寬級配坡殘積礫石土壓實及抗剪特性試驗研究

李 忠 洪

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

寬級配坡殘積礫石土壓實及抗剪特性試驗研究

李 忠 洪

(中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司,云南 昆明 650051)

結(jié)合某心墻堆石高壩所采用的坡殘積礫石土心墻料，以大型擊實試驗和大型直剪試驗為主要手段，揭示了隨著大于5 mm的粗粒含量P5增加，礫石土的最大干密度增加，抗剪強度指標(biāo)C值減小，φ值增大的規(guī)律，并通過回歸分析得到了它們之間的關(guān)系，為該類坡殘積礫石土的應(yīng)用提供了參考依據(jù)。

寬級配礫石土，擊實試驗，直剪試驗，P5含量分析

1 目的

土石壩是一種最古老的壩型，在科技飛速發(fā)展的今天，土石壩仍然是目前應(yīng)用較廣的一種壩型。坡殘積礫石土是礫石土的一種成因類型，是坡積物和風(fēng)化殘積物的混合堆積物，一般分布于山坡地帶，在粘粒含量滿足防滲性能的同時，因具有一定的礫石含量提高了礫石土的抗剪力學(xué)性能，故在土石壩中廣泛應(yīng)用于心墻防滲體。粗粒含量P5對礫石土的擊實和抗剪特性有著很大的影響。文章結(jié)合某水電站工程實際，隨著坡殘積礫石土中粗粒含量P5的不同，分別進行了6組大型擊實試驗和5組直剪試驗，希望通過試驗了解P5的增加，研究相應(yīng)的礫石土壓實特性和抗剪強度的變化規(guī)律。

2 擊實試驗

2.1 試驗條件

大型擊實試驗配料、擊實試驗過程嚴格遵循SL 237-1999土工試驗規(guī)程，試驗采用的大型擊實儀規(guī)格如表1所示。

表1 擊實儀技術(shù)性能表

2.2 試樣準(zhǔn)備

6組大型擊實試驗，坡殘積礫石土試樣級配如表2所示。

表2 大型擊實試驗顆粒級配 %

2.3 試驗結(jié)果

6組不同粗粒含量(P5=0%～50%)的大型擊實試驗成果見表3和圖1。

表3 大型擊實試驗成果表

3 直剪試驗

3.1 試驗條件

坡殘積礫石土直剪試驗采用儀器為應(yīng)力控制式大型直剪儀，試驗前，儀器經(jīng)精心調(diào)試、率定。

每組大型直剪試驗四個試件，直剪試件的制樣干密度如表2所示。每組直剪試驗四個試件，施加的正應(yīng)力σ分別為200 kPa,400 kPa,800 kPa,1 200 kPa。按照SL 237-1999土工試驗規(guī)程，固結(jié)穩(wěn)定后，起始水平剪切荷載按垂直荷載的7%施加，水平剪切荷載每20 s～30 s施加一級，并記錄相應(yīng)的水平百分表和垂直百分表的讀數(shù)，當(dāng)某級水平剪切荷載下的剪切位移超過前一級剪切位移的1.5倍時改為按5%施加剪切荷載，直至試驗結(jié)束。

3.2 試樣準(zhǔn)備

坡殘積礫石土直剪試驗中的試驗配料根據(jù)實際工程心墻填筑料的實測級配計算，并對超粒徑(>60 mm)部分采用替代法處理，5組試樣各級顆粒含量見表4。

表4 大型直剪試驗礫石土試驗級配

3.3 試驗結(jié)果

圖2是坡殘積礫石土直剪試驗典型曲線圖，5組試驗所得強度參數(shù)如表5所示。

4 成果分析

研究表明，隨著P5含量的增加，礫石土的最大干密度增加，抗剪強度指標(biāo)C值減小，內(nèi)摩擦角φ值增大。通過分析認為，試驗中P5≤50%時，隨著粗粒含量增加，細粒減少，粗粒在礫石土中骨架作用越明顯，此時細粒能完全填充粗粒形成的骨架間隙，這樣擊實最大干密度就會隨著P5增大相應(yīng)增大；直剪時，由于骨架作用的增強，直剪的內(nèi)摩擦角φ值也相應(yīng)增大了，而C值卻由于細粒的相對減少而降低。采用大型擊實試驗和大型直剪試驗，揭示出了坡殘積礫石土的壓實特性、強度指標(biāo)與P5的關(guān)系。

