对粘性土护坡技术指标控制相关参数的研究

余小鹏 刘朝阳 沈金荣

（1.宿迁市水务勘测设计研究有限公司，江苏宿迁 223800；2.泗阳县水利局，江苏 宿迁 223700）

1 概述

淮泗河治理工程粘土护坡范围分别为泗阳段和淮阴段境内，原有河床坡面在1974年经过人工修建，采用粘土护坡、人工夯实而形成。经过40多年运行，目前其坡面大部分植被情况良好，河床稳定，但因多年运行失修，局部段河床淤积严重。通过本次河道疏浚，可极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坏，故使原有粘性土护坡也受到损坏。根据实地勘测，损坏后的坡面层为粉质砂壤土。参照设计部门所提供的地质报告，地质分布大致为：真高12.0 m至8.5 m为重粉质砂壤土和粉质粘土，真高约8.5 m以下为4-2粘土。其地质情况详见表1。

2 问题的提出及研究

目前，对呈砂性土的河道护坡方式有多种形式，主要有混凝土护坡、粘性土护坡等，粘性土护坡均采用机械施工，技术难度不大，但对如何控制好护坡的工程质量，其控制指标参数为多少才能使效果达到最佳，尚无定量的数据，更无可循的规范和规定的标准。因此，工程实施后标准质量的衡定以及检测手段是否能满足工程长期运行要求，且工程质量如何能达到或超过1974年人工护坡，值得探讨研究。

本工程需要进行河道沿线粘性土护坡的长度为16.25 km（单片），其中，泗阳县段4.6 km，淮阴区段11.65 km。首先，在无具体数据、资料参考的情况下，以1974年人工粘性土护坡作为参照的“标本”护坡实体，通过就地抽取土样，做土工试验进行剖解，从而获取相关的参数。其次，依据设计部门所提供的地质报告，纯粘土卧层面在真高8.5 m以下，故将这层面土料作为护坡的“理想层”面土料，取土样做土工试验，并用所获得的数据与“标本”坡对比。第三，结合目前河床施工已形成的河床断面，在坡面上随机抽取土料，做同样的土料试验。对经测试后而形成的3组试验成果数据加以对比、分析，寻找出相互关联的数据，从而形成适用于本工程粘土护坡的最佳参数，用于施工过程中的控制，并通过工程的实施，达到施工质量能超过1974年人工护坡的效果，确保本项目实施后能够使坡面稳定、植被条件相对良好的综合性效益得到体现。因此，围绕工程实施过程的质量控制来确定相关参数，并在施工过程中加以完善和提高，可确保整个工程超过1974年的粘性土护坡使用效果，也可为今后类似工程积累经验，并提供相关的技术指标参数。

表1 地质段土层参数表

3 试验数据的形成

3.1 “标本坡”（1974年坡面）的试验数据

在现场对1974年人工形成的粘性土护坡随机进行土料采集，采集土料的断面桩号为K10+000，分别做2.5 kg轻型击实试验和4.5 kg重型击实试验。在这基础上，又在此段坡面上随机抽取7组土料做环刀试验，这样共形成了3组数据结果，其结果见图 1、图 2、图 3。

3.2 “理想层”（纯粘土层面）试验数据

依据设计所提供的地质报告，真高8.5 m以下为粘性土层，随机在K5+776断面真高8.5 m以下抽取土料，分别做重型和轻型击实试验，最后形成的试验结果详见图4、图5。

3.3 “复合坡面”（改进层）试验数据

目前，河床疏浚已经完成了4 km的标准断面，依据设计对疏浚河道断面的要求，原则上要将真高8.5 m以上的淤泥质土全部清除、清净，这部分土质流塑性大，液化性指数高，含水量达到50%以上，被视为淤泥质土，不可以堆放在坡面上。真高8.5 m以下土层为粘性土，在施工过程中，由于需对原河床坡面进行拉坡处理，首先是对沿岸树木进行了砍伐，原有坡面上的植被受到破坏，并被清理，从而形成了以砂壤土为主体的“裸坡”，施工单位利用真高8.5 m以下的粘土结合开挖垄沟拿出的一部分粘土层，经过适当晾干后，连同“裸坡”中的砂壤土，经掺合处理后形成了“复合坡面”。对这部分土所形成的坡面，是否可以利用？采取何种形式利用？经过改造利用后可否达到70年代粘性土坡面的要求？带着这些问题，随机抽取了土样，抽取土料的断面为K8+500，分别作重型和轻型击实试验，并得到了相关的数据，其结果见图6、图7。

