基于抗剪強(qiáng)度的重慶丘陵山區(qū)土地整理土石坎工程優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、土地平整是建設(shè)穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)農(nóng)田不可缺少的重要措施，搞好土地平整，對合理灌排，節(jié)約用水，提高勞動生產(chǎn)率，發(fā)揮機(jī)械作業(yè)效率，以及改良土壤、保水、保土、保肥等方面，都有著重要的作用。坡改梯作為丘陵山區(qū)土地平整的主要形式，其主要包括降坡處理和土石坎修筑。但是，隨著土地整理等農(nóng)田整治項目的大面積展開，已實施土地整理項目部分暴露出嚴(yán)重問題，尤其是丘陵山區(qū)修建的土坎、石坎屢見垮塌。土石坎的修筑需要考慮到諸多因素，其中土壤力學(xué)性質(zhì)、坡度以及降雨等都是主要的

2、影響因素?，F(xiàn)在在土石坎設(shè)計時，其設(shè)計參數(shù)主要采用土地開發(fā)整理項目工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供的范圍值，而不是針對具體環(huán)境條件下的參照值。因此，本文采用全自動三軸儀對廣泛分布于重慶丘陵山區(qū)的黃壤、鈣質(zhì)紫色土、中性紫色土三種土壤在不同含水率、干密度以及干濕循環(huán)下其土壤抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上根據(jù)土石坎穩(wěn)定性的需求，結(jié)合土力學(xué)理論確定不同土壤類型在不同環(huán)境條件的土坎邊坡穩(wěn)定角，并通過VB編程計算出石坎最優(yōu)斷面，實現(xiàn)土地整理工程土石坎設(shè)計優(yōu)化，以期為

3、重慶丘陵山區(qū)土地開發(fā)整理工程中土石坎設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。主要結(jié)果如下：
　　 1.土壤干密度、含水率和干濕循環(huán)對抗剪強(qiáng)度的影響
　　 在相同干密度情況下土壤粘聚力c隨著含水率增加呈先增加后減小的趨勢；在相同土壤含水率水平下，土壤粘聚力c總體隨干密度增大而增大。土壤內(nèi)摩擦角()在各干密度條件下均隨著含水率增加呈明顯減小的趨勢。含水率和干密度的交互作用對粘聚力c有顯著影響，粘聚力c在1.3 g/cm3～1.7g/cm3范圍內(nèi)隨

4、著干密度的增大而增大，且每一個干密度都有一個含水率與之對應(yīng)，在這樣一個交互作用下粘聚力c達(dá)到最大。含水率和干密度的交互作用對內(nèi)摩擦角()影響相對較小，同一干密度下，其()值差異不大，隨干密度的增大緩慢增大，相對而言，含水率對內(nèi)摩擦角()的影響非常明顯。粘土相對砂土而言表現(xiàn)出了聚力c及內(nèi)摩擦角()均較大的特點，即黃壤和鈣質(zhì)紫色土粘聚力c及內(nèi)摩擦角()顯著大于中性紫色土。三種土壤類型的粘聚力c值均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加均呈減小趨勢，且前兩次循

5、環(huán)c衰減幅度都很大。從第三次干濕循環(huán)到第五次干濕循環(huán)粘聚力c值衰減幅度很小，趨于穩(wěn)定。第五次干濕循環(huán)結(jié)束后黃壤力粘聚力c略大于鈣質(zhì)紫色土，兩者均大于中性紫色土。三種不同類型土壤在幾次干濕循環(huán)后內(nèi)摩擦角()總體呈減小趨勢，但不同土壤類型間存在差異。第五次循環(huán)結(jié)束后，黃壤內(nèi)摩擦角為24.6°，為最大：其次為中性紫色土，內(nèi)摩擦角衰減為22.6°；鈣質(zhì)紫色土在第五次干濕循環(huán)結(jié)束后內(nèi)摩擦角最小，為19.3°。
　　 2.基于抗剪強(qiáng)度差異的

6、土地整理工程土坎優(yōu)化設(shè)計
　　 對于砂土而言，如果土坎未經(jīng)過干濕循環(huán)作用，其外邊坡坡度角θ允許值最大，達(dá)到34°，第一干濕循環(huán)對允許坡度角基本上沒有影響，第二次到第四次外邊坡坡度角允許值開始減小，第五次干濕循環(huán)結(jié)束后外邊坡坡度角允許值達(dá)到最小。一般第五次干濕循環(huán)以后，土壤內(nèi)摩擦角基本不再隨干濕循環(huán)次數(shù)在快速減少，而是趨于平穩(wěn)，因此，對于中性紫色土如修建土坎，其外邊坡坡度角可設(shè)計為21°。無粘性土土坎穩(wěn)定安全系數(shù)K，只與內(nèi)摩擦角(

