項目(GZ16B019)；黑龍江省黑龍江干流堤防工程科學研究實驗項目(HGZL/KY-09)

韓 雷(1974-)，男，黑龍江海林人，研究員級高級工程師，主要從事水力學及水工結構方向的科研工作。E-mail：hanleity@126.com。

王理想(1987-)，男，安徽六安人，工程師，主要從事巖土工程方向的科研工作。E-mail：wanglixiang135@126.com。

TV443

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：2096-0506(2017)08-0018-05