鳳亭河水庫(kù)大壩土工物理力學(xué)性能試驗(yàn)分析

熊 灣，黃小兵

（廣西壯族自治區(qū)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(yàn)室，南寧 530023）

1 工程概況

鳳亭河水庫(kù)位于廣西南寧市良慶區(qū)大塘鎮(zhèn)和上思縣東屏鄉(xiāng)境內(nèi)，建于1958 年，大壩為碾壓式均質(zhì)土壩，總庫(kù)容約5.07億m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、供水、旅游等綜合功能的大（2）型水庫(kù)。水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)植被良好、無污染源，水質(zhì)較好，是南寧市城市備用飲用水主要供水水源之一。

2 試驗(yàn)方法

按《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL237-1999）對(duì)鳳亭河水庫(kù)大壩45 組原狀土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：含水率、密度、土粒比重、界限含水率、固結(jié)試驗(yàn)、飽和固結(jié)快剪、三軸固結(jié)不排水剪、三軸固結(jié)不排水剪測(cè)孔壓、滲透系數(shù)、顆粒分析試驗(yàn)。

2.1 含水率試驗(yàn)

室內(nèi)含水率試驗(yàn)采用烘干法，溫度控制在105～110οC下烘到恒溫，烘干時(shí)間對(duì)黏土不少于8 h；進(jìn)行2次平行測(cè)定，取其算術(shù)平均值，允許差值應(yīng)符合含水率測(cè)定的允許平行差值（見表1），稱量準(zhǔn)確至0.01 g。

表1 含水率測(cè)定的允許平行差值 %

2.2 密度試驗(yàn)

采用環(huán)刀法，計(jì)算密度準(zhǔn)確至0.01 g/cm3，本實(shí)驗(yàn)需進(jìn)行2次平行測(cè)定，取其平均值，其平行差值不得大于0.03 g/cm3。

2.3 比重試驗(yàn)

采用比重瓶法，比重瓶（短頸，容積為100 ml），計(jì)算至0.001，進(jìn)行2 次平行測(cè)定，其平行差值不得大于0.02，取其算術(shù)平均值。同時(shí)用溫度計(jì)測(cè)定瓶的水溫，準(zhǔn)確至0.1℃。

2.4 界限含水率

界限含水率試驗(yàn)采用液、塑限聯(lián)合測(cè)定法，儀器為數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀（圓錐質(zhì)量為76 g，錐角為30°，見圖1）；液塑限聯(lián)合測(cè)定應(yīng)不少于3點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理：以所測(cè)得的含水率為橫坐標(biāo)，圓錐下沉入土深度為縱坐標(biāo)，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上繪制出關(guān)系曲線，3個(gè)點(diǎn)應(yīng)在同一直線（見圖2）。從圖2可查得下沉深度為17 mm相對(duì)應(yīng)的含水率為液限，查得所對(duì)應(yīng)下沉深度為2 mm 的含水率為塑限，用百分?jǐn)?shù)表示，準(zhǔn)確至0.1%。

圖1 數(shù)顯式土壤液塑限聯(lián)合測(cè)定儀

圖2 圓錐下沉深度與含水率關(guān)系圖

2.5 固結(jié)試驗(yàn)

固結(jié)試驗(yàn)，又稱壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)方法有常規(guī)固結(jié)試驗(yàn)、快速固結(jié)試驗(yàn)、高壓固結(jié)試驗(yàn)和連續(xù)加荷試驗(yàn)，本次試驗(yàn)采用快速固結(jié)試驗(yàn)，試樣在各級(jí)壓力下的固結(jié)試驗(yàn)時(shí)間為1 h，試驗(yàn)除在最后一級(jí)壓力下記錄1 h的測(cè)表讀數(shù)外，待試驗(yàn)穩(wěn)定后，還應(yīng)記錄壓縮穩(wěn)定時(shí)的測(cè)表讀數(shù)。穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每小時(shí)讀數(shù)變化不大于0.005 mm。本試驗(yàn)儀器采用全自動(dòng)固結(jié)儀（見圖3）。

圖3 全部自動(dòng)固結(jié)儀

2.6 三軸壓縮試驗(yàn)

固結(jié)不排水剪和固結(jié)不排水測(cè)孔壓試驗(yàn)，試樣應(yīng)先在設(shè)定的某一周圍壓力作用下進(jìn)行排水固結(jié)，逐漸增大軸向壓力，然后在保持不排水的情況下，直至破壞，據(jù)此可做出一個(gè)極限應(yīng)力圓。儀器采用TSZ-2 全部自動(dòng)三軸儀（見圖4），不同試驗(yàn)方法的剪切應(yīng)變速率按表2規(guī)定選擇。

圖4 TSZ-2全部自動(dòng)三軸儀

表2 剪切應(yīng)變速率表

2.7 滲透試驗(yàn)

采用變水頭滲透試驗(yàn)，儀器為TST-55 型滲透儀（見圖5），把以切好的土樣安裝好后，聯(lián)通裝有試樣的滲透容器與水頭裝置，通過利用供水瓶中的水充滿進(jìn)水管，并注入滲透容器內(nèi)（見圖6），在一定水頭的作用下靜置一段時(shí)間，等待出水口有水溢出后，開始用秒表計(jì)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定。