3.4 几种土料试验成果

几种土料试验成果见表2。

4 相关参数的分析

4.1 土干密度值γ干具体数据的比较

土干密度值大小是粘性土护坡工程质量标准的最重要指标。

（1）重型击实试验：通过测试而形成的干密度值及排列为：理想层面的土料干密度1.832＞标本坡层坡面的干密度1.801＞改造型土料的干密度1.78。

（2）轻型击实试验：其干密度值及排列为：理想层面的土料干密度1.671＞样板层坡面的干密度1.646＞改造型土料的干密度1.64。

图1 k10+000轻型击实试验曲线

图2 k10+000重型击实试验曲线

图3 环刀试验曲线

图4 k5+776重型击实试验曲线

图5 k5+776轻型击实试验曲线

图6 k8+500轻型击实试验曲线

图7 k8+500重型击实试验曲线

表2 几种土料试验成果汇总表

（3）7组环刀试验：20世纪70年代护坡的环刀试验主要是在不同断面上随机抽取土料进行环刀测试，其意图是对“样板”坡面轻型击实试验进行校核，因其它2组无实体检测“物”，也可视为施工间坡面控制质量“等代”数据控制的一种补充形式。试验形成的环刀干密度值在1.64～1.61之间，平均值为1.624。通过3组数据比较，干密度值大小排列一致。因而，认为“理想层”土料是较佳的粘性土护坡的土源，而其它用于护坡的土料低于“理想层”的土料质量。

4.2 最优含水量（γw）数据的比较。

土料最佳含水量的大小反映了土料压缩模量系数的大小，其最佳含水量越大，压缩模量系数越大，土料的最佳含水量越大，所形成的含水量跨度也越大，不仅有利于施工过程压实效果的控制，也可节约工程生产成本。

（1）重型击实试验：“理想层”面土料最优含水量为17.7%，“标本坡”面土料最优含水量为16.9%，“改造层”面土料最优含水量为17.2%，反映了3组土料含水的饱溶度基本接近，3组土料的最优含水量平均值为17.27%。

（2）轻型击实试验：“理想层”面土料最优含水量为18.6%，“标本坡”面土料最优含水量为18.4%，“改造层”面土料最优含水量为16.4%。整个土料最优含水量平均值为17.8%，理想层面的土料饱溶度要大于标本坡和改造型坡，而改造坡面土料含水量即含水的饱溶度低于其它2组的土料饱溶度。也说明纯粘土层面最佳含水量大于其它2组含水量，只要对复合土料进行有效的粘土配置，不仅有利于改变坡体结构形式，且有利于提高坡体的稳定性和安全性，更有利于使用效果在耐久性上得到体现。

4.3 具体分析

（1）理想型粘性土护坡满足的条件分析

一个较理想的粘性土坡护体，若能够充分满足使用条件、耐久性，必须要满足三个方面条件：土料级配、土料最适宜含水量、压实效果。从3组土料通过试验所获得的数据看，后两个条件都可看作是人为控制的必须条件，也是可控的，而前者由天然地质条件决定。因此，应在土料级配上加以重视，依据目前的土质，土料级配分别为：真高8.5 m以下的粘土以及真高8.5 m以上的砂壤土和粉质粘土。土料内摩擦角φ值中，砂壤土（φ=21°）大于粘性土（φ=19°），更大于粉质粘土（φ=4°），砂壤土的土料内在结构形式要好于粘性土。但是，砂壤土粘聚力c值偏小（砂壤土c=6，粘性土c=32），而本工程护体在外力作用下（人力、雨水冲刷等）形成的护体不稳定，因而在土料级配上，应考虑掺入一定数量的纯粘土，以增强粘聚力（c值的增大），同时土料内摩擦角也可得到提高，使其级配能达到最佳，优于单纯土料的结构形式，则不仅有利于改善坡体结构，更有利于增强坡体的稳定性和耐久性。

