對粘性土護坡技術指標控制相關參數的研究

余小鵬 劉朝陽 沈金榮

（1.宿遷市水務勘測設計研究有限公司，江蘇宿遷 223800；2.泗陽縣水利局，江蘇 宿遷 223700）

1 概述

淮泗河治理工程粘土護坡范圍分別為泗陽段和淮陰段境內，原有河床坡面在1974年經過人工修建，采用粘土護坡、人工夯實而形成。經過40多年運行，目前其坡面大部分植被情況良好，河床穩定，但因多年運行失修，局部段河床淤積嚴重。通過本次河道疏浚，可極大地改善河道的行水能力，但由于施工造成部分河坡植被破壞，故使原有粘性土護坡也受到損壞。根據實地勘測，損壞后的坡面層為粉質砂壤土。參照設計部門所提供的地質報告，地質分布大致為：真高12.0 m至8.5 m為重粉質砂壤土和粉質粘土，真高約8.5 m以下為4-2粘土。其地質情況詳見表1。

2 問題的提出及研究

目前，對呈砂性土的河道護坡方式有多種形式，主要有混凝土護坡、粘性土護坡等，粘性土護坡均采用機械施工，技術難度不大，但對如何控制好護坡的工程質量，其控制指標參數為多少才能使效果達到最佳，尚無定量的數據，更無可循的規范和規定的標準。因此，工程實施后標準質量的衡定以及檢測手段是否能滿足工程長期運行要求，且工程質量如何能達到或超過1974年人工護坡，值得探討研究。

本工程需要進行河道沿線粘性土護坡的長度為16.25 km（單片），其中，泗陽縣段4.6 km，淮陰區段11.65 km。首先，在無具體數據、資料參考的情況下，以1974年人工粘性土護坡作為參照的“標本”護坡實體，通過就地抽取土樣，做土工試驗進行剖解，從而獲取相關的參數。其次，依據設計部門所提供的地質報告，純粘土臥層面在真高8.5 m以下，故將這層面土料作為護坡的“理想層”面土料，取土樣做土工試驗，并用所獲得的數據與“標本”坡對比。第三，結合目前河床施工已形成的河床斷面，在坡面上隨機抽取土料，做同樣的土料試驗。對經測試后而形成的3組試驗成果數據加以對比、分析，尋找出相互關聯的數據，從而形成適用于本工程粘土護坡的最佳參數，用于施工過程中的控制，并通過工程的實施，達到施工質量能超過1974年人工護坡的效果，確保本項目實施后能夠使坡面穩定、植被條件相對良好的綜合性效益得到體現。因此，圍繞工程實施過程的質量控制來確定相關參數，并在施工過程中加以完善和提高，可確保整個工程超過1974年的粘性土護坡使用效果，也可為今后類似工程積累經驗，并提供相關的技術指標參數。

表1 地質段土層參數表

3 試驗數據的形成

3.1 “標本坡”（1974年坡面）的試驗數據

在現場對1974年人工形成的粘性土護坡隨機進行土料采集，采集土料的斷面樁號為K10+000，分別做2.5 kg輕型擊實試驗和4.5 kg重型擊實試驗。在這基礎上，又在此段坡面上隨機抽取7組土料做環刀試驗，這樣共形成了3組數據結果，其結果見圖 1、圖 2、圖 3。

3.2 “理想層”（純粘土層面）試驗數據

依據設計所提供的地質報告，真高8.5 m以下為粘性土層，隨機在K5+776斷面真高8.5 m以下抽取土料，分別做重型和輕型擊實試驗，最后形成的試驗結果詳見圖4、圖5。

3.3 “復合坡面”（改進層）試驗數據

目前，河床疏浚已經完成了4 km的標準斷面，依據設計對疏浚河道斷面的要求，原則上要將真高8.5 m以上的淤泥質土全部清除、清凈，這部分土質流塑性大，液化性指數高，含水量達到50%以上，被視為淤泥質土，不可以堆放在坡面上。真高8.5 m以下土層為粘性土，在施工過程中，由于需對原河床坡面進行拉坡處理，首先是對沿岸樹木進行了砍伐，原有坡面上的植被受到破壞，并被清理，從而形成了以砂壤土為主體的“裸坡”，施工單位利用真高8.5 m以下的粘土結合開挖壟溝拿出的一部分粘土層，經過適當晾干后，連同“裸坡”中的砂壤土，經摻合處理后形成了“復合坡面”。對這部分土所形成的坡面，是否可以利用？采取何種形式利用？經過改造利用后可否達到70年代粘性土坡面的要求？帶著這些問題，隨機抽取了土樣，抽取土料的斷面為K8+500，分別作重型和輕型擊實試驗，并得到了相關的數據，其結果見圖6、圖7。

