昔格達(dá)組粉砂巖作為筑壩土料的工程特性研究

左永振，張 偉，張曉川，黨 琛

（1．長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2．攀枝花市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，四川攀枝花 617000；3．攀枝花市西區(qū)梅子菁水庫管理局，四川攀枝花 617000）

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昔格達(dá)組粉砂巖作為筑壩土料的工程特性研究

左永振1，張 偉1，張曉川2，黨 琛3

（1．長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；2．攀枝花市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，四川攀枝花 617000；3．攀枝花市西區(qū)梅子菁水庫管理局，四川攀枝花 617000）

摘 要：昔格達(dá)組地層是分布于四川西部攀枝花及西昌地區(qū)的一種特殊的工程性質(zhì)較差的半成巖，攀西地區(qū)是我國能源富集的地區(qū)，也是我國需要重點(diǎn)發(fā)展的水電能源地區(qū)，開展昔格達(dá)組地層研究對(duì)當(dāng)?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)有重要的意義。針對(duì)梅子箐水庫擴(kuò)建工程擬采用的昔格達(dá)組粉砂巖，采用大尺寸試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了物理力學(xué)性能試驗(yàn)，探討其作為筑壩土料的適宜性問題。試驗(yàn)研究表明：昔格達(dá)組粉砂巖具有較好的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，壓縮性中等偏低，滲透性中等，抗?jié)B透變形特性較好，可以作為筑壩土料。在力學(xué)性質(zhì)上，昔格達(dá)組粉砂巖的性質(zhì)更接近粉砂質(zhì)土。

關(guān)鍵詞：昔格達(dá)組；粉砂巖；筑壩土料；土工試驗(yàn)；工程性質(zhì)

1 工程背景

昔格達(dá)組地層廣泛分布在四川西部攀枝花、西昌地區(qū)，形成于第四紀(jì)早期，主要由淺黃色、肉紅色、灰黑色泥巖與淺黃色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖成韻律互層組成的一套靜水河湖相沉積地層［1－2］，主要以淺黃色黏土層和細(xì)砂層互層為主［3－5］。由于形成年代較新，沒有完成沉積成巖作用，昔格達(dá)組地層在巖性上表現(xiàn)為似土非土、似巖非巖的半成巖特性［6－7］，工程性質(zhì)較差。

自1937年常隆慶先生首次涉足昔格達(dá)組地層［2，8］以來，因其固結(jié)程度低、結(jié)構(gòu)疏松、強(qiáng)度不穩(wěn)定、易滑等工程性質(zhì)，吸引了眾多專家學(xué)者的關(guān)注，他們對(duì)其工程地質(zhì)性質(zhì)進(jìn)行了深入的研究。

在水利水電方面，彭盛恩［3－4］研究得出昔格達(dá)組50%～33%的黏土礫土與50%～67%細(xì)砂礫土的混合土具有較高的抗剪強(qiáng)度和較低的壓縮性，可用作均質(zhì)土壩的土料。李小泉［9］（1996年）在粟子坪水電站的研究表明，昔格達(dá)土可用作廠房基礎(chǔ)持力層。周云金等［10］（2000年）在進(jìn)行紅格提水工程設(shè)計(jì)時(shí)，分析認(rèn)為昔格達(dá)地層成巖程度低，結(jié)構(gòu)構(gòu)造不均，并具有壓縮性較強(qiáng)、遇水軟化、脫水崩解等特點(diǎn)。杜守來等［11］（2014年）研究了昔格達(dá)組泥巖的工程特性，認(rèn)為該泥巖可作為壩體的防滲土料。

在路基填料研究方面，向貴府等［6－7］（2004年）分析認(rèn)為含水率指標(biāo)與土料壓實(shí)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、承載比等具有一致的相關(guān)性。文麗娜等［12］（2005年）進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，分析了含水率與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系。王維早［5］（2010年）分析了現(xiàn)場碾壓機(jī)具、碾壓方式等對(duì)壓實(shí)度的影響。

在大面積高填方地基填料研究方面，楊碧等［13］（2010年）認(rèn)為昔格達(dá)組地層具有遇水軟化明顯的水理性質(zhì)。張威等［14］（2011年）進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，黏土巖抗剪強(qiáng)度明顯降低，含水率對(duì)黏土巖黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響具有明顯的停滯性。薛尚鈴等［15］（2009年）進(jìn)行了現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，確定了合適的碾壓方式、碾壓遍數(shù)、鋪土厚度等參數(shù)。

