固原黃土筑壩材料試驗(yàn)研究

李明福，周明

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.寧夏水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，寧夏銀川750002）

固原黃土筑壩材料試驗(yàn)研究

李明福1，周明2

（1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津300222；2.寧夏水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，寧夏銀川750002）

以固原馬蘭黃土作為對(duì)象，系統(tǒng)研究工程特性及處理應(yīng)用，為均質(zhì)土壩設(shè)計(jì)、施工和安全運(yùn)行提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)原狀黃土和人工制備的黃土進(jìn)行試驗(yàn)、測(cè)試和分析，揭示不同狀態(tài)下黃土力學(xué)性質(zhì)的差異、特性指標(biāo)隨環(huán)境的變化規(guī)律及影響因素，對(duì)黃土筑壩材料的處理及適用性等問(wèn)題進(jìn)行了分析總結(jié)。實(shí)踐表明，采取行之有效的處理措施，可以消除或抑制黃土料產(chǎn)生對(duì)大壩工程不利的變形、穩(wěn)定影響。

壓縮系數(shù)；主應(yīng)力差；重塑黃土；壓實(shí)度

1 引言

晚更新世后期，固原地區(qū)氣候干旱，空中大量粉砂質(zhì)塵土加速由西北向東南搬來(lái)降落在地面上，大地變成黃土塬。后又經(jīng)風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)、堆積形成山地、黃土丘陵、山間河谷階地。

寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全工程引水線路末端的中莊水庫(kù)為本工程的主調(diào)節(jié)水庫(kù)，總庫(kù)容2 564萬(wàn)m3，壩線總長(zhǎng)960 m，最大壩高57.1 m，采用碾壓式均質(zhì)土壩。筑壩土料采用壩址及周邊的馬蘭黃土和部分壤土填筑，填筑總量453萬(wàn)m3。

工程勘察期間，在固原南郊的雙泉村、中莊水庫(kù)及周邊黃土地層中采集不同深度的Q3馬蘭黃土原狀樣品940余組和擾動(dòng)樣品1 450余組，先后對(duì)黃土的物理力學(xué)及水理性質(zhì)進(jìn)行了全指標(biāo)測(cè)試，重點(diǎn)研究了馬蘭黃土筑壩料的工程特性、處理及應(yīng)用。

2 原狀馬蘭黃土的物理力學(xué)性質(zhì)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的原狀土樣進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)獲得的主要物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1，而主要試驗(yàn)成果分述于后。

表1 黃土物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

2.1 粒組成分

據(jù)顆粒分析成果統(tǒng)計(jì)，固原馬蘭黃土粒組成分以粗—中粒粉土為主，粉土含量在71.4%～85.9%，平均值為78.9%；砂粒含量很少，含量小于3%，且均為極細(xì)砂或細(xì)砂；黏粒含量較低，含量介于10.7%～38.8%，平均值為20.8%。從黃土的顆粒組成比較看，工程區(qū)黃土的巖性較均一，在水平方向和垂直方向變化幅度不大。固原馬蘭黃土的粒組成分總體分布趨勢(shì)，如圖1所示。

試驗(yàn)成果表明，在一定顆粒含量范圍內(nèi)，黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率與黃土中的黏粒含量具有一定相關(guān)性，最優(yōu)含水率表現(xiàn)為隨著黏粒含量的增大而增高趨勢(shì)，如圖2所示，而最大干密度則表現(xiàn)為隨著黏粒含量的增大（或粉砂含量減少）而降低趨勢(shì)。

圖1 黃土粒組成分分布曲線

圖2 黃土最優(yōu)含水率隨不同黏粒含量變化

2.2 含水率ω、孔隙比e

中莊水庫(kù)大壩采用黃土填筑壩身時(shí)，土的含水率對(duì)于碾壓層的壓實(shí)度起關(guān)鍵作用，如果含水率過(guò)小則壩體填筑壓實(shí)度就達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，而含水率過(guò)大則碾壓層會(huì)出現(xiàn)“彈簧土”現(xiàn)象。

根據(jù)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，中莊馬蘭黃土的含水率在9.8%～28.6%，平均值為18.0%。試驗(yàn)結(jié)果表明，在土層深度20 m以?xún)?nèi)，含水率呈現(xiàn)隨深度逐漸增大趨勢(shì)，如圖3所示。而深度超過(guò)20 m以后的含水率大致趨于穩(wěn)定，一般在19.5%～24.1%，多在20%上下。另外，土層深度超過(guò)14 m以后，土樣飽和度一般大于90%，并趨于100%。