7、)和坡角θ有關(guān)，與坡高無關(guān)，也與土壤重度無關(guān)。
　　 對于粘土而言，在其他條件相同的情況下，土坎外邊坡穩(wěn)定坡度角隨著坎高的增加呈遞減趨勢。高度在1.5m以內(nèi)時，黃壤和鈣質(zhì)紫色土其外邊坡穩(wěn)定坡度角一致，當(dāng)高度大于1.5m時，鈣質(zhì)紫色土允許外邊坡穩(wěn)定坡度角較黃壤而言允許值更小，換而言之，土坎外邊坡需更平緩才能滿足穩(wěn)定性需要。從占地和穩(wěn)定性考慮，黃壤在坎高3m以內(nèi)可以按設(shè)計外邊坡穩(wěn)定坡度角修建土坎，而對于在遂寧組發(fā)育的鈣質(zhì)紫色土區(qū)，土

8、坎修筑高度宜控制在2.5m以內(nèi)。
　　 3.基于抗剪強(qiáng)度差異的土地整理工程石坎擋土墻優(yōu)化設(shè)計
　　 有排水設(shè)施和無排水設(shè)施對擋土墻所受土壓力影響很大，以黃壤為例，隨著擋土墻高度的增加，擋土墻所受主動土壓力呈增大趨勢，其中有排水設(shè)施的擋土墻所受土壓力在各擋土墻高度下均比無排水設(shè)施所受土壓力小，兩者差值達(dá)17％。
　　 隨著擋土墻高度增加擋土墻所受主動土壓力呈拋物線上升，高度從0.5m增加到2m時，土壓力增加相對較快

9、，墻高2m所受主動土壓力是墻高5m所受主動土壓力的16倍左右；高度從2m增加到5m時，土壓力增大較慢，墻高5m所受主動土壓力是墻高2m所受主動土壓力的6倍左右。另一方面，當(dāng)墻后表面填土坡度角β一定，其他條件相同時，土壓力俯斜(ε>0)較仰斜的大(ε<0)，土壓力隨著墻背傾角ε減小而減小。
　　 三種土壤類型區(qū)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果顯示，由于墻背傾角ε均為負(fù)值，因此擋土墻結(jié)構(gòu)形式都設(shè)計為仰斜式。另一方面，當(dāng)高度相同，墻背表面填土坡角β也相同

10、的情況下，鈣質(zhì)紫色土土壤類型區(qū)擋土墻斷面尺寸總體大于黃壤土壤類型區(qū)擋土墻斷面尺寸，三者比較而言中性紫色土壤類型區(qū)擋土墻斷面尺寸最小。
　　 綜上所述，在環(huán)境條件復(fù)雜的丘陵山區(qū)，抗剪強(qiáng)度的差異主要表現(xiàn)為土壤干密度、含水率和干濕循環(huán)等外部條件的共同作用。目前土地整理工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供的范圍值缺乏針對性，未考慮到環(huán)境差異對設(shè)計參數(shù)的具體影響，既難以節(jié)省投資，更談不上優(yōu)化設(shè)計。土坎設(shè)計參數(shù)的確定很大程度上取決于干濕循環(huán)作用下土壤抗剪強(qiáng)度迅

11、速衰減之后的穩(wěn)定值。土壤物理性質(zhì)、墻后填土坡度角在不同環(huán)境條件下不盡相同，這些因素共同決定了石坎擋土墻斷面設(shè)計參數(shù)。土石坎設(shè)計是一項系統(tǒng)工程，就土坎而言，還可以在修建土坎過程中添加石灰等材料改善土壤物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，獲得更大的抗剪強(qiáng)度，減小干濕循環(huán)對抗剪強(qiáng)度的削弱作用；對于石坎擋土墻而言，在今后的研究中可以根據(jù)工程實踐需要對其他結(jié)構(gòu)形式和材料等方面進(jìn)行研究。這些方面的研究有待進(jìn)一步深入，以進(jìn)一步完善重慶丘陵山區(qū)土地整理土石坎工程設(shè)計體