圖5 TST-55型滲透儀

圖6 滲透容器與水頭裝置

2.8 顆粒分析試驗(yàn)

試驗(yàn)采用篩析法及密度計(jì)法，儀器采用甲種密度計(jì)和量筒。甲種密度計(jì)：?jiǎn)挝豢潭纫詳z氏20℃時(shí)每1000 ml 懸液內(nèi)所含土質(zhì)量的克數(shù)表示，顯示刻度為-5～50，分度值為0.5；量筒：量筒高約45 cm，直徑約6 cm，容積1000 ml，刻度為0～1000 ml，分度值10 ml。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 顆粒分析

對(duì)45 組顆粒分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見圖7），結(jié)果顯示：碎石含量為0，礫粒為6.9%，砂礫為30.7%，粉粒為31.8%，黏粒為30.5%。大壩為均質(zhì)土壩，45組土樣總體為褐色黏性土，含砂，少部分含風(fēng)化石。

圖7 顆粒分析曲線圖

3.2 滲透試驗(yàn)系數(shù)

對(duì)45組變水頭試驗(yàn)（垂直方向）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果表明：滲透系數(shù)范圍基本在10-4～10-6cm/s 之間，深度的變化與滲透系數(shù)關(guān)聯(lián)不大，與含水率關(guān)系較密切，當(dāng)含水率大于20%時(shí)滲透系數(shù)大多數(shù)在10-4～10-5cm/s范圍。

3.3 物理力學(xué)性能指標(biāo)分析

根據(jù)45組土樣試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)各物理力學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表3。

表3 物理力學(xué)性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.4 深度與各物理力學(xué)性能指標(biāo)的關(guān)系

根據(jù)45組土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果，繪制深度與各物理力學(xué)性能指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系圖（見圖8～圖19）。

（1）從圖8～圖10 可以看出，比重、濕密度、干密度隨深度變化不大，比重范圍在2.70～2.80 之間，濕密度在1.90 ～2.10 g/cm3之間，干密度基本上在1.50～1.80 g/cm3之間。

（2）從圖11～圖15 可以看出，深度與含水率、液限、塑限、液性指數(shù)之間關(guān)系不是很明顯，飽和度大部分在80%以上，含水率大部分在15%～25%之間，液性指數(shù)在-0.13～0.54 之間，平均值為0.16，大部分在0～0.25之間，呈硬塑狀態(tài)較多。

（3）從圖16～圖19 可以看出，深度與粘聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)之間關(guān)系不是很明顯，變化范圍比較大；深度與壓縮模量之間關(guān)系則有一定的規(guī)律，隨著深度增加，壓縮模量存在上升趨勢(shì)，說明深度增加，土質(zhì)變硬。

圖8 深度與比重關(guān)系圖

圖9 深度與濕密度關(guān)系圖

圖10 深度與干密度關(guān)系圖

圖11 深度與含水率關(guān)系圖

圖12 深度與液限關(guān)系圖

圖13 深度與塑限關(guān)系圖

圖14 深度與液性指數(shù)關(guān)系圖

圖15 深度與飽和度關(guān)系圖

圖16 深度與粘聚力關(guān)系圖

圖17 深度與內(nèi)摩擦角關(guān)系圖

圖18 深度與壓縮系數(shù)關(guān)系圖

圖19 深度與壓縮模量關(guān)系圖

3.5 各物理力學(xué)性能指標(biāo)間的關(guān)系

根據(jù)45組土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果，繪制各物理力學(xué)性能指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系圖。

（1）含水率與孔隙比呈正相關(guān)線性關(guān)系（見圖20），液限與塑性指數(shù)也是正相關(guān)線性關(guān)系（見圖21），含水率與干密度呈負(fù)相關(guān)線性關(guān)系（見圖22），線性關(guān)系均良好。

（2）從含水率與液性指數(shù)關(guān)系圖（見圖23）可以看出，隨著含水率變大，液性指數(shù)總體上是變大。

（3）粘聚力與壓縮模量之間關(guān)系不是很明顯（見圖24）；內(nèi)摩擦角與壓縮模量關(guān)系圖見圖25，隨著內(nèi)摩擦角增大，壓縮模量呈增大趨勢(shì)。

（4）含水率與粘聚力關(guān)系圖見圖26、含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系圖見圖27，含水率與壓縮模量關(guān)系圖見圖28，從圖26～圖28可以看出，隨著含水量的增大，粘聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量總體上呈下降趨勢(shì)。

圖20 含水率與孔隙比關(guān)系圖

圖21 液限與塑性指數(shù)關(guān)系圖

圖22 含水率與干密度關(guān)系圖

圖23 含水率與液性指數(shù)關(guān)系圖

圖24 粘聚力與壓縮模量關(guān)系圖

圖25 內(nèi)摩擦角與壓縮模量關(guān)系圖

圖26 含水率與粘聚力關(guān)系圖

圖27 含水率與內(nèi)摩擦角力關(guān)系圖

圖28 含水率與壓縮模量關(guān)系圖

4 結(jié)語

在各類巖土工程設(shè)計(jì)勘察工作中，土工試驗(yàn)是比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過土工試驗(yàn)，了解工程土體相關(guān)的物理力學(xué)性能指標(biāo)，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)。