濱州黃河河道灘岸土體組成及力學(xué)特性研究

【摘要】本文采用現(xiàn)場(chǎng)查勘與試驗(yàn)相結(jié)合的辦法，對(duì)濱州黃河河道灘岸土體組成及力學(xué)特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)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(zhì)砂。同一種灘岸土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)大小與干密度呈正比趨勢(shì)，而與飽和度呈反比趨勢(shì)。由本次選取的代表性斷面土體顆粒分析結(jié)果來看，低灘土體大多由粉土質(zhì)砂組成，含粘性土極少，是較易坍塌的灘岸。

【關(guān)鍵詞】濱州黃河河道；灘岸土體；力學(xué)特性；抗剪強(qiáng)度

濱州黃河河道局部河段存在著水流散亂，主流擺動(dòng)不定，河床穩(wěn)定性較差的特點(diǎn)。這種演變特點(diǎn)主要是其邊界條件的不穩(wěn)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(wěn)定性較差。因此開展濱州黃河河道灘岸土體組成與抗剪強(qiáng)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(xué)特性，此次選取了典型部位取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)主要包括顆粒分析、比重、界限含水率、密度、直剪等，試驗(yàn)結(jié)果反映土質(zhì)的類別、顆粒的級(jí)配組成、抗剪強(qiáng)度以及密實(shí)程度等指標(biāo)。試驗(yàn)主要依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB123-1999）及《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）進(jìn)行。

1、研究的開展情況

1.1土體取樣情況

通過對(duì)濱州黃河河道灘岸情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，本次取樣布點(diǎn)主要在選取的4個(gè)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(nèi)，按照各層土體組成、結(jié)構(gòu)及性質(zhì)不同，分別進(jìn)行取樣。本次現(xiàn)場(chǎng)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查，測(cè)量低灘土體各種土層厚度，并對(duì)各土層根據(jù)顆粒組成情況及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)定名，繪制出低灘取樣處現(xiàn)場(chǎng)土層剖面圖。

1.2研究的主要內(nèi)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(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)主要內(nèi)容包括：（1）土體顆粒分析與比重試驗(yàn)。土體顆粒分析試驗(yàn)?zāi)康氖橇私馔临|(zhì)的顆粒級(jí)配組成以及對(duì)土質(zhì)進(jìn)行分類定名。土體顆粒分析試驗(yàn)對(duì)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(jì)法。對(duì)粗細(xì)兼有的泥沙，采用篩析法、密度計(jì)法聯(lián)合分析。比重試驗(yàn)采用比重瓶法。比重瓶體積100ml，細(xì)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(yàn)。試驗(yàn)的目的是測(cè)定細(xì)粒土的液限和塑限，并計(jì)算塑性指數(shù)，劃分土類。適宜于粒徑小于0.5mm的顆粒組成及有機(jī)質(zhì)含量不大于干土質(zhì)量5%的泥沙。本次試驗(yàn)利用風(fēng)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(shù)量的純水，制備成接近液限、塑限和二者中間狀態(tài)的不同稠度的土膏，采用光電式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定圓錐的下沉深度。以含水率為橫坐標(biāo)，圓錐下沉深度為縱坐標(biāo)，繪制關(guān)系曲線，得出細(xì)粒土的液限、塑限。（3）抗剪強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)。直接剪切試驗(yàn)采用控制式直剪儀。細(xì)粒土、砂類土采用快剪試驗(yàn)，根據(jù)泥沙土樣的軟硬程度施加各級(jí)垂直壓力，對(duì)松軟試樣垂直壓力應(yīng)分級(jí)施加，以防泥沙土樣擠出。以1.2mm/min的剪切速度進(jìn)行剪切，使試樣在5min內(nèi)剪損。手輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈測(cè)記測(cè)力計(jì)和位移讀數(shù)，直至測(cè)力計(jì)讀數(shù)出現(xiàn)峰值，應(yīng)繼續(xù)剪切至剪切位移為4mm時(shí)停機(jī)，記下破壞值；當(dāng)剪切過程中測(cè)力計(jì)讀數(shù)無峰值時(shí)，應(yīng)剪切至剪切位移為6mm停機(jī)。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，垂直壓力為橫坐標(biāo)，繪制抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線，得出泥沙土體的凝聚力、內(nèi)摩擦角。

2、 研究結(jié)果分析

對(duì)土體原狀樣進(jìn)行了天然狀態(tài)下的各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)試驗(yàn)，包括顆粒分析、界限含水率、比重、密度、凝聚力和內(nèi)摩擦角等試驗(yàn)，對(duì)土體散裝樣主要進(jìn)行顆粒分析、比重、界限含水率等試驗(yàn)。研究結(jié)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(zhì)砂（15%<細(xì)粒含量≤50%，細(xì)粒為粉土）、含細(xì)粒土砂（細(xì)粒含量5%～15%），主要以低液限粘土和粉土質(zhì)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(nèi)摩擦角介于25.9°～36.7°之間，平均值28.93°。土層粉土質(zhì)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(nèi)摩擦角介于32.8°～34.7°之間，平均值33.56°通過現(xiàn)場(chǎng)勘查及試驗(yàn)結(jié)果可知，由于沉積韻律及成因不同，不同斷面土質(zhì)結(jié)構(gòu)變化有相同規(guī)律，大多數(shù)斷面土層組成呈現(xiàn)上部泥沙土質(zhì)較細(xì)，下部土質(zhì)較粗的規(guī)律。所取斷面土樣以低液限粘土和粉土質(zhì)砂為主。對(duì)于同一種土樣，由試驗(yàn)資料分別得出了土樣干密度與凝聚力、干密度與內(nèi)摩擦角、飽和度與凝聚力以及飽和度與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，研究結(jié)果表明，土樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨干密度增大而增大，隨飽和度增大而減小。

3、主要結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)：

[1] 《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999）[M].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

[2]《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（L1624052）

作者簡(jiǎn)介：馬琳（1981- ），女，山東濱州人，工程師，主要從事水利工程勘察設(shè)計(jì)。