圖3 黃土含水率隨埋深變化趨勢(shì)

固原馬蘭黃土的孔隙比或因受到其上覆土的自重壓力影響，與埋藏深度關(guān)系較密切。在土層深度8 m以?xún)?nèi)，孔隙比一般大于1.00，最大達(dá)1.20。而隨著埋藏深度的增加，孔隙比逐漸減小。

當(dāng)土層深度超過(guò)8 m以后，孔隙比在0.459～0.904，平均值為0.601，離散度并不高。黃土孔隙比隨埋深變化趨勢(shì)，如圖4所示。

圖4 黃土孔隙比隨埋深變化趨勢(shì)

另外，試驗(yàn)結(jié)果表明，深度超過(guò)8 m以后，黃土孔隙比與含水率具有較好的相關(guān)性，呈線性關(guān)系，如圖5所示，這也間接反映了深部黃土的濕度趨于飽和狀態(tài)。

圖5 深度8 m以下黃土含水率與孔隙比關(guān)系曲線

2.3 壓縮性

在不同壓力范圍下天然原狀黃土的壓縮性指標(biāo)，見(jiàn)表2。

表2 不同壓力范圍下黃土壓縮性指標(biāo)平均值

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，固原馬蘭黃土的天然狀態(tài)下的壓縮系數(shù)值在0.02～1.27 MPa-1，平均值為0.30 MPa-1；壓縮模量（Es）在1.7～39.7 MPa，平均值為11.0 MPa，可以看出兩者變異性均較大。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在天然含水量狀態(tài)下馬蘭黃土的壓縮性具有如下特點(diǎn)：

（1）黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)較弱，其壓縮系數(shù)總體上隨壓力的增高而減少，見(jiàn)表2，而在中間（400～500 kPa）一度出現(xiàn)增大現(xiàn)象，以后基本趨于下降。

（2）不同埋深原狀土的壓縮系數(shù)差別較大，如圖6所示。在深度8.0 m以上的黃土壓縮系數(shù)多超過(guò)0.5，具較高的壓縮性；深度8 m以下的黃土壓縮系數(shù)一般在0.02～0.2，壓縮性較低。

圖6 黃土壓縮系數(shù)隨深度變化

（3）含水量對(duì)于黏性土壓縮性具重要影響，通常情況下隨著含水量增高壓縮性相應(yīng)增大，但是本次天然試樣的含水率與壓縮系數(shù)相關(guān)性不強(qiáng)，而土樣飽和度Sr與壓縮性卻出現(xiàn)了相反情形，即隨著飽和度增高壓縮系數(shù)卻反而降低，如圖7所示。經(jīng)初步分析發(fā)現(xiàn)，隨著土的埋深增加飽和度也逐漸增大，黃土已在自重作用下部分完成壓縮變形及濕陷變形，而壓縮性隨著埋深逐漸降低。

圖7 黃土飽和度與壓縮系數(shù)相關(guān)曲線

2.4 抗剪強(qiáng)度

本次試驗(yàn)對(duì)于原狀土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)，土樣采取深度為2.0～50.0 m，試樣剪切方式為天然快剪、飽和快剪和天然慢剪，試驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表3 黃土直剪試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，原狀馬蘭黃土的抗剪強(qiáng)度具有如下特點(diǎn)：

（1）與天然狀態(tài)相比，飽和狀態(tài)的黃土黏聚力顯著減小，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不大；天然狀態(tài)下，與快剪相比，慢剪時(shí)的黏聚力明顯提高，而對(duì)內(nèi)摩擦角的影響不明顯。

（2）在天然狀態(tài)下，含水量的變化對(duì)抗剪強(qiáng)度具有一定的影響，主要表現(xiàn)為：隨著含水量增高，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，如圖8所示。

圖8 黃土內(nèi)摩擦角隨含水率變化趨勢(shì)

2.5 濕陷性

通過(guò)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，不同壓力下濕陷系數(shù)δs平均值變化曲線如圖9所示，不同壓力下黃土濕陷變形系數(shù)見(jiàn)表4。

圖9 黃土壓力與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線

表4 黃土濕陷系數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果表明，馬蘭黃土的濕陷性具有如下特點(diǎn)：