3.4 幾種土料試驗成果

幾種土料試驗成果見表2。

4 相關參數的分析

4.1 土干密度值γ干具體數據的比較

土干密度值大小是粘性土護坡工程質量標準的最重要指標。

（1）重型擊實試驗：通過測試而形成的干密度值及排列為：理想層面的土料干密度1.832＞標本坡層坡面的干密度1.801＞改造型土料的干密度1.78。

（2）輕型擊實試驗：其干密度值及排列為：理想層面的土料干密度1.671＞樣板層坡面的干密度1.646＞改造型土料的干密度1.64。

圖1 k10+000輕型擊實試驗曲線

圖2 k10+000重型擊實試驗曲線

圖3 環刀試驗曲線

圖4 k5+776重型擊實試驗曲線

圖5 k5+776輕型擊實試驗曲線

圖6 k8+500輕型擊實試驗曲線

圖7 k8+500重型擊實試驗曲線

表2 幾種土料試驗成果匯總表

（3）7組環刀試驗：20世紀70年代護坡的環刀試驗主要是在不同斷面上隨機抽取土料進行環刀測試，其意圖是對“樣板”坡面輕型擊實試驗進行校核，因其它2組無實體檢測“物”，也可視為施工間坡面控制質量“等代”數據控制的一種補充形式。試驗形成的環刀干密度值在1.64～1.61之間，平均值為1.624。通過3組數據比較，干密度值大小排列一致。因而，認為“理想層”土料是較佳的粘性土護坡的土源，而其它用于護坡的土料低于“理想層”的土料質量。

4.2 最優含水量（γw）數據的比較。

土料最佳含水量的大小反映了土料壓縮模量系數的大小，其最佳含水量越大，壓縮模量系數越大，土料的最佳含水量越大，所形成的含水量跨度也越大，不僅有利于施工過程壓實效果的控制，也可節約工程生產成本。

（1）重型擊實試驗：“理想層”面土料最優含水量為17.7%，“標本坡”面土料最優含水量為16.9%，“改造層”面土料最優含水量為17.2%，反映了3組土料含水的飽溶度基本接近，3組土料的最優含水量平均值為17.27%。

（2）輕型擊實試驗：“理想層”面土料最優含水量為18.6%，“標本坡”面土料最優含水量為18.4%，“改造層”面土料最優含水量為16.4%。整個土料最優含水量平均值為17.8%，理想層面的土料飽溶度要大于標本坡和改造型坡，而改造坡面土料含水量即含水的飽溶度低于其它2組的土料飽溶度。也說明純粘土層面最佳含水量大于其它2組含水量，只要對復合土料進行有效的粘土配置，不僅有利于改變坡體結構形式，且有利于提高坡體的穩定性和安全性，更有利于使用效果在耐久性上得到體現。

4.3 具體分析

（1）理想型粘性土護坡滿足的條件分析

一個較理想的粘性土坡護體，若能夠充分滿足使用條件、耐久性，必須要滿足三個方面條件：土料級配、土料最適宜含水量、壓實效果。從3組土料通過試驗所獲得的數據看，后兩個條件都可看作是人為控制的必須條件，也是可控的，而前者由天然地質條件決定。因此，應在土料級配上加以重視，依據目前的土質，土料級配分別為：真高8.5 m以下的粘土以及真高8.5 m以上的砂壤土和粉質粘土。土料內摩擦角φ值中，砂壤土（φ=21°）大于粘性土（φ=19°），更大于粉質粘土（φ=4°），砂壤土的土料內在結構形式要好于粘性土。但是，砂壤土粘聚力c值偏?。ㄉ叭劳羉=6，粘性土c=32），而本工程護體在外力作用下（人力、雨水沖刷等）形成的護體不穩定，因而在土料級配上，應考慮摻入一定數量的純粘土，以增強粘聚力（c值的增大），同時土料內摩擦角也可得到提高，使其級配能達到最佳，優于單純土料的結構形式，則不僅有利于改善坡體結構，更有利于增強坡體的穩定性和耐久性。