在上述研究中，取得了一些優(yōu)異的成果，但是室內(nèi)試驗(yàn)的研究對(duì)象基本是針對(duì)粒徑2 mm以下的細(xì)料，試驗(yàn)手段也局限在細(xì)料試驗(yàn)方面，如顆粒分析試驗(yàn)、礦物成分分析、輕型擊實(shí)試驗(yàn)、細(xì)料直剪試驗(yàn)等。而昔格達(dá)組地層為半成巖狀地層，在現(xiàn)場大面積施工過程中，不可能將其土料像試驗(yàn)室內(nèi)一樣進(jìn)行碾細(xì)過篩，而只能將開挖的昔格達(dá)組土料摻拌后直接填筑碾壓，因此有必要采用試樣尺寸較大的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，使試驗(yàn)土料的尺寸盡量與現(xiàn)場試驗(yàn)匹配，便于室內(nèi)試驗(yàn)成果能更好的服務(wù)工程實(shí)際。

基于此，本文針對(duì)攀西地區(qū)梅子箐水庫擴(kuò)建工程中擬采用的昔格達(dá)組粉砂巖，采用最大粒徑為60 mm的土料在室內(nèi)進(jìn)行大型擊實(shí)試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)等，研究昔格達(dá)組地層粉砂巖作為筑壩土料的適宜性。

2 物理性質(zhì)研究

為了解昔格達(dá)組地層料場的基本特性，在料場選擇了5個(gè)位置進(jìn)行豎井取樣，豎井的最大深度達(dá)到6．5 m，每個(gè)豎井在不同深度采用環(huán)刀取原狀樣6組，共取原狀樣30組。

同時(shí)，在料場采用挖掘機(jī)反鏟方式取樣，具體為剝除表層1 m厚的巖層，再進(jìn)行取樣，獲得開挖料的級(jí)配。

試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237—1999）［16］進(jìn)行。

2．1 原狀樣級(jí)配

原狀樣顆粒分析成果見圖1，土料的最大粒徑為20 mm，絕大部分粒徑在2 mm以下，小于0．075 mm的細(xì)料含量為24．0%～92．0%，平均值為49．0%，與前人的研究基本一致。

按規(guī)范［16］命名，29組為粉土質(zhì)砂或含粗顆粒的細(xì)粒土，1組為黏土，說明料場的均一性較好。

圖1　原狀樣級(jí)配曲線成果Fig．1 Grading curves of undisturbed samples

2．2 原狀樣干密度與含水率

原狀樣的干密度在1．24～1．64 g／cm3范圍內(nèi)，平均值為1．48 g／cm3，其分布見圖2。根據(jù)柱狀圖分布，干密度主要集中在1．40～1．60 g／cm3范圍內(nèi)，占70%。原狀樣的含水率在8．5%～41．9%范圍內(nèi)，主要集中在15%～25%范圍內(nèi)，平均值為21．3%。

2．3 開挖料級(jí)配

開挖料的級(jí)配曲線見圖3，可見最大粒徑達(dá)到200 mm，按規(guī)范［16］命名，均為粉土質(zhì)砂。

圖2　原狀樣干密度成果Fig．2 Dry density of undisturbed sample

圖3　開挖料級(jí)配曲線Fig．3 Grading curves of excavated materials

需要特別說明，昔格達(dá)組粉砂巖為半成巖，顆粒分析中的粒組＞1 mm的均為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖團(tuán)塊，稍用力碾壓后破碎為＜1 mm以下的粉細(xì)砂。

由于室內(nèi)試驗(yàn)儀器限制，室內(nèi)試驗(yàn)的最大粒徑為60 mm，根據(jù)規(guī)范［16］采用等量替代法進(jìn)行縮尺處理，得到室內(nèi)試驗(yàn)級(jí)配，見圖4。

圖4　開挖料室內(nèi)試驗(yàn)級(jí)配曲線Fig．4 Test grading curves of excavated material

2．4 礦物成分與化學(xué)組成

根據(jù)已有資料［3－4，13］，昔格達(dá)組粉砂巖的主要礦物為石英、長石、方解石，其次含有綠簾石、角閃石和磁鐵礦等，化學(xué)成分以SiO2為主，其余成分按含量由高到低依次為Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO，K2O等。

2．5 微觀結(jié)構(gòu)

根據(jù)已有資料［12－13］，昔格達(dá)組粉砂巖的顆粒大小較均一，排列無序但較緊密，粒間空隙較小，結(jié)構(gòu)類型屬不等粒結(jié)構(gòu)，膠結(jié)類型為接觸式膠結(jié)。

2．6 膨脹性與分散性

文獻(xiàn)［3］、文獻(xiàn)［11］、文獻(xiàn)［13］表明，昔格達(dá)組粉砂巖無膨脹性、非分散性土，可溶鹽含量為0．04%～0．06%、有機(jī)質(zhì)含量為0．04%～0．12%，pH值為8．45～8．80。

