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

1、土地平整是建設穩(wěn)產高產農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，提高勞動生產率，發(fā)揮機械作業(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，其中土壤力學性質、坡度以及降雨等都是主要的

2、影響因素。現在在土石坎設計時，其設計參數主要采用土地開發(fā)整理項目工程設計標準提供的范圍值，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)下其土壤抗剪強度進行了研究，在此基礎上根據土石坎穩(wěn)定性的需求，結合土力學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，實現土地整理工程土石坎設計優(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計提供科學依據。主要結果如下：
　　 1.土壤干密度、含水率和干濕循環(huán)對抗剪強度的影響
　　 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，在這樣一個交互作用下粘聚力c達到最大。含水率和干密度的交互作用對內摩擦角()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，含水率對內摩擦角()的影響非常明顯。粘土相對砂土而言表現出了聚力c及內摩擦角()均較大的特點，即黃壤和鈣質紫色土粘聚力c及內摩擦角()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)結束后黃壤力粘聚力c略大于鈣質紫色土，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)結束后，黃壤內摩擦角為24.6°，為最大：其次為中性紫色土，內摩擦角衰減為22.6°；鈣質紫色土在第五次干濕循環(huán)結束后內摩擦角最小，為19.3°。
　　 2.基于抗剪強度差異的

6、土地整理工程土坎優(yōu)化設計
　　 對于砂土而言，如果土坎未經過干濕循環(huán)作用，其外邊坡坡度角θ允許值最大，達到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)結束后外邊坡坡度角允許值達到最小。一般第五次干濕循環(huán)以后，土壤內摩擦角基本不再隨干濕循環(huán)次數在快速減少，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計為21°。無粘性土土坎穩(wěn)定安全系數K，只與內摩擦角(

7、)和坡角θ有關，與坡高無關，也與土壤重度無關。
　　 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以內時，黃壤和鈣質紫色土其外邊坡穩(wěn)定坡度角一致，當高度大于1.5m時，鈣質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以內可以按設計外邊坡穩(wěn)定坡度角修建土坎，而對于在遂寧組發(fā)育的鈣質紫色土區(qū)，土

8、坎修筑高度宜控制在2.5m以內。
　　 3.基于抗剪強度差異的土地整理工程石坎擋土墻優(yōu)化設計
　　 有排水設施和無排水設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，其中有排水設施的擋土墻所受土壓力在各擋土墻高度下均比無排水設施所受土壓力小，兩者差值達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)化設計結果顯示，由于墻背傾角ε均為負值，因此擋土墻結構形式都設計為仰斜式。另一方面，當高度相同，墻背表面填土坡角β也相同

10、的情況下，鈣質紫色土土壤類型區(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)境條件復雜的丘陵山區(qū)，抗剪強度的差異主要表現為土壤干密度、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計標準提供的范圍值缺乏針對性，未考慮到環(huán)境差異對設計參數的具體影響，既難以節(jié)省投資，更談不上優(yōu)化設計。土坎設計參數的確定很大程度上取決于干濕循環(huán)作用下土壤抗剪強度迅

11、速衰減之后的穩(wěn)定值。土壤物理性質、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計參數。土石坎設計是一項系統(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和力學性質，獲得更大的抗剪強度，減小干濕循環(huán)對抗剪強度的削弱作用；對于石坎擋土墻而言，在今后的研究中可以根據工程實踐需要對其他結構形式和材料等方面進行研究。這些方面的研究有待進一步深入，以進一步完善重慶丘陵山區(qū)土地整理土石坎工程設計體