基于非饱和土压强度模型的河道堤防设计关键指标研究_项英男.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，项英男基于非饱和土压强度模型的河道堤防设计关键指标研究水利科学与寒区工程，（）：基于非饱和土压强度模型的河道堤防设计关键指标研究项英男（辽宁天阳工程技术咨询服务有限公司，辽宁 沈阳 ）摘要：采用非饱和土压强度计算模型对河道堤防土湿吸力进行计算，并结合土湿吸力现场测定值对模型进行验证。结果表明：非饱和土压强度模型由于可考虑土壤含水率的变化，其土湿系列计算值和原位观测试验值之间误差低于，具有较好的计算精度。土湿吸力和含水率呈现负相关性，与土体抗剪强度呈现正相关性。关键词：土湿吸力；非饱和土压强度模型；计算精度验证；河道治理工程中图分类号：文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：项英男（），女，辽宁锦州人，工程师，从事河道治理设计工作。：。非饱和土压强度模型土体表层的湿吸力采用非饱和土压强度计算模型进行计算如式（）：（）（）（）式中：为土湿吸力计算值，；为土体法向应力，；为计算土壤颗粒粒径，；和为土壤含水率和饱和含水率，；为土壤张力系数。土体宏观湿吸力的计算方程如式（）：（）（）（）（）式中：为宏观土湿吸力，。当土体含水率达到定值时与饱和含水率具有线性相关性，采用式（）、式（）对土体颗粒间隙容量进行计算：（）（）（）式中：和为土体圆柱和圆球体积，；为土体圆柱半径，；和为土体侧面高度和底部半径，。采用式（）对土体颗粒孔隙体积进行计算：（）（）（）式中：为土体颗粒孔隙体积，。软土地基的含水率采用土体颗粒孔隙体积进行计算如式（）：.（）（）对其进行转换计算如式（）：（）（）（）式中：为软土地基的含水率，。土体物理特征指标以沈阳秀水河河道治理工程为具体实例，根据现场钻探，秀水河河道堤防土层主要分布有个土层：第一层为杂填土，主要由结构松散且分布不均的 碎 石 及 黏 性 土 组 成，土 层 厚 度 在 之间。第二层为呈现软、硬可塑状态的粉质黏土，土壤组成为黄褐土灰褐土，粉质黏土的厚度在 之间，厚度均值为 。第三层为中砂土层，土壤组成为石英长石质，少量黏 性 土 在 中 砂 土 层 内，厚 度 分 布 在 之间，厚度均值为 。第四层为黄褐色砾砂，为石英长石质混粒结构，土层厚度分布在 之间，厚度均值为 。第五层为基岩层，基岩层主要由黄岗岩组成，石英为其主要组成成分，花岗岩最大层厚为 ，秀水河土体主要物理特征指标如表所示。采用原位观测试验方式对其堤防的土湿吸力进行现场测定，用于对非饱和土压强度进行精度验证。在原位观测试验中，将不同含水率堤防土体样板进行采样后进行恒温条件下的密实处理后，进行静置和风干，静置后可均匀分布土体样本的含水量。通过对土体进行密实处理可提高不同含水率条件下的土湿吸力检测的精度。恒温平衡处理的期限一般为，土湿吸力在恒温平衡处理后采用滤纸进行称重处理，土湿吸力结合滤纸试验前后重 量 进 行 对 比 分 析 测 定。现 场 测 地 如 图所示。表测定土体的物理特征指标土壤饱和含水率相对密度液限塑限颗粒组成 图土湿吸力现场测定计算成果 模型计算结果验证对两种干密度下土体的土湿吸力分布采用非饱和土压强度模型进行计算，并结合原位观测实验测定值进行模型验证，验证结果如表所示。从非饱和土压强度计算模型验证结果可看出，不同含水率条件下非饱和土压强度模型计算的土湿吸力和原位观测试验下测定的土体样本的土湿吸力之间误差均在的允许误差范围内，可满足水利工程设计对土湿吸力设计许可误差要求。