（2）施工效果分析

“理想层”的土料为纯粘土，其作为坡面的最佳护坡土料，与砂壤土有效配置后，不仅能使土料的φ、c值提高，且因目前施工机械化程度较高，压实的效果更佳，最后工程达到的整体效果将肯定好于1974年的“标本坡”面。

（3）压实度数据分析

①对压实度成果分析的思路是，以“标本坡”作为成功的实体，研究其历经40多年运行所具备的较强耐久性。主要的研究方法是对实体进行剖解，不仅要了解土料的结构，更要了解其压实度。压实度数值的确定，将直接影响到本工程的施工效果，若以3种土料形成的重型击实试验的成果作为最大干密度值、轻型击实试验干密度值为下限值的条件成立，则可以利用已试验成果数据，对实体数据进行分析。因此，将标本坡轻型击实值与环刀值相比较，再通过加权平均形式可寻求出换算系数。

②压实度下限值换算系数的推求。实体取样的7组环刀试验成果分别为 2 组 1.64、2 组 1.62、2 组 1.61、1组1.63，平均值为1.624，而轻型击实试验成果为1.646，与环刀试验平均值之间的值差为0.0222，产生的差值较小。考虑到做击实试验为垂直受力，而实际施工是在斜面上进行的，故产生的差值和效果与试验存有误差；再因受工地条件有限，加之烘干条件不能同实验室相比，所以两种试验主要是实验手法上存在差别，在掌握烘干时间和衡量的精度上两者不尽相同，因而产生了偏差。故应对轻型击实试验成果进行换算系数α修正后，再用于以其它2组试验成果推求压实度相对较合理。则：

③几种土料压实度值推算。通过换算，3组土料压实度值应为：标本坡1.646×0.99/1.801=0.905，理想坡为1.67×0.99/1.832=0.902， 复 合 土 料1.64×0.99/1.78=0.912。

④复合土料压实度值推算。以上分析充分说明了复合型土料是可用的，其自身压实度值较高的主要原因是干密度值偏低，故应对复合土料配比加以控制，以提高坡面压实度，这样才能确保干密度增大，最后形成的护坡效果不会低于1974年的“标本坡”面。其原因：经过对复合土料改良后，假设采用砂壤土∶粘土=1∶1配比，其压实度计算：a.取粘土与砂壤土轻型击实值的平均值×修正系数=n；b.粘土与砂壤土重型击实值的平均值

⑤若3种土料统一以标本坡面所做的实体环刀值作为下限值，上限值以土料重型击实试验成果来推算，压实度分别为：标本坡0.902；理想层面土料0.886；改造层面土料0.912（土料未改造前，若改造后应为

⑥依据以上分析，我们认为压实度采用0.9较为合适，可以涵盖工程中3种土料的施工质量情况，尤其对复合土料使用较为有利。几种土料压实度对比值详见表3。

（4）土料中c值分析

虽然未对具体的土料结构形式进行试验，但在数据分析中，通过对干密度与最优含水量的分析，并参考工程设计，依据地质报告，可以认为，“理想层”的土料通过设计所确定的土料的类别为粘土，粘聚力c=68、粉质粘土c=32、砂壤土c=6；1974年“标本坡”面的土料，其干密度值以及含水量均低于“理想坡”面土料的试验结果，反映了人工夯实的不足（压实度偏低），也反映了当时的施工水平有限。根据河床断面，原有地面高程在真高13.0 m，河床的开挖为真高8.5 m，其高差为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。另依据地质报告，纯粘土卧层为真高8.5 m以下，而真高8.5 m以上的土质为粉质粘土，说明1974年施工时，人工开挖未开挖至真高8.5 m（纯粘土层），其利用的土料应是在砂壤土与粉质粘土交层面取土，故形成两种土料的掺合，而其所形成的复合土料因级配好于单纯土料，也使土料在φ、c之间得到互补。根据《土力学》对河床稳定条件要求，φ＞β（φ—土内摩擦角，β—坡内角），才能确保河床整体的稳定。根据分析，并结合河床的实际情况，老河床坡比为1∶3，坡内角β=5.8°，通过复合土料的改造，φ≥17°，其安全系数为2.93，这也是造就原河床稳定性的重要条件之一。因此，“标本坡”所采用的复合土料c≤32，φ≥17°，可以认为，1974 年粘性土护坡为两种土料的复合体。