（1）黃土濕陷系數(shù)先是隨壓力的增高而增大，在500 kPa附近出現(xiàn)最大值，以后趨于下降。

（2）在200 kPa壓力下，黃土的濕陷系數(shù)在0.001～0.155，平均值為0.023，濕陷性表現(xiàn)為輕微—強(qiáng)烈。在埋藏深度8.0 m以?xún)?nèi)的黃土濕陷系數(shù)平均值超過(guò)0.015，黃土具有濕陷性，且埋深5 m范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的濕陷性，如圖10所示。當(dāng)埋藏深度超過(guò)10 m以后，濕陷系數(shù)平均值均小于0.015，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)屬于非濕陷性黃土。

圖10 不同深度的黃土濕陷系數(shù)

（3）黃土孔隙比與濕陷系數(shù)具有一定相關(guān)性，孔隙比大濕陷系數(shù)也大，孔隙比小濕陷系數(shù)也小，如圖11所示。

圖11 黃土孔隙比與濕陷系數(shù)關(guān)系曲線

另?yè)?jù)中莊水庫(kù)壩址黃土的濕陷程度試驗(yàn)結(jié)果，從地表至埋深28.3 m范圍內(nèi)，黃土的濕陷程度均表現(xiàn)為自重濕陷，且厚度越大自重壓力越高，濕陷程度也越嚴(yán)重，因此原狀黃土層不可直接作為壩基或壩肩利用。

3 人工制備黃土的物理力學(xué)性質(zhì)

3.1 重塑黃土壓縮試驗(yàn)

根據(jù)工程需要，為了查明土體沉降變形特性，以設(shè)計(jì)最大干密度乘0.98的壓實(shí)系數(shù)制備黃土試樣，分別在最優(yōu)含水率與飽和狀態(tài)、分級(jí)荷載應(yīng)力作用下進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。按最優(yōu)含水率制備重塑土的壓縮試驗(yàn)成果見(jiàn)表5，飽和狀態(tài)重塑土的試驗(yàn)成果見(jiàn)表6。

表5 非飽和（最優(yōu)含水率）狀態(tài)重塑黃土壓縮試驗(yàn)結(jié)果

表6 飽和狀態(tài)重塑黃土壓縮試驗(yàn)結(jié)果

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，重塑黃土的壓縮性具有如下特點(diǎn)：

（1）非飽和試樣在100～200 kPa壓力范圍下壓縮系數(shù)值在0.056～0.157 MPa-1，平均值為0.10 MPa-1，表現(xiàn)為較低的壓縮性，其變異系數(shù)為0.003，變異性很??；而壓縮模量在6.03～20.0 MPa，平均值為8.9 MPa，其變異系數(shù)為0.42，變異性很大。

（2）飽和試樣在100～200 kPa壓力范圍下的壓縮系數(shù)值在0.073～0.259 MPa-1，平均值為0.15 MPa-1，屬低—中壓縮性；而壓縮模量在3.87～21.9 MPa，平均值為7.0 MPa。兩者變異系數(shù)分別為0.4和0.67，變異性均很大。

（3）將非飽和試樣和飽和試樣的壓縮系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，看得出重塑黃土飽和試樣的壓縮性略有提高，但兩者之間的差值較小。

（4）與原狀土的壓縮性相比，按0.98的壓實(shí)系數(shù)制備的重塑黃土的壓縮性顯著降低，壓實(shí)效果明顯。

3.2 重塑黃土強(qiáng)度特性

選取庫(kù)區(qū)附近黃土，對(duì)不同密實(shí)度和飽和度的重塑黃土進(jìn)行了強(qiáng)度特性試驗(yàn)。

3.2.1 重塑黃土飽和、非飽和試樣的抗剪強(qiáng)度

試驗(yàn)采用三軸儀測(cè)定重塑黃土的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)工程特點(diǎn)，分別對(duì)非飽和試樣和飽和試樣采用固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)。試樣是在設(shè)計(jì)最大干密度乘0.98的壓實(shí)系數(shù)制備的。

通過(guò)三軸試驗(yàn)所得中莊水庫(kù)重塑黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見(jiàn)表7。圖12為黃土飽和試樣和非飽和試樣的三軸剪切強(qiáng)度包線。

表7 重塑黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）重塑黃土試樣在剪切過(guò)程中，主應(yīng)力差σ1-σ3均隨著圍壓σ3的增加而增加。非飽和試樣的Фcu值為24o～30o，Ccu值為37.1～78.7 kPa；飽和試樣的Фcu值為20o～26.5o，Ccu值為17.6～55.2 kPa。與原狀黃土相比，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均明顯提高。