表5 大型直剪試驗成果表

4.1P5對最大干密度與最優(yōu)含水率的影響

表3與圖1所示的大型擊實試驗成果表明，P5對土的最大干密度和最優(yōu)含水率都有影響，P5從0%提高到50%的過程中，獲得的最大干密度從1.835 g/cm3逐步增大到2.053 g/cm3，最優(yōu)含水率卻從14.8%逐步降低到8.8%。將最大干密度和最優(yōu)含水率隨P5的變化表示在以P5為橫坐標(biāo)，以最大干密度和最優(yōu)含水率為縱坐標(biāo)的圖上(見圖3)，可見其關(guān)系和規(guī)律非常明顯。

(1)

(2)

4.2P5對土強度指標(biāo)的影響

從表5所示大型直剪試驗結(jié)果不難看出，P5對土抗剪強度指標(biāo)的影響是非常明顯的。隨著P5從19.12%逐漸提高到44.83%，礫石土的內(nèi)摩擦角從21.8°逐步增大到29.3°，內(nèi)聚力則從110.2 kPa逐漸降低到73.1 kPa。為揭示其定量關(guān)系，以P5為橫坐標(biāo)，內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力為縱坐標(biāo)繪圖，可得如圖4所示關(guān)系曲線。

(3)

(4)

5 主要結(jié)論

通過某水電站堆石壩坡殘積礫石土心墻土料擊實試驗和直剪試驗，對試驗成果分析，可以得出如下幾點：1)坡殘積礫石土具有良好的壓實特性和強度特性，是一種很好的防滲心墻填筑料；2)通過對擊實試驗成果回歸分析得到此土ρdmax，ωop與P5關(guān)系式，如式(1)和式(2)所示；3)通過對直剪試驗成果回歸分析得到此土C,φ與P5關(guān)系式，如式(3)和式(4)所示。回歸分析得到的四個擬合公式在一定程度上反映了P5含量對擊實和抗剪強度指標(biāo)的影響，對這種坡殘積礫石土的認識有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 嚴 偉.高土石壩寬級配礫石土心墻料特性研究及數(shù)值模擬[D].成都：四川大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[2] SL 237-1999,土工試驗規(guī)程[S].

[3] 郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，1998.

[4] 雷澤宏.寬級配礫石土料填筑標(biāo)準(zhǔn)及質(zhì)量控制方法研究[J].土石壩工程,1996(1-2)：55-56.

[5] 林 昭.碾壓式土石壩設(shè)計[M].鄭州：黃河水利出版社,2003.

[6] 田樹玉.粗粒上抗剪強度特性的研究[J].大壩觀測與土工測試,1997,21(2):35-39.

[7] 劉振飛.水利水電工程設(shè)計與施工新技術(shù)全書[M].北京：海潮出版社,2001.

Thetestresearchonwidegradinggravellysoilcompactionandshearresistancecharacteristics

LIZhong-hong

(KunmingSurveyDesignResearchInstituteCo.,Ltd,ChineseElectricPowerConstructionGroup,Kunming650051,China)

Combining with the used slope residual gravel soil core wall material of a core wall high rockfill dam, taking large-scale compaction test and large direct shear test as the main means, revealled with the increase of coarse grain contentP5than 5 mm, the maximum dry density increased of gravel soil, the shear resistance strength indexCvalue decreased, theφvalue increased, and through the regression analysis obtained the relationship between them, provided reference for the application of this kind of slope residual gravel soil.

wide grading gravelly soil, compaction test, direct shear test,P5content analysis

1009-6825(2014)33-0221-02

2014-09-14

李忠洪(1982- )，男，碩士，工程師

TU432

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