3 力學(xué)性質(zhì)研究

采用圖4的試驗(yàn)級(jí)配（最大顆粒粒徑60 mm）進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)。

3．1 最大干密度與最優(yōu)含水率

昔格達(dá)組土料的含水量對(duì)所能達(dá)到的最大干密度起著非常重要的作用［5－7］。當(dāng)昔格達(dá)組土料含水量較小時(shí)，其粒間引力較大，在一定的外部壓實(shí)功能作用下，不能有效地克服引力而使土粒相對(duì)移動(dòng)，這時(shí)獲得的干密度值就較小。當(dāng)增大昔格達(dá)組土料含水量時(shí)，結(jié)合水膜逐漸增厚，減少了引力，土粒在相同壓實(shí)功能條件下易于移動(dòng)而擠密，可以獲得較高的干密度值。但當(dāng)昔格達(dá)組土料含水量增大到一定程度后，孔隙中就出現(xiàn)了自由水，此時(shí)自由水填充在孔隙中，從而阻止土粒移動(dòng)，干密度值又趨于下降，因此存在一個(gè)最佳含水量對(duì)應(yīng)的最大干密度。

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)儀器，對(duì)昔格達(dá)組粉砂巖級(jí)配包線進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得其最大干密度與最優(yōu)含水率。試驗(yàn)擊實(shí)筒尺寸Ф300 mm×H288 mm，擊實(shí)錘質(zhì)量35．2 kg，落高600 mm，試樣分3層填裝，每層擊數(shù)88次，單位體積功能2 688．2 kJ／m3。獲得的最大干密度和最優(yōu)含水率成果見圖5及表1。

圖5　開挖料重型擊實(shí)試驗(yàn)曲線Fig．5 Curves of heavy compaction test of excavated material

表1　開挖料重型擊實(shí)試驗(yàn)成果Table 1 Result of heavy compaction test of excavated material

對(duì)＜5 mm的細(xì)料部分，同時(shí)進(jìn)行輕型擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)筒尺寸Ф102 mm×H116 mm，擊實(shí)錘質(zhì)量2．5 kg，落高305 mm，試樣分3層填裝，每層擊數(shù)25次，單位體積功能592．2 kJ／m3。獲得最大干密度為1．69 g／cm3，最優(yōu)含水率為18．2%。

按重型擊實(shí)試驗(yàn)的壓實(shí)度95%和輕型擊實(shí)試驗(yàn)的壓實(shí)度98%分別計(jì)算試驗(yàn)干密度，可發(fā)現(xiàn)二者非常近似，而輕型擊實(shí)試驗(yàn)省時(shí)省力，因此在施工質(zhì)量檢測中可以采用輕型擊實(shí)進(jìn)行質(zhì)量控制。

3．2 壓縮指標(biāo)

采用大型浮環(huán)式壓縮儀進(jìn)行試驗(yàn)，試樣直徑為500 mm，高為250 mm。成果見表2和圖6，可見，昔格達(dá)組粉砂巖開挖料的壓縮系數(shù)在0．179～0．219 MPa－1范圍內(nèi)，屬于中等壓縮性土。

表2　開挖料壓縮指標(biāo)成果Table 2 Result of compression test of excavated material

圖6　開挖料壓縮試驗(yàn)曲線Fig．6 Result of compression test of excavated material

3．3 抗剪強(qiáng)度

采用大型三軸試驗(yàn)儀進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測試，試樣尺寸Ф300 mm×H600 mm，試驗(yàn)時(shí)的周圍壓力為0．3，0．6，0．9，1．2 MPa，加載速率為0．45 mm／min。

成果見表3和圖7，可見昔格達(dá)組開挖料抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值在39～54 kPa范圍內(nèi)，φ值在22．7°～23．1°之間。抗剪強(qiáng)度指標(biāo)正常。

表3　開挖料抗剪強(qiáng)度成果Table 3 Result of shear strength of excavated material

3．4 滲透特性

采用垂直滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)，直徑300 mm，滲徑為200 mm。邊壁采用1 mm厚黏土護(hù)壁。試驗(yàn)用水為蒸餾水，水流方向由下至上，出口無保護(hù)。

試驗(yàn)成果見表4，成果顯示昔格達(dá)組粉砂巖的滲透系數(shù)在i×10－5cm／s量級(jí)，破壞形式為流土，已經(jīng)達(dá)到適合做均質(zhì)土壩的土料條件［4，17］。

圖7　開挖料三軸試驗(yàn)代表性成果曲線（下包線）Fig．7 Representative result of triaxial test of excavated material