（2）施工效果分析

“理想層”的土料為純粘土，其作為坡面的最佳護坡土料，與砂壤土有效配置后，不僅能使土料的φ、c值提高，且因目前施工機械化程度較高，壓實的效果更佳，最后工程達到的整體效果將肯定好于1974年的“標本坡”面。

（3）壓實度數據分析

①對壓實度成果分析的思路是，以“標本坡”作為成功的實體，研究其歷經40多年運行所具備的較強耐久性。主要的研究方法是對實體進行剖解，不僅要了解土料的結構，更要了解其壓實度。壓實度數值的確定，將直接影響到本工程的施工效果，若以3種土料形成的重型擊實試驗的成果作為最大干密度值、輕型擊實試驗干密度值為下限值的條件成立，則可以利用已試驗成果數據，對實體數據進行分析。因此，將標本坡輕型擊實值與環刀值相比較，再通過加權平均形式可尋求出換算系數。

②壓實度下限值換算系數的推求。實體取樣的7組環刀試驗成果分別為 2 組 1.64、2 組 1.62、2 組 1.61、1組1.63，平均值為1.624，而輕型擊實試驗成果為1.646，與環刀試驗平均值之間的值差為0.0222，產生的差值較小?？紤]到做擊實試驗為垂直受力，而實際施工是在斜面上進行的，故產生的差值和效果與試驗存有誤差；再因受工地條件有限，加之烘干條件不能同實驗室相比，所以兩種試驗主要是實驗手法上存在差別，在掌握烘干時間和衡量的精度上兩者不盡相同，因而產生了偏差。故應對輕型擊實試驗成果進行換算系數α修正后，再用于以其它2組試驗成果推求壓實度相對較合理。則：

③幾種土料壓實度值推算。通過換算，3組土料壓實度值應為：標本坡1.646×0.99/1.801=0.905，理想坡為1.67×0.99/1.832=0.902， 復 合 土 料1.64×0.99/1.78=0.912。

④復合土料壓實度值推算。以上分析充分說明了復合型土料是可用的，其自身壓實度值較高的主要原因是干密度值偏低，故應對復合土料配比加以控制，以提高坡面壓實度，這樣才能確保干密度增大，最后形成的護坡效果不會低于1974年的“標本坡”面。其原因：經過對復合土料改良后，假設采用砂壤土∶粘土=1∶1配比，其壓實度計算：a.取粘土與砂壤土輕型擊實值的平均值×修正系數=n；b.粘土與砂壤土重型擊實值的平均值

⑤若3種土料統一以標本坡面所做的實體環刀值作為下限值，上限值以土料重型擊實試驗成果來推算，壓實度分別為：標本坡0.902；理想層面土料0.886；改造層面土料0.912（土料未改造前，若改造后應為

⑥依據以上分析，我們認為壓實度采用0.9較為合適，可以涵蓋工程中3種土料的施工質量情況，尤其對復合土料使用較為有利。幾種土料壓實度對比值詳見表3。

（4）土料中c值分析

雖然未對具體的土料結構形式進行試驗，但在數據分析中，通過對干密度與最優含水量的分析，并參考工程設計，依據地質報告，可以認為，“理想層”的土料通過設計所確定的土料的類別為粘土，粘聚力c=68、粉質粘土c=32、砂壤土c=6；1974年“標本坡”面的土料，其干密度值以及含水量均低于“理想坡”面土料的試驗結果，反映了人工夯實的不足（壓實度偏低），也反映了當時的施工水平有限。根據河床斷面，原有地面高程在真高13.0 m，河床的開挖為真高8.5 m，其高差為4.5 m，采用人挖肩扛的施工方法，造成了工程施工的局限性。另依據地質報告，純粘土臥層為真高8.5 m以下，而真高8.5 m以上的土質為粉質粘土，說明1974年施工時，人工開挖未開挖至真高8.5 m（純粘土層），其利用的土料應是在砂壤土與粉質粘土交層面取土，故形成兩種土料的摻合，而其所形成的復合土料因級配好于單純土料，也使土料在φ、c之間得到互補。根據《土力學》對河床穩定條件要求，φ＞β（φ—土內摩擦角，β—坡內角），才能確保河床整體的穩定。根據分析，并結合河床的實際情況，老河床坡比為1∶3，坡內角β=5.8°，通過復合土料的改造，φ≥17°，其安全系數為2.93，這也是造就原河床穩定性的重要條件之一。因此，“標本坡”所采用的復合土料c≤32，φ≥17°，可以認為，1974 年粘性土護坡為兩種土料的復合體。

