濱州黃河河道灘岸土體組成及力學特性研究

【摘要】本文采用現場查勘與試驗相結合的辦法，對濱州黃河河道灘岸土體組成及力學特性進行了研究，研究結果表明：濱州黃河河道灘岸土體主要為低液限粘土及粉土質砂。同一種灘岸土體抗剪強度指標大小與干密度呈正比趨勢，而與飽和度呈反比趨勢。由本次選取的代表性斷面土體顆粒分析結果來看，低灘土體大多由粉土質砂組成，含粘性土極少，是較易坍塌的灘岸。

【關鍵詞】濱州黃河河道；灘岸土體；力學特性；抗剪強度

濱州黃河河道局部河段存在著水流散亂，主流擺動不定，河床穩定性較差的特點。這種演變特點主要是其邊界條件的不穩定性造成的。濱州黃河河道灘岸土體組成主要以砂性土為主，粘粒含量較少，缺乏抗沖性，使得某些典型河段的穩定性較差。因此開展濱州黃河河道灘岸土體組成與抗剪強度研究可為為濱州黃河河道治理提供科技支撐。為了分析研究濱州黃河河道某些典型河段土體組成及其力學特性，此次選取了典型部位取樣進行室內試驗，室內試驗主要包括顆粒分析、比重、界限含水率、密度、直剪等，試驗結果反映土質的類別、顆粒的級配組成、抗剪強度以及密實程度等指標。試驗主要依據《土工試驗方法標準》（GB123-1999）及《土工試驗規程》（SL237-1999）進行。

1、研究的開展情況

1.1土體取樣情況

通過對濱州黃河河道灘岸情況進行現場查勘，本次取樣布點主要在選取的4個典型斷面的低灘土體，選取最易塌岸部位。所取土樣深度均在1.2m以內，按照各層土體組成、結構及性質不同，分別進行取樣。本次現場共取原狀樣10組，散狀樣4組。原狀土樣用鐵皮筒取樣，散狀樣以袋裝取樣。根據現場勘查，測量低灘土體各種土層厚度，并對各土層根據顆粒組成情況及經驗進行了現場定名，繪制出低灘取樣處現場土層剖面圖。

1.2研究的主要內容

為了分析研究濱州黃河河道灘岸土體基本屬性，此次選取了典型部位取樣進行試驗，試驗主要內容包括：（1）土體顆粒分析與比重試驗。土體顆粒分析試驗目的是了解土質的顆粒級配組成以及對土質進行分類定名。土體顆粒分析試驗對粒徑大于0.075mm的部分，采用篩析法；粒徑小于0.075mm的顆粒，采用密度計法。對粗細兼有的泥沙，采用篩析法、密度計法聯合分析。比重試驗采用比重瓶法。比重瓶體積100ml，細粒土采用煮沸排氣，砂性土采用真空抽氣法。（2）界限含水率試驗。試驗的目的是測定細粒土的液限和塑限，并計算塑性指數，劃分土類。適宜于粒徑小于0.5mm的顆粒組成及有機質含量不大于干土質量5%的泥沙。本次試驗利用風干泥沙土樣，取過0.5mm篩的代表性泥沙土樣約200g，分成3份，分別加入不同數量的純水，制備成接近液限、塑限和二者中間狀態的不同稠度的土膏，采用光電式液塑限聯合測定儀測定圓錐的下沉深度。以含水率為橫坐標，圓錐下沉深度為縱坐標，繪制關系曲線，得出細粒土的液限、塑限。（3）抗剪強度指標試驗。直接剪切試驗采用控制式直剪儀。細粒土、砂類土采用快剪試驗，根據泥沙土樣的軟硬程度施加各級垂直壓力，對松軟試樣垂直壓力應分級施加，以防泥沙土樣擠出。以1.2mm/min的剪切速度進行剪切，使試樣在5min內剪損。手輪每轉動一圈測記測力計和位移讀數，直至測力計讀數出現峰值，應繼續剪切至剪切位移為4mm時停機，記下破壞值；當剪切過程中測力計讀數無峰值時，應剪切至剪切位移為6mm停機。以抗剪強度為縱坐標，垂直壓力為橫坐標，繪制抗剪強度與垂直壓力關系曲線，得出泥沙土體的凝聚力、內摩擦角。

2、 研究結果分析

對土體原狀樣進行了天然狀態下的各項物理力學性質指標試驗，包括顆粒分析、界限含水率、比重、密度、凝聚力和內摩擦角等試驗，對土體散裝樣主要進行顆粒分析、比重、界限含水率等試驗。研究結果表明，此次選取的斷面土層由四大類土體組成，分別是高液限粘土（IP≥10、ωL≥50%）、低液限粘土（IP≥10、ωL<50%）、粉土質砂（15%<細粒含量≤50%，細粒為粉土）、含細粒土砂（細粒含量5%～15%），主要以低液限粘土和粉土質砂為主。泥沙土層低液限粘土粘粒含量介于4.8%～36.9%之間，平均值為14.45%；干密度介于1.35g/cm3～1.78 g/cm3之間，平均值為1.62 g/cm3；土層凝聚力介于4.2kPa～35.6kPa之間，平均值22.45kPa；泥沙土層內摩擦角介于25.9°～36.7°之間，平均值28.93°。土層粉土質砂粘粒含量介于2.3%～3.9%之間，平均值為3.2%；土層干密度介于1.29 g/cm3～1.62 g/cm3之間，平均值為1.49 g/cm3；土層凝聚力介于4.2kPa～35.8kPa之間，平均值21.45kPa；土層內摩擦角介于32.8°～34.7°之間，平均值33.56°通過現場勘查及試驗結果可知，由于沉積韻律及成因不同，不同斷面土質結構變化有相同規律，大多數斷面土層組成呈現上部泥沙土質較細，下部土質較粗的規律。所取斷面土樣以低液限粘土和粉土質砂為主。對于同一種土樣，由試驗資料分別得出了土樣干密度與凝聚力、干密度與內摩擦角、飽和度與凝聚力以及飽和度與內摩擦角之間的關系，研究結果表明，土樣抗剪強度指標隨干密度增大而增大，隨飽和度增大而減小。

3、主要結論

在濱州黃河河道選取的典型斷面進行土體取樣，取樣深度在1.2m以內，土體由高液限粘土、低液限粘土、粉土質砂、含細粒土砂組成，主要土體為低液限粘土及粉土質砂。所選取斷面土體構成為上部土質較細，一般為低液限粘土，下部土質較粗，一般為粉土質砂或含細粒土砂。對抗沖性有較大影響的土性指標為粘粒含量、抗剪強度，不同土體的粘粒含量及抗剪強度特性不同，粘粒含量由高到低的順序為：高液限粘土>低液限粘土>粉土質砂>含細粒土砂；低液限粘土抗剪強度指標凝聚力大于粉土質砂，粉土質砂內摩擦角大于低液限粘土。同一種土體抗剪強度指標大小與干密度呈正比趨勢，而與飽和度呈反比趨勢。由本次選取的代表性斷面土體顆粒分析結果來看，低灘土體大多由低液限粘土、粉土質砂組成，含粘性土極少，是最易沖刷、坍塌的河岸。

參考文獻：

[1] 《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999）[M].北京：中國計劃出版社，1999.

[2]《土工試驗規程》（SL237-1999）[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

基金項目：國家自然科學基金項目（L1624052）

作者簡介：馬琳（1981- ），女，山東濱州人，工程師，主要從事水利工程勘察設計。