阿勒錦島岸坡非飽和土體固結試驗研究★

張慶海 周利軍 趙 爽 尹 凱

(綏化學院農業與水利工程學院，黑龍江 綏化 152000)

0 引言

阿勒錦島位于松花江江心主航道北側，隸屬于哈爾濱城區段，是典型的河漫灘濕地，是松花江泛洪區自然形成的梭形江心島。江心島東西長約7 km，南北最寬約1.3 km，汊河把江心島分為大島和小島兩個部分[1-3]。江心島的地理位置十分優越，與哈爾濱市區隔江相望，松浦大橋、哈佳鐵路橋與公路橋跨越島嶼的東部，西部隔賓洲鐵路橋與哈爾濱著名旅游景點太陽島相望，對外聯系相對便利。2008年國家批準的《哈爾濱市城市防洪規劃》中提到：“近期狗島可以做無堤利用”，充分利用狗島資源優勢，通過科學規劃，夏季可以為人們提供休閑度假場所，冬季可開發冰雪娛樂活動，控制標準為三年一遇，相應水位117.20 m，這樣的保護利用不會給自然環境生態、航運及城市給排水帶來不利影響[4]。

隨著該政策的提出，江心島開發利用被提上了日程，但相關江心島岸坡穩定性方面的研究卻寥寥無幾，而江心島岸坡土體多為砂土，其穩定性比較差，岸坡的穩定性受松花江水流的沖刷及水位變動的影響較大。水流的沖刷作用和水位的高低變化，可以改變岸坡土體的物理力學特性、滲透性指標、強度指標、岸坡坡體的形態等一系列與岸坡穩定有關的因素。本論文針對天然岸坡土體的物理特性中固結試驗研究其物理參數[5]。

1 試驗原理

固結試驗也叫壓縮試驗，是研究土體一維變形特性的測試方法。該試驗是測定土體在豎向壓力作用下的壓縮特性，并可通過試驗所得的各項指標(如壓縮模量、壓縮系數等)來計算土工建筑物與地基的沉降。當土體表面均布有大面積的豎向荷載時，土體中的空氣和水分將會在壓力的作用下被慢慢的排出，因此土體的孔隙體積隨著壓力作用時間的增長及壓力大小的增加而逐漸的減小，從而土體在均布荷載作用下壓縮性的變化可以表示為孔隙體積隨壓力的增大而減小的關系。

通常是在實驗室通過壓縮固結儀來測定土體壓縮性相關的指標，一般先將土樣放在金屬容器內，在側限的條件下分級施加豎向壓力，如圖1所示，觀察在不同的豎向壓力下土體的壓縮變形量，然后依據試驗觀測記錄所得數據及處理分析后繪制孔隙比隨壓力增長的變化曲線，進而求得土體的壓縮系數、壓縮模量等參數。因試樣是在側限的條件下進行壓縮，所以土體只在豎向承受壓力，并且只在土體的上下方向發生壓縮變形，因此土體的壓縮屬于一維軸對稱應變問題，試樣單元體的受力狀態如圖2所示，土體內部任意一點的豎向應力等于外部施加的壓應力，而側向應力則與土的側向壓縮系數有關，即：σx=σy=k0σz，固結試驗其實際上就是k0條件下的壓縮試驗。

2 試驗儀器、試驗方法及試樣的制備

本次試驗采用單杠桿式三聯固結儀(WG-1B)，試驗方法采用標準固結法，分四級施加豎向壓力：50 kPa,100 kPa,200 kPa,300 kPa。試驗所用試樣均采用直徑61.8 mm×高20 mm的環刀從現場取的原狀土樣，測出每個土樣的含水量，并稱取每個環刀試樣的總重；選取密度相近(密度插值≤0.03 g/cm3)的四個試樣，從中選取一個試樣，定為壓縮試樣,其余的作為備用樣。

3 試驗結果分析

試樣在每級荷載下的穩定壓縮變形量見表1。

取試驗所得中間數據(即第一組數據)，按下式計算試樣的初始孔隙比和各級壓力下的孔隙比：

某一壓力范圍內的壓縮系數可按下式計算：

某一壓力范圍內的壓縮模量可按下式計算：

某一壓力范圍內的體積壓縮系數可按下式計算：

壓縮指數和回彈指數通過下式計算：

其中，e0為初始孔隙比；ei為各級壓力下相對應的孔隙比；h0為試樣的初始高度，20 mm；Δh0為某一級壓力下試樣固結穩定后的總壓縮變形量，mm；αv為壓縮系數，MPa-1；pi為某級荷載的壓力值；Es為壓縮模量，MPa；mv為體積壓縮系數，MPa-1；Cc(Cs)為壓縮指數(回彈指數)。

根據上述公式求得：

土體的初始孔隙比:e0=0.738 5。

土體100 kPa～200 kPa范圍內的壓縮系數：

αv(1-2)=0.158 MPa-1。

土體100 kPa～200 kPa范圍內的壓縮模量：

Es(1-2)=11.003 MPa。

土體100 kPa～200 kPa范圍內的體積壓縮系數為：

mv=0.091 MPa-1。

土體100 kPa～200 kPa范圍內的壓縮指數(回彈指數)：

Cc(Cs)=0.05。

以孔隙比為縱坐標，豎向壓力為橫坐標，繪制孔隙比隨豎向壓力變化的規律曲線如圖3所示。

利用多元回歸線性擬合得出岸坡土體孔隙比與豎向荷載的關系式為：

e1=0.659 9+0.078 6e-0.011 4p(ep=0=0.738 5,R=0.989 7)。

通過擬合公式得出曲線e—p，推導出的壓縮系數為0.158 MPa-1，壓縮指數(回彈指數)為Cc(Cs)=0.050，屬于中壓縮性土。

4 結語

利用儀器單杠桿式固結儀(WG-1B)對土體進行固結試驗研究可知，阿勒錦島非飽和土物理參數：

1)通過多元回歸線性擬合孔隙比與壓力關系曲線得出p=0時，e0=0.749 0；

2)得出土體100 kPa～200 kPa范圍內，壓縮系數0.158 MPa-1、壓縮模量9.883 MPa、體積壓縮系數0.101 MPa-1、壓縮指數(回彈指數)0.05。

通過以上數據得出，阿勒錦島岸坡土體屬于中壓縮性土。

[1] 朱 光．從橘子洲的發展探討狗島的保護利用[J]．水利科技與經濟，2010，16(9)：976-977．

[2] 南 昊．從哈爾濱段江心島分析松花江泥沙沉降[J]．中國新技術新產品，2010(12)：81．

[3] 張 杰．松花江哈爾濱段水位枯、洪水期歷史規律分析[J]．黑龍江氣象，2008，25(1)：17-18．

[4] 張 文.水流沖刷作用下阿勒錦洲天然岸坡穩定性研究[D].哈爾濱：黑龍江科技大學，2013.

[5] 周 莉．阿勒錦島岸坡非飽和土土—水特征曲線試驗研究[J]．黑龍科技大學學報，2015(3):69-70.