荆江黏性河岸土体组成与力学特性分析

王军1，2，宗全利3,魏国远1，岳红艳1

(1.长江水利委员会长江科学院，湖北　武汉　430010；2.三峡地区地质灾害与生态环境湖北省协同创新中心，湖北　宜昌　443002；3.石河子大学水利建筑工程学院,新疆　石河子　832000)

【摘　要】　本文对上、下荆江共8个典型断面土体进行了现场取样与土工试验，较为全面地分析了上、下荆江岸滩土体组成及力学特性，定量地分析了干湿交替对黏性土体力学特性的影响。研究结果表明上荆江河段的上部黏性土层厚度通常大于下部非黏性土层的厚度，下荆江河段则相反，其下部非黏性土层厚度大于上部黏性土层厚度；黏性岸滩土体的力学特性抗剪强度一般可用黏聚力与内摩擦角表示，在干湿交替的情况下，黏聚力随含水率的增大，先增大后减小；内摩擦角随含水率的增大而减小，最后趋于稳定值。

【关键词】　荆江；黏性岸滩；力学性能

基金项目：国家自然科学基金项目(51479008)；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2016018/HL)。

作者简介：王军(1977—　)，男，湖南邵阳人，博士，主要从事水力学及河流动力学方面研究。

E-mail：azy43@sina.com

1　前言

岸滩冲刷是河流普遍存在的问题。自然河流受季节变换影响，水位总是在变化，导致岸滩始终处于干湿交替状态。干湿交替会一定程度改变黏性岸滩土体的力学性能，进而影响岸滩土体的抗冲性能。长江荆江河段为上部黏性土和下部非黏性土组成的二元结构，目前对二元结构河岸崩岸机理及影响因素的研究，多采用定性的分析方法，对长江荆江段发生崩岸现象土体组成及力学特性研究较少，缺乏系统的土质及其土力学特性资料，因此也无法从干湿交替情况下黏性岸滩土体的物理及力学特性变化方面来开展定量研究[1-5]。本文以长江荆江河段典型二元结构河岸为研究对象，在2016年12月对该河段8个崩岸断面的河岸土体进行现场取样及室内土工试验，并分析了土体的组成及力学特性。

2　现场取样情况

2.1　断面选取

对长江荆江段崩岸现象发生情况进行调研及现场查勘，结合现场实际情况，重点在崩岸现象常发区域且土体满足试验要求的断面进行取样。本次试验选取的典型断面名称及坐标位置见表1。

2.2　取样情况

取样点主要分布在崩岸发生区域，对上、下荆江共8个典型崩岸断面进行现场取样。其中上荆江4个典型崩岸断面，分别为荆47、荆55、荆61、荆73；下荆江4个典型崩岸断面，分别位于石3、北门口、来家铺和熊家州断面，具体见图1。用GPS定位每个取样点并记录，各崩岸土体取样点的具体位置及经纬度坐标，见表1。同时测量取样的崩岸断面土体中各类土层的厚度，并绘制出其土层剖面图。

3　室内土工试验内容、依据及结果

为了分析研究长江荆江段崩岸土体组成及其力学特性，此次对经常发生崩岸的土体进行取样及室内试验，室内试验主要包括土体颗粒分析、相对密度、界限含水率、密度、含水率、原状土体抗剪强度、不同含水率下土体抗剪强度指标试验等，试验结果反映土质的类别、颗粒的级配组成、密实程度以及抗剪强度等指标。试验主要依据《土工试验规程》(SL 237—1999)及《土工试验方法标准》(GB 123—1999)进行。

表2给出了荆江河段河岸土体的物理及力学特性的试验结果。由于部分岸滩下部土体未揭露，故无法给出其在天然状态下的物理指标及抗剪强度。

4　河岸土体组成及力学特性分析

4.1　土体垂向组成及沿程变化特点

现场查勘及表2试验结果可知，荆江河岸土体垂向组成基本为上部黏性土和下部非黏性土组成的二元结构，且垂向分层结构明显。上荆江河岸土体基本为上部为粉土和黏土等组成的黏性土体，下部为细砂等非黏性土体组成的层状结构，有的两黏土层中间夹一薄层沙土(荆55断面)，土体垂向分层结构明显；下荆江段上部黏性土层厚度较薄，一般为4～5m；下部非黏性的沙土层较厚，在大部分河岸均超过上部黏性土层厚度。例如北门口断面[图2(b)]，河岸上部黏性土层厚度约为4.2m，下部沙土层厚度超过5.2m，上部土层的黏粒含量质量分数为14.7%，干密度为1.40t/m3。个别断面上部黏性土层中间常夹有一薄层沙土(来家铺断面)。由于沙土夹层厚度很小，且上部土层中黏粒含量明显大于下部，因此整个河岸仍可看做上部黏性土层和下部沙土层组成的二元结构河岸。根据现场取样情况，绘制出荆61(左)和北门口断面的垂向分层示意图(图2)。

