含水率和壓實度對筑壩土抗剪強(qiáng)度的影響研究
——以王慶坨水庫為例

楊麗萍，張偉鵬，程 強(qiáng)

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津市引灤工程黎河管理處，河北 遵化 064200；3.天津市水利科學(xué)研究院，天津 300061）

王慶坨水庫位于天津市武清區(qū)王慶坨鎮(zhèn)西部，是南水北調(diào)中線一期工程天津干線的配套工程，是天津市的在線調(diào)節(jié)水庫和備用水庫，總庫容2 000萬m3，擔(dān)負(fù)著干線事故備用任務(wù)。

抗剪強(qiáng)度是土體的一個重要力學(xué)性能指標(biāo)，在計算承載力、評價土體穩(wěn)定性時均會涉及。在土壩碾壓施工中，工程所關(guān)心的問題是筑壩土的承載能力與穩(wěn)定性，而壩體的承載能力及穩(wěn)定性是通過平碾或羊角碾碾壓來實現(xiàn)的，不同的含水率、壓實度會產(chǎn)生不同的壩體承載力及穩(wěn)定性。鑒于王慶坨水庫的重要性，其失事后將對天津的供水和防洪安全造成巨大影響，需要在圍壩碾壓施工中嚴(yán)格控制質(zhì)量，確保水庫大壩的安全。因此，在王慶坨水庫土壩碾壓施工中研究含水率、壓實度對土體抗剪強(qiáng)度的影響具有重要意義。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 筑壩土材料

在調(diào)查的基礎(chǔ)上，根據(jù)料場土空間分布對庫區(qū)土取樣3組，分別代表王慶坨水庫0～2 200、2 200～4 400、4 400～6 500 m的筑壩土樣。由于取樣點均位于農(nóng)田內(nèi)，取土?xí)r先將表層30 cm厚的土體去除，取表層以下30 cm的粉土，然后用四分法取樣；每個取樣點取土200 kg，3個點共600 kg，將各組的土樣充分混合后，取足夠的土樣過5 mm篩，進(jìn)行輕型擊實試驗，得到混合土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率，詳見表1。

表1 混合土樣輕型擊實試驗結(jié)果

1.2 試樣制備

將土樣風(fēng)干、碾碎、過2 mm篩后，配制成目標(biāo)含水率為最優(yōu)含水率-2%、最優(yōu)含水率-1%、最優(yōu)含水率、最優(yōu)含水率+1%、最優(yōu)含水率+2%、最優(yōu)含水率+3%的6種土料，在每種含水率下制備壓實度為98%、99%、100%3種試樣分別進(jìn)行三軸試驗。試驗前一天進(jìn)行備料，悶料時間大于8 h，試樣采用壓實法制備，具體方法按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123）進(jìn)行。

1.3 三軸壓縮試驗

室內(nèi)一般通過直接剪切試驗或三軸壓縮試驗獲取抗剪強(qiáng)度指標(biāo)（黏聚力C、內(nèi)摩擦角ψ），直接剪切試驗剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞，且剪切面上剪應(yīng)力分布不均勻，不能嚴(yán)格地控制排水，試驗結(jié)果不夠準(zhǔn)確；而三軸壓縮試驗?zāi)軌驀?yán)格控制排水且破壞面在最薄弱處，能夠較準(zhǔn)確地模擬現(xiàn)場實際情況，結(jié)果比較準(zhǔn)確，所以本次試驗采用三軸壓縮試驗。

試驗設(shè)備采用TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀，實現(xiàn)了全自動數(shù)據(jù)采集。試樣為直徑61.8mm、高125mm的圓柱體試件，試驗采用固結(jié)不排水的方式，土樣在施加圍壓作用下排水固結(jié)達(dá)到穩(wěn)定，然后在不排水的條件下進(jìn)行剪切試驗。

2 三軸壓縮試驗結(jié)果及分析

2.1 筑壩土黏聚力變化規(guī)律

按照上述試驗方法分別測定了15.2%、16.2%、17.2%（最優(yōu)含水率）、18.2%、19.2%、20.2%6種含水率下98%、99%、100%3種壓實度的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

為了能較好地反映黏聚力與含水率、壓實度之間的關(guān)系，繪制了黏聚力隨含水率變化和隨壓實度變化的曲線，如圖1—2所示。

圖1 黏聚力隨含水率變化規(guī)律

圖2 黏聚力隨壓實度變化規(guī)律

從圖1可以看出，在相同壓實度條件下，黏聚力峰值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近，當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時黏聚力隨著含水率的增加而增加，當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時黏聚力隨含水率的增加而迅速降低；含水率小于最優(yōu)含水率時的黏聚力增加速度要小于含水率大于最優(yōu)含水率時的黏聚力降低速度，以壓實度K=98%為例，含水率從15.2%增加到17.2%時黏聚力從32.28 kPa增加到38.64 kPa，而含水率從17.2%增加到19.2%時黏聚力從38.64 kPa降低到21.99 kPa。由此可見，在最優(yōu)含水率附近，同樣的含水率偏移量負(fù)偏移15.2%土樣的黏聚力要大于正偏移19.2%土樣的黏聚力。

