滨州黄河河道滩岸土体组成及力学特性研究

【摘要】本文采用现场查勘与试验相结合的办法，对滨州黄河河道滩岸土体组成及力学特性进行了研究，研究结果表明：滨州黄河河道滩岸土体主要为低液限粘土及粉土质砂。同一种滩岸土体抗剪强度指标大小与干密度呈正比趋势，而与饱和度呈反比趋势。由本次选取的代表性断面土体颗粒分析结果来看，低滩土体大多由粉土质砂组成，含粘性土极少，是较易坍塌的滩岸。

【关键词】滨州黄河河道；滩岸土体；力学特性；抗剪强度

滨州黄河河道局部河段存在着水流散乱，主流摆动不定，河床稳定性较差的特点。这种演变特点主要是其边界条件的不稳定性造成的。滨州黄河河道滩岸土体组成主要以砂性土为主，粘粒含量较少，缺乏抗冲性，使得某些典型河段的稳定性较差。因此开展滨州黄河河道滩岸土体组成与抗剪强度研究可为为滨州黄河河道治理提供科技支撑。为了分析研究滨州黄河河道某些典型河段土体组成及其力学特性，此次选取了典型部位取样进行室内试验，室内试验主要包括颗粒分析、比重、界限含水率、密度、直剪等，试验结果反映土质的类别、颗粒的级配组成、抗剪强度以及密实程度等指标。试验主要依据《土工试验方法标准》（GB123-1999）及《土工试验规程》（SL237-1999）进行。

1、研究的开展情况

1.1土体取样情况

通过对滨州黄河河道滩岸情况进行现场查勘，本次取样布点主要在选取的4个典型断面的低滩土体，选取最易塌岸部位。所取土样深度均在1.2m以内，按照各层土体组成、结构及性质不同，分别进行取样。本次现场共取原状样10组，散状样4组。原状土样用铁皮筒取样，散状样以袋装取样。根据现场勘查，测量低滩土体各种土层厚度，并对各土层根据颗粒组成情况及经验进行了现场定名，绘制出低滩取样处现场土层剖面图。

1.2研究的主要内容

为了分析研究滨州黄河河道滩岸土体基本属性，此次选取了典型部位取样进行试验，试验主要内容包括：（1）土体颗粒分析与比重试验。土体颗粒分析试验目的是了解土质的颗粒级配组成以及对土质进行分类定名。土体颗粒分析试验对粒径大于0.075mm的部分，采用筛析法；粒径小于0.075mm的颗粒，采用密度计法。对粗细兼有的泥沙，采用筛析法、密度计法联合分析。比重试验采用比重瓶法。比重瓶体积100ml，细粒土采用煮沸排气，砂性土采用真空抽气法。（2）界限含水率试验。试验的目的是测定细粒土的液限和塑限，并计算塑性指数，划分土类。适宜于粒径小于0.5mm的颗粒组成及有机质含量不大于干土质量5%的泥沙。本次试验利用风干泥沙土样，取过0.5mm筛的代表性泥沙土样约200g，分成3份，分别加入不同数量的纯水，制备成接近液限、塑限和二者中间状态的不同稠度的土膏，采用光电式液塑限联合测定仪测定圆锥的下沉深度。以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，绘制关系曲线，得出细粒土的液限、塑限。（3）抗剪强度指标试验。直接剪切试验采用控制式直剪仪。细粒土、砂类土采用快剪试验，根据泥沙土样的软硬程度施加各级垂直压力，对松软试样垂直压力应分级施加，以防泥沙土样挤出。以1.2mm/min的剪切速度进行剪切，使试样在5min内剪损。手轮每转动一圈测记测力计和位移读数，直至测力计读数出现峰值，应继续剪切至剪切位移为4mm时停机，记下破坏值；当剪切过程中测力计读数无峰值时，应剪切至剪切位移为6mm停机。以抗剪强度为纵坐标，垂直压力为横坐标，绘制抗剪强度与垂直压力关系曲线，得出泥沙土体的凝聚力、内摩擦角。

2、 研究结果分析

对土体原状样进行了天然状态下的各项物理力学性质指标试验，包括颗粒分析、界限含水率、比重、密度、凝聚力和内摩擦角等试验，对土体散装样主要进行颗粒分析、比重、界限含水率等试验。研究结果表明，此次选取的断面土层由四大类土体组成，分别是高液限粘土（IP≥10、ωL≥50%）、低液限粘土（IP≥10、ωL<50%）、粉土质砂（15%<细粒含量≤50%，细粒为粉土）、含细粒土砂（细粒含量5%～15%），主要以低液限粘土和粉土质砂为主。泥沙土层低液限粘土粘粒含量介于4.8%～36.9%之间，平均值为14.45%；干密度介于1.35g/cm3～1.78 g/cm3之间，平均值为1.62 g/cm3；土层凝聚力介于4.2kPa～35.6kPa之间，平均值22.45kPa；泥沙土层内摩擦角介于25.9°～36.7°之间，平均值28.93°。土层粉土质砂粘粒含量介于2.3%～3.9%之间，平均值为3.2%；土层干密度介于1.29 g/cm3～1.62 g/cm3之间，平均值为1.49 g/cm3；土层凝聚力介于4.2kPa～35.8kPa之间，平均值21.45kPa；土层内摩擦角介于32.8°～34.7°之间，平均值33.56°通过现场勘查及试验结果可知，由于沉积韵律及成因不同，不同断面土质结构变化有相同规律，大多数断面土层组成呈现上部泥沙土质较细，下部土质较粗的规律。所取断面土样以低液限粘土和粉土质砂为主。对于同一种土样，由试验资料分别得出了土样干密度与凝聚力、干密度与内摩擦角、饱和度与凝聚力以及饱和度与内摩擦角之间的关系，研究结果表明，土样抗剪强度指标随干密度增大而增大，随饱和度增大而减小。

3、主要结论

在滨州黄河河道选取的典型断面进行土体取样，取样深度在1.2m以内，土体由高液限粘土、低液限粘土、粉土质砂、含细粒土砂组成，主要土体为低液限粘土及粉土质砂。所选取断面土体构成为上部土质较细，一般为低液限粘土，下部土质较粗，一般为粉土质砂或含细粒土砂。对抗冲性有较大影响的土性指标为粘粒含量、抗剪强度，不同土体的粘粒含量及抗剪强度特性不同，粘粒含量由高到低的顺序为：高液限粘土>低液限粘土>粉土质砂>含细粒土砂；低液限粘土抗剪强度指标凝聚力大于粉土质砂，粉土质砂内摩擦角大于低液限粘土。同一种土体抗剪强度指标大小与干密度呈正比趋势，而与饱和度呈反比趋势。由本次选取的代表性断面土体颗粒分析结果来看，低滩土体大多由低液限粘土、粉土质砂组成，含粘性土极少，是最易冲刷、坍塌的河岸。

参考文献：

[1] 《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）[M].北京：中国计划出版社，1999.

[2]《土工试验规程》（SL237-1999）[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

基金项目：国家自然科学基金项目（L1624052）

作者简介：马琳（1981- ），女，山东滨州人，工程师，主要从事水利工程勘察设计。