濕陷性黃土筑壩關(guān)鍵物理力學(xué)參數(shù)研究

李潤芝 李岳東

濕陷性黃土是一種以粉土顆粒為主，富含碳酸鹽，具有大孔隙，黃色疏松的第四紀(jì)堆積物。其最大特點是受水浸濕后，在土的自重壓力或自重壓力和附加壓力共同作用下，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，產(chǎn)生大量而急劇的沉陷，使建筑物大幅度沉降、開裂、傾斜，嚴(yán)重危害建筑物安全。特別是大厚度濕陷性黃土，由于濕陷性土層厚度大，濕陷強烈，對建設(shè)工程帶來更大的危害[1]。

目前，國內(nèi)外利用濕陷性黃土修建的大壩較少，大部分均是在濕陷性黃土基礎(chǔ)上修建的其他壩型，或以非濕陷性黃土作為心墻料修建的壩，如山西大梁水庫，壩型為黃土心墻砂礫石壩，心墻黃土料無濕陷性[2]。少部分以濕陷性黃土修建的大壩均為中低壩，如山西呂梁的橫泉水庫為黃土均質(zhì)壩，壩高36.7 m，筑壩黃土具有濕陷性，工程施工采用強夯處理消除黃土濕陷性[3]。因濕陷性黃土強度低，孔隙大，不易碾壓密實，壩體沉降較大，故國內(nèi)外目前尚無百米級黃土壩。

本文結(jié)合甘肅某百米黃土壩工程，結(jié)合室內(nèi)土工試驗對筑壩土料的物理力學(xué)特性進(jìn)行分析研究，確定其各物理力學(xué)參數(shù)尤其是土料濕陷性、含水量及干密度之間的關(guān)系和變化規(guī)律，研究消除黃土濕陷性的方法并使黃土料達(dá)到筑壩材料要求的具體措施。

1 工程概況

甘肅某工程庫壩區(qū)位于黃土中山丘陵區(qū)，溝谷呈寬“V”字形，庫區(qū)兩岸多為黃土覆蓋，地形破碎，沖溝發(fā)育。庫盆基巖主要為新近系粉砂質(zhì)泥巖、泥巖。庫壩區(qū)未發(fā)現(xiàn)大規(guī)模斷裂構(gòu)造通過，水庫具備成庫條件。

工程區(qū)附近均被濕陷性黃土覆蓋，無其他天然建筑材料。壩址區(qū)河床覆蓋15～32 m的沖洪積黃土狀土，表層3～5 m多具濕陷性，向下含水量大，一般無濕陷性；兩岸廣泛覆蓋馬蘭、離石黃土，一般厚度20～50 m，右岸鉆孔揭露最大厚度為68.5 m，馬蘭黃土及離石黃土大部分具濕陷性。下伏基巖為新近系粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，透水率均在3 Lu以下，屬弱透水—微透水性，具備建壩成庫條件。壩址區(qū)主要存在黃土濕陷、深厚覆蓋層滲漏及不均勻變形問題。

2 濕陷性黃土物理力學(xué)特性研究

工程區(qū)附近分布的馬蘭黃土和離石黃土，其黏粒含量普遍在18.4%～29.5%之間，平均24%左右，滿足防滲土料黏粒含量在10%～30%的要求。對兩種濕陷性黃土進(jìn)行豎井取樣并進(jìn)行室內(nèi)試驗研究。

2.1 天然土料特征參數(shù)研究

2.1.1 土料的天然含水量及干密度

豎井土樣天然含水量和干密度隨深度分布如圖1、2所示。

從圖1、2表可知，馬蘭黃土和離石黃土天然含水量大部分處于10%～15%之間，隨深度明顯增加的趨勢不明顯。隨著黃土深度增加，土樣干密度逐漸增大，干密度從表層1.2 g/cm3增加至1.4 g/cm3左右（約26 m深度處）。

2.1.2 土料的濕陷系數(shù)

豎井土樣濕陷系數(shù)隨深度變化如圖3所示。

從圖3可知，隨著黃土深度增加，土樣天然濕陷系數(shù)隨著深度增加逐漸變小，濕陷系數(shù)從表層土的0.137降為0.08。干密度與濕陷系數(shù)隨深度增加的變化趨勢相吻合，深度越深，土樣干密度越大，濕陷系數(shù)越小，但濕陷性不會消除且大部分土樣仍處于中-高度濕陷性。