圖12 重塑黃土飽和、非飽和試樣三軸剪切強(qiáng)度包線

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，含水量對(duì)黏聚力有很大的影響，與非飽和試樣相比，多數(shù)飽和試樣的黏聚力下降了29%～77%。而含水量對(duì)內(nèi)摩擦角的影響相對(duì)較小，飽和試樣的內(nèi)摩擦角比非飽和試樣僅下降了2%～26%。

3.2.2 壓實(shí)度對(duì)重塑黃土抗剪強(qiáng)度的影響程度及趨勢(shì)

試驗(yàn)中的壓實(shí)系數(shù)η分別選取為0.98、0.95、0.92、0.89，采用飽和土試樣，以模擬水庫(kù)蓄水后壩體填土含水量狀態(tài)。三軸試驗(yàn)中的圍壓為100、200、300、400 kPa，主應(yīng)力差為試件破壞時(shí)的值。

通過(guò)試驗(yàn)所得飽和重塑黃土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見(jiàn)表8，土體的峰值強(qiáng)度與壓實(shí)系數(shù)的關(guān)系曲線如圖13所示。

表8 不同密度下飽和土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

從試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（1）密實(shí)度較高的重塑黃土在飽和狀態(tài)下仍具有較高的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，而密實(shí)度較低時(shí)飽和重塑黃土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著降低。

圖13 重塑黃土飽和試樣峰值強(qiáng)度與壓實(shí)系數(shù)關(guān)系曲線

（2）重塑黃土的水穩(wěn)性較差，不同密實(shí)度的黃土遇水后軟化程度不同，壓實(shí)系數(shù)越低軟化現(xiàn)象越嚴(yán)重，尤其是壓實(shí)系數(shù)較低的重塑黃土極易變形破壞。

4 壩身填筑土檢驗(yàn)

中莊水庫(kù)壩體填筑設(shè)計(jì)要求為：分層碾壓，每層填筑厚度為0.3 m，碾壓后的壓實(shí)度達(dá)到98%。施工期間對(duì)壩體填筑質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，壩體土物理力學(xué)性質(zhì)、濕陷及滲透試驗(yàn)成果見(jiàn)表9。

表9 壩身土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

從壩身土主要物理力學(xué)指標(biāo)與原狀土的指標(biāo)對(duì)比看，壩身土的工程性能明顯得到改善。壩身土平均壓縮系數(shù)為0.076，屬低壓縮性土；在200和300 kPa壓力下濕陷系數(shù)平均值都是0.003，可以說(shuō)因黃土濕陷性產(chǎn)生的不良影響已基本消除；原狀黃土多屬弱透水，部分微透水，而填筑壩身土的平均滲透系數(shù)為6.6×10-6，大部分呈現(xiàn)微透水性，且抗?jié)B透破壞性能也得到改善。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）固原馬蘭黃土對(duì)水的敏感性強(qiáng)，力學(xué)強(qiáng)度較低，具濕陷性和較高壓縮性。均質(zhì)土壩工程中由于其濕陷變形大等不良工程特性，原狀黃土層不宜直接作為壩基、壩肩和壩體使用。

（2）原狀黃土的含水量對(duì)其強(qiáng)度指標(biāo)的影響很大，飽和狀態(tài)土體的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)急劇降低。

（3）與原狀土相比，按設(shè)計(jì)壓實(shí)度制備的試樣壓縮性顯著降低，且重塑土非飽和試樣和飽和試樣之間的壓縮系數(shù)差值較小，飽和試樣的壓縮性略高。

（4）按設(shè)計(jì)壓實(shí)度制備的非飽和試樣和飽和試樣與原狀黃土相比，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)均明顯提高；在飽和狀態(tài)下，密實(shí)度較高的重塑黃土仍具有較高的抗剪強(qiáng)度，而密實(shí)度較低時(shí)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)顯著降低，水穩(wěn)性很差，其強(qiáng)度難以維持堤壩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（5）寧夏南部是我國(guó)黃土最集中的地區(qū)之一，許多水利工程遇到黃土應(yīng)用和處理問(wèn)題。在均質(zhì)壩工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中針對(duì)黃土不良工程特性及變化因素，采取行之有效的處理措施，黃土可作為均質(zhì)壩填筑料，能夠消除或抑制其產(chǎn)生對(duì)大壩工程不利的變形影響，以保證工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定和安全運(yùn)行。

[1]王永焱，林在貫.中國(guó)黃土的結(jié)構(gòu)特征及物理力學(xué)性質(zhì)[M].北京：科學(xué)出版社，1990.

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TV41；TU411.6

：A

：1004-7328（2017）01-0042-06

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.013

2016—11—18

李明福（1958—），男，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。