表3 幾種土料類似標本坡效果所需壓實度成果匯總表

（5）復合型土料

復合型土料所形成的改造型坡面，其土料的含水量和干密度值均接近和相似于理想坡面的土料，含水飽溶度也相近，則由于粘聚力c值不盡相同，其值偏小，最后形成的干密度值均小于其它2組值。壓實度可通過人為控制達到，土料的粘性土摻合比例需要確定適宜的配比，這樣才能超過1974年標本坡面的質量水準，故粘性土坡面土料應在真高8.5 m以下獲取。

（6）復合型坡體土料的配置

通過分析，復合型坡體粘聚力應≥32，才能與1974年坡體的結構形式和質量相適應。因此，要求在土源取用上，一定要在真高8.5 m以下獲取一定數量的土源，再與砂壤土進行配置，其粘聚力值為c=37＞32，則配比為粘土∶砂壤土=1∶1，土料內摩擦角 φ=20°＞17°。這些基本參數的提高，將使護體在保持河床穩定以及內在結構方面都會大大超過1974年護體水準。

5 施工工藝

（1）粘土坡設計。為滿足設計的要求，應在護坡所在地依據土源的情況，采用因地制宜的方法，取土料做粘性土護坡，尤其要根據2個標段的斷面情況，結合開挖槽口在真高6.5 m至8.5 m處取得的一定量的粘土，將土料分別培厚在坡面上，其形式如圖8。

圖8 工程斷面圖

（2）粘土坡面厚度確定。依據對20世紀70年代粘土坡面的開挖剖析，坡面厚度一般在30 cm左右，由于當時河道坡面施工為人工夯實而成，故厚度較淺，目前施工方式發生了改變，均為機械化施工，故建議厚度取50 cm，分2次成型。

（3）碾壓機具及遍數控制。采用挖掘機或推土機履帶行走進行套壓，其遍數可采用“小區碾壓試驗”確定，即通過將每遍取得的含水量—干密度值形成的曲線與V=1.63進行比較，選擇最經濟、效果最佳的曲線來確定遍數和施工方法。小區試驗取得成果后，再全線進行推廣運用。

（4）壟溝的回填。對坡面粘土取出后而形成的壟溝應進行回填，以確保河床整體的穩定，尤其確保河道運行期的安全，建議以砂壤土與4-1層面的復合土進行回填。

6 結論

6.1 施工質量

根據采取土樣進行擊實試驗以及環刀試驗所形成的報告，以及對相關參數的分析，證明20世紀70年代采用人工夯實粘土護坡，保證了河道護坡的穩定，達到了一定的水準和效果，并較好地運行了40多年。目前施工條件比40年前有了較大的改變，尤其施工的機械化程度較高，只要按照確定的方案取土、分坯碾壓，其工程的質量和最后形成的效果一定會超過20世紀70年代的水平。

6.2 幾個參數的分析與確定

①結合目前所取的土料，若對復合型土料進行改造，其粘土∶砂壤土應不低于3∶1，經過配合使土料c值提高，其護坡效果可超過20世紀70年代坡體面所采用的土料；

②本項目壓實度建議統一采用0.9，可以涵蓋整個土料的壓實效果情形，均超過20世紀70年代的施工水平和效果；

③干密度控制值γ干=1.64，最優含水量W在16.4%～18.5%范圍內；

④護體土料綜合指數中，粘土料粘聚力c=37，土內摩擦角φ=20°。

通過在工程實踐中不斷積累經驗，在施工過程中對土料的相關參數加以完善，可更好地提高工程的質量。本次工程土料基本參數的確定，均超過了1974年護體指數。筆者以上論述和具體工程實施，為今后類似工程的建設提供了經驗。