圖1 不同豎井土樣天然含水量分布圖

圖2 不同豎井土樣干密度分布

圖3 不同豎井土樣濕陷系數(shù)隨深度變化圖

2.2 土樣擊實試驗研究

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實試驗

進(jìn)行土料擊實試驗時，采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實功率但不同擊數(shù)的試驗方法，研究土料在不同擊數(shù)條件下最大干密度和最優(yōu)含水量的變化關(guān)系，試驗成果見表1。

表1 土料擊實試驗成果統(tǒng)計表

從表1可知，采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實（25擊、30擊、40擊）得出的最大干密度和最優(yōu)含水量有所差別，擊實功越大，最大干密度越大、最優(yōu)含水率越低；但變化幅度較小，對比天然含水量差距仍較大，土料不滿足上壩填筑要求，需要加水處理。

2.2.2 重型擊實試驗

針對以上問題，結(jié)合國內(nèi)外土石壩及其他建筑物施工經(jīng)驗，提出采用“重型擊實”的方法，此方法與標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實相比，加大了每一擊的擊實功率，其擊實功率由輕型擊實的592.2 kJ/m3提高為2 684.9 kJ/m3，使土料的最大干密度增大，從而減小其最優(yōu)含水量。采用重型擊實的試驗結(jié)果見表2，標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實與重型擊實的擊實曲線對比如圖4、5所示。

表2 土料擊實試驗成果統(tǒng)計表

圖4 馬蘭黃土不同擊實功豎井土樣擊實曲線

從圖4、5可知，重型擊實效果顯著，可使最優(yōu)含水率下降約3.2%，從25擊時的16.8%下降為13.6%，最大干密度提高0.17 g/cm3。

豎井土樣天然含水量普遍在10%～15%，若采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實，則天然含水量與最優(yōu)含水量相差3～6個百分點，施工時需要加水，且用量較大，深厚黃土覆蓋地區(qū)一般均屬于干旱缺水地區(qū)，用水較困難。若采用重型擊實，則天然含水量與最優(yōu)含水量相差不大，基本可滿足筑壩要求，減少施工工序和用水量，節(jié)省工程投資。

圖5 離石黃土不同擊實功豎井土樣擊實曲線

2.2.3 黃土擊實后濕陷系數(shù)

采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實（25擊）下土料（以馬蘭黃土為例）不同荷重條件下的濕陷系數(shù)和滲透系數(shù)見表3。

從表3可知，采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實（25擊）后黃土滲透系數(shù)普遍小于1×10-5cm/s，以馬蘭黃土為例，水平滲流系數(shù)為3×10-6cm/s，垂直向滲透系數(shù)為8.91×10-8cm/s，均滿足防滲要求。黃土濕陷系數(shù)均在0～0.003（最大荷重為800 kPa）之間，小于0.005，故經(jīng)過碾壓填筑，黃土的濕陷性基本消除，可以作為主要筑壩材料使用。

表3 土料擊實后試驗統(tǒng)計表

2.3 試驗結(jié)論

（1）黃土天然含水量隨深度增加的趨勢不明顯，干密度隨深度增加逐漸增大。

（2）隨著深度增加，黃土天然濕陷系數(shù)隨著深度增加逐漸變小，但濕陷性不會消除且大部分土樣仍處于中-高度濕陷性。

（3）黃土天然含水量及干密度均較低，采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實下的土料天然含水量仍達(dá)不到最優(yōu)含水量，不滿足上壩填筑要求。采用重型擊實后，可降低土料的最優(yōu)含水量，提高其最大干密度，使土料滿足上壩填筑要求。

（4）黃土的天然濕陷性較嚴(yán)重，試驗表明，經(jīng)過碾壓填筑，黃土的濕陷性基本消除，可作為主要筑壩材料使用。

（5）黃土料擊實后水平滲透系數(shù)最大為3.0×10-6cm/s，最小為8.85×10-7cm/s，達(dá)到防滲土料的要求，可作為大壩防滲體。

3 結(jié)語

濕陷性黃土筑壩存在諸多難題，涉及因素眾多，如筑壩土料濕陷性強、強度低、天然含水量低、干密度小等，且筑壩后壩體沉降較大、壩體易出現(xiàn)裂縫。本文以甘肅某黃土壩工程為例，對其筑壩土料進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗研究，揭示了其各物理力學(xué)參數(shù)的相互關(guān)系和變化規(guī)律，并提出了“重型擊實”的方法，可有效提高黃土的最大干密度并降低黃土的最優(yōu)含水量，使土料滿足上壩填筑要求。本文研究成果對濕陷性黃土筑壩具有一定的指導(dǎo)意義和參考價值。