这主要是因为非饱和土压强度可综合考虑土体间隙容量以及土体颗粒孔隙体积对土湿吸力的综合影响，通过建立土壤含水率和土体间隙容量以及土体颗粒孔隙体积的相关转换方程，实现非饱和含水率条件下的土壤湿力的计算，可提高非饱和土压强度模型对区域土湿吸力计算的准确度。在实际应用过程，通过建立非饱和土压强度模型，结合原位现场观测试验对模型主要参数进行现场测定，通过模型检验后，可用来计算河道治理设计工程中不同含水率条件下的土湿吸力。表非饱和土压强度计算模型验证结果土湿吸力测定值 土湿吸力计算值 计算误差 不同初始含水率条件下的土湿吸力计算结合非饱和土压强度模型计算不同土体含水率下的土湿吸力，不同含水率对土湿吸力的影响进行分析，相析结果如表所示。从不同含水率条件下土湿吸力计算值可看出，土体表层土湿吸力和宏观土湿吸力均随着含水率的递增而逐步递减，初始含水率的增加使得土体颗粒之间的黏聚力和摩擦力增加，从而使得土湿吸力不断减小。从不同初始含水率条件下的土湿吸力分析可看出，土湿吸力影响的主要因素为含水率，其和土湿吸力之间存在较为明显的负相关性，即 土 湿 吸 力 随 着 含 水 率 的 增 加 而 逐 步递减。不同土湿吸力下的的抗剪强度分析对观测区域河道堤防土体在不同土湿吸力条件下的抗剪强度进行分析，分析结果如表所示。从不同土湿吸力下的抗剪强度分析结果可看出，土体初始含水率越高在相同土湿吸力下的抗剪强度越低，不同初始含水率下土体土湿吸力递增后逐步增加其抗剪强度。当土湿吸力为 第期项英男基于非饱和土压强度模型的河道堤防设计关键指标研究后土体抗剪强度增幅逐步递减后趋于稳定。土体颗粒孔隙的摩擦力随着土湿吸力的增加而增加。水利工程设计的稳定性当土湿吸力增加到一定程度后将逐步减弱，因此需要结合非饱和土压强度计算模型在进行河道治理工程设计时对其土湿吸力进行计算，从而对河道治理工程土体失稳条件下的抗剪强度进行确定，作为工程设计重要指标，提高设计的合理性。表不同初始含水率条件下土湿吸力计算值含水率 表不同土湿吸力下的抗剪强度分析土湿吸力 抗剪强度 结论（）土体不同含水率条件下非饱和土压强度模型计算土湿吸力和原位观测试验测定的土湿吸力之间的误差均在在以内，满足水利工程设计规范要求的许可误差。（）土体颗粒孔隙的摩擦力和黏聚力随着含水率递减而逐步增加，增加的土体颗粒孔隙摩擦力将会增加土湿吸力，降低土体抗剪强度，土湿吸力和含水率、抗剪强度分别呈现负相关和正相关。（）结合非饱和土压强度计算模型对河道堤防治理工程土体土湿吸力进行计算，对趋于稳定临界点的土湿吸力下的土体抗剪强度进行分析，从而对堤防土体最大土湿吸力进行计算。参考文献：曾立峰考虑孔隙水赋存特性的非饱和土广义有效应力原理及抗剪强度模型研究大连：大连理工大学，李映波，张存良，黎洪江，等基于初始含水率的非饱和土抗剪强 度 模 型 中 国 水 运（下 半 月），（）：徐筱高吸力及低应力下非饱和土的强度和变形特性北京：北京交通大学，王鑫基于非饱和土压强度计算模型的土湿吸力物理模型试验分析水利技术监督，（）：徐筱，赵成刚，蔡国庆区分毛细和吸附作用的非饱和土抗剪 强 度 模 型 岩 土 力 学，（）：，张鹏程，汤连生，邓钟尉，等非饱和土湿吸力与含水率的定量 关 系 研 究 岩 土 工 程 学 报，（）：张平，殷洪建，吴昊非饱和土砂土湿吸力辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：汤连生，王洋，张鹏程，等非饱和黏性土粒间吸力测试研究岩土工程学报，（）：汤连生结构吸力及非饱和土的总有效应力原理探讨中山大学学报（自然科学版），（）：汤连生水岩土反应的力学与环境效应研究岩石力学与工程学报，（）：汤连生，王思敬湿吸力及非饱和土的有效应力原理探讨岩土工程学报，（）：水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