由表2可知，上荆江二元结构河岸上部黏性土主要由低液限黏土、粉土或壤土组成，原状土体自然状态时内摩擦角介于5.5°～7.5°，黏聚力介于2.0～12.0kN/m2，含水率介于24.7%～45.5%，干密度介于1.20～1.60t/m3；下部非黏性土主要由均匀细砂组成，抗冲性较差。尽管河岸下部沙土层抗冲力很弱，但黏土层在大部分河岸超过其下部沙层厚度，其抗冲性远大于沙土层。下荆江河岸上部黏性土体的塑性指数IP介于10.3～17.2，液塑限含水率ωL均小于50%，说明河岸土体均为低液限黏土组成；原状土含水率为27.8%～42.7%，干密度为1.23～1.47t/m3，故黏性土体含水率较高，干密度相对较小，说明土体相对较松散，在近岸水流冲刷下易分解。下荆江河岸下部沙土层较厚，其顶板一般出露在枯水位以上，故汛期近岸水流淘刷下部沙土层后，容易引起上部黏性土层的崩塌。由土工试验结果还可知，该河段河岸土体组成沿程变化不大。上部黏性土层黏粒含量较大，介于13.1%～38.2%，中值粒径为0.005～0.05mm；下部沙土层黏粒含量较小。因此可以认为该河段河岸土体组成沿程变化幅度较小。

4.2　土体的力学特性分析

河岸黏性土层的力学特性一般可用抗剪及抗拉强度表示。抗剪强度指标包括凝聚力及内摩擦角。本次土工试验结果表明，原状土黏聚力介于2.0～20.5kPa，内摩擦角为5.5°～7.5°，土体抗剪强度指标与其含水率关系密切，见图3。试验结果表明：土体含水率-黏聚力关系与土体黏粒含量有关，所以应根据不同断面土体黏粒含量大小分析含水率-黏聚力关系。图3(a)分别给出了荆47(右)和北门口断面的含水率-黏聚力关系，其中不同含水率下土体强度指标试验所用土体取自河岸上层，所以黏粒含量值均为表2中的上层土样值。由图3(a)可知，随着含水率增加，土体黏聚力表现为先增加后减小的趋势，在某一临界含水率时，其黏聚力达到某一峰值；不同黏粒含量的土体，其黏聚力峰值点不同，一般是黏粒含量越大，凝聚力峰值点也越大。另外黏性土体内摩擦角与其含水率的变化关系也相当明显。图3(b)分别给出上荆江的荆47、荆55、荆61、荆73断面和下荆江的石3、北门口、来家铺、熊家州断面的含水率-内摩擦角的关系，当含水率从12%增加到42%时，相应内摩擦角可从19°减小到2°。故黏性土体含水率大小能间接反映其抗剪强度。

根据已有黏性土的试验研究[1，2]，含水率大小也能间接反映其抗拉强度的大小，随含水率的增大，抗拉强度表现为先增加后减小的变化规律。

5　干湿交替情况下黏性岸滩土体力学特性分析

对于长江荆江段黏性岸滩，随季节变换和库水位周期性涨落带来的干湿交替作用使岸滩土体力学特性发生了变化。对本次土工试验结果和往年数据[2，5]进行拟合，给出长江荆江段黏性岸滩土体力学特性定量关系式。图4(a)和图4(b)分别得出：

土体含水率-黏聚力的定量关系式：

y=0.0056x3-0.5176x2+14.19x-93.145，R2=0.6137

土体含水率-内摩擦角的定量关系式：

y=49.91e-0.0568x，R2=0.6234

黏聚力随含水率的增大，先增大后减小。当土体含水率从14%(较为干燥)上升到20.5%(非饱和状态)时对应的黏聚力值增大55.56%；当含水率继续增大到41%时，黏聚力值迅速减小为最大黏聚力值的7.14%。内摩擦角随含水率的增大而减小。当土体含水率从14%上升到46%时，内摩擦角减小为原来的16%，最后趋于稳定值2°～3°。

