樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程土工物理力學(xué)性能試驗分析

吳俁萍，黃小兵

（廣西水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗室，南寧 530023）

0 引言

桂中旱片是廣西三大旱片之一，屬典型的干旱區(qū)，春秋季節(jié)旱災(zāi)頻發(fā)，區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育、土層薄、保水性差，水利基礎(chǔ)設(shè)施薄弱，缺水骨干水源工程，導(dǎo)致灌區(qū)灌溉保證率較低，秋冬季節(jié)鄉(xiāng)鎮(zhèn)供水和農(nóng)村人畜飲水較為困難。解決桂中旱片的干旱缺水問題一直是廣西水利工作的重要任務(wù)之一。樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程于2014 年列為國務(wù)院部署加快推進(jìn)的172 項節(jié)水供水重大水利工程之一，概算總投資30.38億元，設(shè)計引水流量34 m3/s，建設(shè)內(nèi)容包括3條干渠和19條支渠，以及隧洞、渡槽、閘門等附屬建筑物，其中干渠總長121 km，支渠總長166 km。該工程所在區(qū)域工程地質(zhì)條件復(fù)雜，土質(zhì)多變。本文通過常規(guī)土工物理力學(xué)性能試驗，并分析土的常規(guī)指標(biāo)特點(diǎn)及相互指標(biāo)間的相關(guān)性，為桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程的設(shè)計提供依據(jù)。

1 土的常規(guī)物理性能指標(biāo)分析

1.1 土的密度、比重、含水率

土的物理性能指標(biāo)多，其中土的密度、比重、含水率是最基礎(chǔ)的3 個指標(biāo)。通過測定土的密度，可有效地了解土的疏密狀態(tài)；比重則是劃分土顆粒、土中水和土中氣各自體積占比的重要依據(jù)；而測定土的含水率，可充分了解土的工程特性。在這3 個基礎(chǔ)指標(biāo)中，比重數(shù)值是相對穩(wěn)定的，它取決于土的礦物成分，同一地區(qū)同一類型土的比重基本相同，可按經(jīng)驗值選用；土的含水率則是3個指標(biāo)中最不穩(wěn)定的，不同的土含水率可能不一樣，由于土層的不均勻、取樣不標(biāo)準(zhǔn)、取土器和筒壁的擠壓、土樣在運(yùn)輸和存放期間保護(hù)不當(dāng)?shù)纫蛩囟紩绊懫浣Y(jié)果的準(zhǔn)確性；土的密度雖然是一個變化的值，不同的土樣密度值不同，但對于某一個土樣來說，它的值較穩(wěn)定和比較容易測準(zhǔn)的[1]。

樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程所取土樣測得密度為1.79～1.90 g/cm3、比重為2.65～2.70、含水率15.3%～20.3%[2]，通過這3 個基礎(chǔ)指標(biāo)使用相關(guān)公式計算出土的干密度為1.50～1.64 g/cm3、孔隙比為0.616～0.780、飽和度為63%～71%。

由試驗所得數(shù)據(jù)及換算數(shù)據(jù)分析，樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程土樣比重較大，均值為2.665，含水率、孔隙比和飽和度較小，均值分別為17.9%、0.709和67%?？紫侗刃∮?，飽和度小于90%，屬于不飽和土。

1.2 土的液限、塑限

液限是土呈可塑狀態(tài)的上限含水率；塑限是土呈可塑狀態(tài)的下限含水率。液性指數(shù)是表征土的稠度狀態(tài)的指標(biāo)，用來評價土的軟硬狀態(tài)；塑性指數(shù)是液限與塑限的差值，用來評價土的塑性，并且能綜合反映影響粘性土特征的重要因素。土的界限含水率和土的機(jī)械組成、礦物成分、活動性、吸附水的表面電荷強(qiáng)度、顆粒的比表面積等有關(guān)，一般顆粒越細(xì)，液限和塑限也越高，即液限、塑限隨粘粒含量的增加而增大[3]。

樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程所取土樣測得液限為27.6%～40.3%、塑限為17.5%～20.1%，由液限、塑限求得塑性指數(shù)為10.1～22.8，液性指數(shù)-0.21～0.28。

樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程土樣液限、塑限、塑性指數(shù)及液性指數(shù)均較小，液限均值為35.4%，塑限均值為18.9%，塑性指數(shù)均值為16.5。液性指數(shù)低，表示土樣處于比較干硬的物理狀態(tài)；塑性指數(shù)較低，表明土樣具有活性的膠體粘粒較少，塑性較差。

1.3 土的顆粒分析

土的顆粒分析試驗是土工試驗中最重要的部分之一，用于測定土中各粒徑組成的顆粒占總質(zhì)量的比例，根據(jù)所得數(shù)據(jù)給土命名和分類。土粒徑的大小與土的礦物組成、力學(xué)性質(zhì)、形成環(huán)境等有直接聯(lián)系，通過顆粒分析試驗測出土的顆粒大小、級配、粒組在干土中所占比例，是土的工程分類的重要依據(jù)[4]。

樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程所測土樣顆粒分析結(jié)果:巨粒組占總質(zhì)量0～10.5%；粗粒組占總質(zhì)量53.4%～62.9%，礫粒組占粗粒組質(zhì)量56.4%～92.3%；細(xì)粒土占總質(zhì)量36.1%～46.1%，粘粒占細(xì)粒土質(zhì)量46.3%～55.7%，粉粒占細(xì)粒土質(zhì)量44.3%～53.7%。