表3 几种土料类似标本坡效果所需压实度成果汇总表

（5）复合型土料

复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，含水饱溶度也相近，则由于粘聚力c值不尽相同，其值偏小，最后形成的干密度值均小于其它2组值。压实度可通过人为控制达到，土料的粘性土掺合比例需要确定适宜的配比，这样才能超过1974年标本坡面的质量水准，故粘性土坡面土料应在真高8.5 m以下获取。

（6）复合型坡体土料的配置

通过分析，复合型坡体粘聚力应≥32，才能与1974年坡体的结构形式和质量相适应。因此，要求在土源取用上，一定要在真高8.5 m以下获取一定数量的土源，再与砂壤土进行配置，其粘聚力值为c=37＞32，则配比为粘土∶砂壤土=1∶1，土料内摩擦角 φ=20°＞17°。这些基本参数的提高，将使护体在保持河床稳定以及内在结构方面都会大大超过1974年护体水准。

5 施工工艺

（1）粘土坡设计。为满足设计的要求，应在护坡所在地依据土源的情况，采用因地制宜的方法，取土料做粘性土护坡，尤其要根据2个标段的断面情况，结合开挖槽口在真高6.5 m至8.5 m处取得的一定量的粘土，将土料分别培厚在坡面上，其形式如图8。

图8 工程断面图

（2）粘土坡面厚度确定。依据对20世纪70年代粘土坡面的开挖剖析，坡面厚度一般在30 cm左右，由于当时河道坡面施工为人工夯实而成，故厚度较浅，目前施工方式发生了改变，均为机械化施工，故建议厚度取50 cm，分2次成型。

（3）碾压机具及遍数控制。采用挖掘机或推土机履带行走进行套压，其遍数可采用“小区碾压试验”确定，即通过将每遍取得的含水量—干密度值形成的曲线与V=1.63进行比较，选择最经济、效果最佳的曲线来确定遍数和施工方法。小区试验取得成果后，再全线进行推广运用。

（4）垄沟的回填。对坡面粘土取出后而形成的垄沟应进行回填，以确保河床整体的稳定，尤其确保河道运行期的安全，建议以砂壤土与4-1层面的复合土进行回填。

6 结论

6.1 施工质量

根据采取土样进行击实试验以及环刀试验所形成的报告，以及对相关参数的分析，证明20世纪70年代采用人工夯实粘土护坡，保证了河道护坡的稳定，达到了一定的水准和效果，并较好地运行了40多年。目前施工条件比40年前有了较大的改变，尤其施工的机械化程度较高，只要按照确定的方案取土、分坯碾压，其工程的质量和最后形成的效果一定会超过20世纪70年代的水平。

6.2 几个参数的分析与确定

①结合目前所取的土料，若对复合型土料进行改造，其粘土∶砂壤土应不低于3∶1，经过配合使土料c值提高，其护坡效果可超过20世纪70年代坡体面所采用的土料；

②本项目压实度建议统一采用0.9，可以涵盖整个土料的压实效果情形，均超过20世纪70年代的施工水平和效果；

③干密度控制值γ干=1.64，最优含水量W在16.4%～18.5%范围内；

④护体土料综合指数中，粘土料粘聚力c=37，土内摩擦角φ=20°。

通过在工程实践中不断积累经验，在施工过程中对土料的相关参数加以完善，可更好地提高工程的质量。本次工程土料基本参数的确定，均超过了1974年护体指数。笔者以上论述和具体工程实施，为今后类似工程的建设提供了经验。