從圖2可以看出，在相同含水率下，黏聚力隨著壓實度的增加呈減小趨勢，這是由于對于砂土或粉土來說，影響內(nèi)摩擦角的主要因素是初始孔隙比，初始孔隙比越?。赐猎骄o密）則內(nèi)摩擦角越大，反之則內(nèi)摩擦角越小，在內(nèi)摩擦角增大的同時黏聚力就會降低。對比6種不同含水率下的C-K曲線，同一壓實度下，最優(yōu)含水率時黏聚力最大；另外，在相同壓實度下，黏聚力的大小關(guān)系為17.2%的土樣＞16.2%的土樣＞15.2%的土樣＞18.2%的土樣＞19.2%的土樣＞20.2%的土樣。

2.2 筑壩土內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

內(nèi)摩擦角與含水率、壓實度之間的關(guān)系，如圖3—4所示。

圖3 內(nèi)摩擦角隨壓實度變化規(guī)律

圖4 內(nèi)摩擦角隨含水率變化規(guī)律

從圖3可以看出，在相同含水率下，內(nèi)摩擦角隨著壓實度的增大而略微增大，基本上與X軸呈平行狀態(tài)，這主要是由于土樣壓實度都特別高，壓實度的提高都是以壓碎土體顆粒為代價的，而不是土粒結(jié)合更加緊密。

從圖4可以看出，在相同壓實度下，含水率為最優(yōu)含水率時內(nèi)摩擦角最大。在不同壓實度條件下，內(nèi)摩擦角隨含水率變化較小，以98%壓實度為例，含水率從15.2%增加到17.2%時內(nèi)摩擦角從29.11°增加到33.96°，增加幅度為16%；而含水率從17.2%增加到19.2%時內(nèi)摩擦角從33.96°降低到28.15°，降低幅度為17%。相比黏聚力，含水率變化對內(nèi)摩擦角的影響較小，從15.2%增加到17.2%的過程中，內(nèi)摩擦角僅在很小的范圍內(nèi)變化，這是由于土的內(nèi)摩擦角與土的顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實程度密切相關(guān)。王慶坨水庫筑壩土屬于粉土，粗粒含量較高，含水率變化不會引起其顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實程度的顯著變化。由此可以得出，含水率對內(nèi)摩擦角的影響作用較小。

2.3 筑壩土剪切峰值的變化規(guī)律

為了更好地對比6種含水率下土體的抗剪強(qiáng)度，筆者以98%壓實度為例，列出了6種不同含水率在不同圍壓下（100、300 kPa）剪切峰值，詳見表2。

表2 不同圍壓不同含水率下剪切峰值kPa

從表2可以看出，在100 kPa圍壓下，剪切峰值最大值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近，15.2%的土樣剪切峰值（最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力之差）為365.63 kPa，而19.2%的土樣剪切峰值為215.60 kPa，19.2%土樣的剪切峰值總比15.2%的要小，剪切峰值的大小關(guān)系為17.2%的土樣＞16.2%的土樣＞15.2%的土樣＞18.2%的土樣＞19.2%的土樣＞20.2%的土樣，與黏聚力變化規(guī)律基本相同；在300 kPa圍壓下，剪切峰值最大值也出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近，15.2%的土樣剪切峰值為545.15 kPa，而19.2%的土樣剪切峰值為445.80 kPa，其變化規(guī)律與100 kPa圍壓的變化規(guī)律相同。由此可見，在相同含水率偏移下，負(fù)偏移土樣的抗剪強(qiáng)度要優(yōu)于正偏移土樣的抗剪強(qiáng)度，土樣含水率在高于最優(yōu)含水率時含水率對抗剪強(qiáng)度的影響較大，土體敏感性大。

3 結(jié)論

（1）黏聚力隨著含水率及壓實度的變化較敏感，而對內(nèi)摩擦角的影響則相對較弱。在相同初始含水率下，黏聚力隨著壓實度的增加呈減小趨勢，同一壓實度下，黏聚力峰值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近，當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時黏聚力隨著含水率的增加而增加，當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時黏聚力隨含水率的增加迅速降低，且含水率小于最優(yōu)含水率時的黏聚力增加速度要小于含水率大于最優(yōu)含水率時的黏聚力降低速度，負(fù)偏移土樣的黏聚力要大于正偏移土樣的黏聚力。

（2）同一初始含水率下，內(nèi)摩擦角隨著壓實度的增大而略微增大，基本上與X軸呈平行狀態(tài)。王慶坨水庫筑壩土屬于粉土，粗粒含量較高，含水率變化不會引起其顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實程度的顯著變化，對內(nèi)摩擦角的影響較小。

（3）在相同含水率偏移下，負(fù)偏移土樣的抗剪強(qiáng)度要優(yōu)于正偏移土樣的抗剪強(qiáng)度，即當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時土體的性能變化較大，敏感性較強(qiáng)。

（4）根據(jù)設(shè)計文件以及室內(nèi)研究成果綜合分析，建議王慶坨水庫上壩土的含水率控制在最優(yōu)含水率的-2%～+1%，壓實度控制在98%以上。