非饱和状态的黏性土，在剪切过程中，当含水率较低时，既要克服土颗粒间胶结体的胶结力和由于毛细作用而形成的基质吸力而做功，又要为颗粒破碎和重新排列做功。随着剪切位移的增大，土颗粒间的胶结体被逐渐破坏，颗粒破碎和重新定向趋于稳定，此时剪应力达到最大值，之后，抗剪强度主要来自颗粒间的滑动摩擦强度和基质吸力。随着含水率的增大，胶结体和基质吸力的作用面积均越来越大，当压力足够大时还会使部分粗土颗粒发生嵌固作用，此时黏聚力提供的抗剪强度达到最大值[对应图4(a)中含水率为20.5%时的黏聚力值]。随着含水率的继续增大，颗粒间胶结体的胶结力和基质吸力均越来越小，部分有机质遇水发生化学反应，孔隙水压力承担部分压力，抗剪强度迅速降低。当土样完全饱和时，压力几乎全部由孔隙水压力承担，故此时抗剪强度指标中的内摩擦角很小，基质吸力下降为零，抗剪强度主要由黏聚力提供。

6　结论

本文对上、下荆江共8个典型断面土体进行了现场取样与土工试验，较为全面地分析了上、下荆江岸滩土体组成及力学特性，定量地分析了干湿交替对黏性土体力学特性的影响。主要结论如下：

(1)上、下荆江河段均属于典型的二元结构，上部为黏性土，下部为非黏性土。上荆江河段的上部黏性土层厚度通常大于下部非黏性土层的厚度，下荆江河段则相反，其下部非黏性土层厚度大于上部黏性土层厚度。

(2)黏性岸滩土体的力学特性抗剪强度一般可用黏聚力与内摩擦角表示，在干湿交替的情况下，黏聚力随含水率的增大，先增大后减小；内摩擦角随含水率的增大而减小，最后趋于稳定值。

参考文献：

[1]　余文畴，卢金友.长江河道崩岸与护岸[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[2]　宗全利,夏军强,许全喜,等.上荆江河段河岸土体组成分析及岸坡稳定性计算[J].水力发电学报,2014,(2):168-178.

[3]　夏军强,宗全利,邓珊珊,等.三峡工程运用后荆江河段平滩河槽形态调整特点[J].浙江大学学报(工学版),2015,(2):238-245.

[4]　陈高峰,杨帅东,苏涛,等.不同含水率下土体抗剪强度试验及破坏过程分析[J].人民珠江,2016,(12):37-41.

[5]　夏军强,宗全利,许全喜,等.下荆江二元结构河岸土体特性及崩岸机理[J].水科学进展2013,(6):810-820.

Analysis of Jingjiang Riverbank Soil Sampling and Mechanical Properties

WANG Jun1,2,ZONG Quanli3,WEI Guoyuan1,YUE Hongyan1

(1.Changjiang River Scientific Research Institute,Changjiang Water Resources Commision,Wuhan Hubei Province　430010;2.Collaborative Innovation Center for Geo-hazards and Eco-environment in Three Gorges Area,Yichang Hubei Province　443002;3.College of Water Conservancy and Architecture Engineering,Shihezi University,Shihezi Xinjiang Uygur Autonomous Region　832000)

Abstract:The field sampling and soil test on the upper and lower Jingjiang consists of 8 typical sections of soil,has given a more comprehensive analysis of the upper and lower Jingjiang river beach soil’s mechanical properties and quantitative analysis of the effects of rewetting on cohesive soil’s mechanics characteristics.The results show that the upper cohesive soil layer thickness of the Jingjiang River is usually thicker than the lower cohesiveless soil layer thickness,on the contrary,under the Jingjiang River,the lower part of the cohesiveless soil thickness is thicker than the upper cohesive soil layer thickness;the mechanical properties-cohesive strength of cohesive beach soil can be expressed by cohesion and internal friction angle,in the case of rewetting,the cohesion increases at first and then decreases with the increase in water content;the internal friction angle decreased with the increase in water content,and stabilized at last.

Key words:Jingjiang River;Viscous Bank;Mechanical Properties