由所測土樣顆粒分析結(jié)果可知，巨粒組質(zhì)量小于總質(zhì)量的15%且粗粒組質(zhì)量大于總質(zhì)量的50%，土樣為粗粒類土；在粗粒類土的基礎(chǔ)上，礫粒組質(zhì)量占粗粒類土質(zhì)量50%以上，稱為礫類土；在礫類土的基礎(chǔ)上，同時細(xì)粒組質(zhì)量占總質(zhì)量的15%以上，且粘粒和粉粒幾乎各占細(xì)粒組質(zhì)量的50%，因此，所測工程土樣是一種粘土和粉土兼有的礫類土。

2 土的常規(guī)力學(xué)性能指標(biāo)分析

2.1 壓縮模量、壓縮系數(shù)

固結(jié)試驗是土體在側(cè)向不能膨脹的條件下，在荷載作用下土的孔隙體積減少、孔隙水排出從而導(dǎo)致土的體積縮小，測定試樣在側(cè)限與軸向排水條件下的變形與壓力，或孔隙比和壓力的關(guān)系，變形與時間的關(guān)系，計算壓縮模量和壓縮系數(shù)。壓縮系數(shù)用于評價土的壓縮性，壓縮模量用于計算地基的沉降，是常用的土工指標(biāo)[5]。

樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程所測土樣壓縮模量為3.338～9.048 MPa，壓縮系數(shù)0.181～0.491。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析得出，壓縮模量與壓縮系數(shù)基本呈一個負(fù)相關(guān)的關(guān)系，土的壓縮系數(shù)越高，壓縮模量越低，土的強(qiáng)度就低，不適合做受力土層；反之，土的壓縮性越低，壓縮模量越高，土的強(qiáng)度和承載力就大，適合做建筑物的承力層。經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，土的壓縮系數(shù)、壓縮模量與孔隙比存在著一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，孔隙比大，則壓縮性低、壓縮模量高，如圖1、圖2所示。

孔隙比與壓縮模量關(guān)系式:y=(4.79976E-36)e-x/-0.00939+3.47187

孔隙比與壓縮系數(shù)關(guān)系式:y=-0.00743e-x/-0.1829+0.73657

圖1 孔隙比與壓縮模量關(guān)系圖

圖2 孔隙比與壓縮系數(shù)的關(guān)系圖

2.2 內(nèi)摩擦角和粘聚力

內(nèi)摩擦角和粘聚力屬抗剪強(qiáng)度參數(shù)，抗剪強(qiáng)度是指土體抵抗剪切破壞的能力，是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一，在計算承載力、評價地基穩(wěn)定性、計算擋土墻土的壓力時，均涉及到土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)[5]。因此，準(zhǔn)確地測出抗剪強(qiáng)度參數(shù)為工程設(shè)計提供依據(jù)顯得尤為重要。直接剪切試驗是測定土的抗剪強(qiáng)度的一種常用方法，通常采用4個試樣，分別在不同的垂直壓力下，施加水平剪切力進(jìn)行剪切，求得破壞時的剪應(yīng)力，然后根據(jù)庫侖定律確定土的抗剪強(qiáng)度參數(shù):內(nèi)摩擦角和粘聚力。

樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程所測土樣內(nèi)摩擦角為21.8°～25.1°，粘聚力為24.31～28.62 kPa。內(nèi)摩擦角和粘聚力均較小。土的內(nèi)摩擦角較小，表明土的內(nèi)摩擦力，包括土粒之間的表面摩擦力和由于土粒之間的連鎖作用而產(chǎn)生的咬合力均較小；粘聚力小表明土顆粒間的各種物理化學(xué)作用力較小，土的膠結(jié)力較低。經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，含水率與均呈負(fù)的線性相關(guān)關(guān)系，隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角和粘聚力均呈線性下降的趨勢，如圖3、圖4所示。

含水率有內(nèi)摩擦角關(guān)系式:y=-0.67845x+35.46112

含水率與粘聚力關(guān)系式:y=-0.97821x+44.0451

圖3 含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系圖

圖4 含水率與粘聚力關(guān)系圖

3 結(jié)語

（1）樂灘水庫引水灌區(qū)二期工程土樣比重較大，含水率、孔隙比和飽和度較小，孔隙比小于1，飽和度小于90%，屬于不飽和土。

（2）工程土樣液限、塑限、塑性指數(shù)均較小，土處于比較干硬的物理狀態(tài)，具有活性的膠體粘粒較少，塑性較差。

（3）根據(jù)土樣的顆粒分析結(jié)果可知，所測工程土樣是一種粘土和粉土兼有的礫類土。

（4）壓縮模量與壓縮系數(shù)基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，土的壓縮系數(shù)、壓縮模量與孔隙比存在著一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，孔隙比大，則壓縮性低、壓縮模量高。

（5）所測土樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力均較小，土的膠結(jié)力和內(nèi)摩擦力較低。經(jīng)數(shù)據(jù)擬合，含水率與內(nèi)摩擦角、粘聚力均呈負(fù)的線性相關(guān)關(guān)系，隨著含水率的增大，內(nèi)摩擦角和粘聚力均呈線性下降的趨勢。