表4　開挖料滲透特性成果Table 4 Result of permeability of excavated material

4 成果對(duì)比分析

文獻(xiàn)［11］、文獻(xiàn)［13］、文獻(xiàn)［15］均針對(duì)昔格達(dá)組粉砂巖進(jìn)行了細(xì)料的滲透系數(shù)、壓縮特性、抗剪強(qiáng)度等。與本文的成果對(duì)比見表5。

由表5可見本文得到的成果與前人的結(jié)論比較接近，而文獻(xiàn)［11］、文獻(xiàn)［13］、文獻(xiàn)［15］均是采用細(xì)料試驗(yàn)得到的成果，這說明昔格達(dá)組粉砂巖是一種極軟巖［8］，在受到外力荷載時(shí)極易破碎為粉砂質(zhì)土，使采用大尺寸試驗(yàn)設(shè)備獲得的力學(xué)參數(shù)與小尺寸試驗(yàn)設(shè)備得到的參數(shù)近似相同，從而使尺寸效應(yīng)降低至最小。

5 土料上壩施工條件的討論

（1）從昔格達(dá)組級(jí)配統(tǒng)計(jì)成果看，料場主要為粉土質(zhì)砂和含粗顆粒的細(xì)粒土，局部位置為黏土料（占比3%），在料場開采時(shí)采用立采方式，使土料混合均勻，可基本消除黏土料的影響。同時(shí)，應(yīng)控制土料的最大粒徑＜150 mm，滿足規(guī)范要求。

（2）昔格達(dá)組開挖料的天然含水率主要集中在15%～25%范圍內(nèi)，平均值為21．3%，輕型擊實(shí)試驗(yàn)獲得的最優(yōu)含水率為18．2%，考慮到在土料開挖、運(yùn)輸過程中的水分蒸發(fā)，在土料筑壩碾壓時(shí)的含水率將接近最優(yōu)含水率，昔格達(dá)組開挖料可不進(jìn)行翻曬，立采開挖后直接上壩。

（3）昔格達(dá)組開挖料在施工前應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，以確定可行的施工參數(shù)。結(jié)合文獻(xiàn)［5］、文獻(xiàn)［15］進(jìn)行的現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)資料，碾壓機(jī)具采用＞18 t壓路機(jī)，鋪土厚度35～40 cm，碾壓遍數(shù)5遍以上，碾壓采用先強(qiáng)振1遍，后弱振3遍，最后靜壓1遍的方式，可獲得較好的碾壓效果。

表5　昔格達(dá)組粉砂巖工程特性成果對(duì)比Table 5 Comparison of the engineering properties of Xigeda strata siltstone

6 結(jié) 語

昔格達(dá)組粉砂巖具有較好的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，壓縮性中等偏低，滲透性中等，抗?jié)B透變形特性較好，適宜做筑壩土料，施工中應(yīng)注意控制施工質(zhì)量。

從擊實(shí)試驗(yàn)和力學(xué)性試驗(yàn)成果看，昔格達(dá)組粉砂巖的性質(zhì)更接近粉砂質(zhì)土，與常規(guī)的寬級(jí)配粗粒料的性質(zhì)差別較大。

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（編輯：王 慰）

Engineering Properties of Xigeda Strata Siltstone as the Filling Material of Earth?Rock dam

ZUO Yong?zhen1，ZHANG Wei1，ZHANG Xiao?chuan2，DANG Chen3

（1．Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Panzhihua Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute，Panzhihua 617000，China；3．Meizijing Reservoir Administration of Panzhihua Western City，Panzhihua 617000，China）

Abstract：The western region of Panzhihua city has abundant resources and will be the focus of development．Xige?da strata，which is distributed in this region，is a special soft rock with poor engineering properties．Research on Xigeda strata is of importance to the infrastructure construction and geologic disaster prevention in this region．Xige?da strata siltstone is planned to be used in the expansion project of Meizijing reservoir．In this paper we discuss the suitability of Xigeda strata siltstone as the filling material of earth?rock dam through a number of physical and me?chanical tests by using large size test equipment．Test result reveals that Xigeda strata siltstone has good shear strength，good resistance to penetration deformation，with medium compressibility and permeability．It can be used as the filling material of earth?rock dam．The nature of Xigeda strata siltstone is close to that of silty soil in mechani?cal properties．

Key words：Xigeda strata；siltstone；filling material of earth?rock dam；geotechnical test；engineering property

作者簡介：左永振（1980－），男，山東臨沂人，工程師，碩士，主要從事粗粒土力學(xué)性質(zhì)研究，（電話）027－82820026（電子信箱）zuoyongzh＠163．com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（51309024）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201201039）

收稿日期：2014－11－07；修回日期：2014－12－19

中圖分類號(hào)：TU458．3；TV641．2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001－5485（2016）03－0084－05