肯尼亞Karim enuⅡ大壩填筑土料試驗(yàn)研究

黃 星

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092]

1 概述

土料就地取材，土料場(chǎng)位于大壩上游50～1000 m處，采用庫(kù)區(qū)內(nèi)廣泛分布的高液限粉（黏）土作為心墻防滲土料，該土層為火山噴發(fā)巖風(fēng)化產(chǎn)物，具有塑性指數(shù)大，黏粒含量高特點(diǎn)，按《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 274—2020）中術(shù)語(yǔ)解釋?zhuān)啥x為紅黏土。

紅黏土是指石灰?guī)r或其它熔巖經(jīng)紅土化后形成的富含鐵鋁氧化物的褐紅色粉土或黏土，液限一般大于或等于50%[1-2]。具有高孔隙比，高液限、高塑限、高黏粒含量，低密度，壓實(shí)度差等特點(diǎn)，同時(shí)紅黏土還具有抗剪強(qiáng)度較高、中壓縮性、較好的抗?jié)B性等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)云南、貴州、廣西分廣泛布，可用于筑壩材料[3]。在肯尼亞當(dāng)?shù)?，用紅黏土作為心墻填料修建了錫卡大壩，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，心墻填料的含水率為最優(yōu)含水率為+7%～+10%[4]。

根據(jù)合同要求，該項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)采用中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)由在中方當(dāng)?shù)卦O(shè)置的試驗(yàn)室完成，主要進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)項(xiàng)目有：含水率、塑性指數(shù)、黏粒含量、干密度、擊實(shí)試驗(yàn)、有機(jī)質(zhì)含量、水溶鹽含量，原狀土的剪切試驗(yàn)、室內(nèi)滲透試驗(yàn)、重塑土的剪切試驗(yàn)、室內(nèi)滲透試驗(yàn)等。

試驗(yàn)結(jié)果，土料的剪切強(qiáng)度較高，滲透性等指標(biāo)滿(mǎn)足防滲土料的技術(shù)要求，黏粒含量和塑性指數(shù)等指標(biāo)不符合防滲土料的技術(shù)要求，于是進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，進(jìn)一步評(píng)價(jià)該紅黏土作為填筑料的可行性，獲得了大量數(shù)據(jù)，為下步設(shè)計(jì)施工提供了充分依據(jù)。

2 原狀土室內(nèi)試驗(yàn)

原狀土樣的試驗(yàn)內(nèi)容包括含水率（ω）、塑性指數(shù)（Ip）、黏粒含量、干密度（ρd）、擊實(shí)試驗(yàn)、有機(jī)質(zhì)含量、水溶鹽含量等。

2.1 料場(chǎng)原狀土的物理性質(zhì)

土料場(chǎng)Q3dpl 土料以高液限粉土為主，天然含水率（ω）39.5～65.4%，平均值48.2%，塑性指數(shù)（Ip）31.8～49.7，平均值39.3，黏粒含量27.3～67.3%，平均值46.7%，干密度（ρd）為0.85～1.12g/cm3，平均值為1.00 g/cm3。自由膨脹率為15 ～39%，平均為18.9%，不具膨脹性。水溶鹽含量為0.018～0.102%，平均值0.04%；有機(jī)質(zhì)含量為0.146～0.467%，平均值0.260%，見(jiàn)表1、表2。

表1 原狀土天然狀態(tài)下物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

表2 原狀土天然狀態(tài)下物理指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.2 擊實(shí)試驗(yàn)

采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)，錘重2.5 kg，落距30 cm，布置3 層，每層擊數(shù)30 擊，得其最優(yōu)含水率為（ωop）44.4～55.1%，平均值為48.5%，最大干密度（ρdmax）為1.04～1.20 g/cm3，平均值為1.13 g/cm3。（如圖1 所示）。

圖1 擊實(shí)干密度隨含水率變化的曲線

2.3 顆粒分析

顆粒分析試驗(yàn)采用篩析法、密度計(jì)法，料場(chǎng)土樣以高液限粉土為主，黏粒含量27.3～67.3%，平均值46.7%（見(jiàn)表3）。

而事后張三爺也對(duì)這兩個(gè)傳說(shuō)做了解釋?zhuān)f(shuō)：“人無(wú)翅膀豈能會(huì)飛？我雖瘦，也有差不多一百斤，我哪能在水面行走？不過(guò)是挑揀著墻根磚棱的一點(diǎn)干地方，蹬一下借個(gè)勁，往前躥一下，再換個(gè)磚棱借勁，不停步向前躥，這樣跳躍過(guò)去的，換步慢了不成，自然踩不到泥?！?/p>

表3 顆分?jǐn)?shù)據(jù)表

3 配樣后土料室內(nèi)試驗(yàn)

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)成果，按照設(shè)計(jì)方案0.96 的壓實(shí)度要求配樣，對(duì)所配土樣進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)內(nèi)容包括含水率（ω）、飽和度（Sr）、孔隙比（e）、壓縮試驗(yàn)、滲透系數(shù)（K），以及飽和狀態(tài)下的壓縮試驗(yàn)、三軸UU、CU試驗(yàn)。

3.1 配樣后土料的物理性質(zhì)

對(duì)所配土樣進(jìn)行了滲透試驗(yàn)，其垂直滲透系數(shù)（Kv）為1.50×10-7～6.01×10-6cm/s，平均值為2.51×10-6cm/s，具極微滲透性，見(jiàn)表4、表5。

表4 土樣配樣后(非飽和狀態(tài))物理性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

表5 土樣配樣后（飽和狀態(tài)）物理性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

3.2 配樣后土料的剪切試驗(yàn)

按照填筑標(biāo)準(zhǔn)0.96 壓實(shí)度進(jìn)行配樣，對(duì)所配的土樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，飽和不固結(jié)不排水（UU）條件下其凝聚力（c）為19.0～83.3 kPa，平均值為37.0 kPa，內(nèi)摩擦角（φ）為4.5°～11.0°，平均值為6.4°；固結(jié)不排水（CU）條件下其凝聚力（c）為16.4～58.6 kPa，平均值為39.3 kPa，內(nèi)摩擦角φ 為11.0°～19.5°，平均值為13.7°，有效凝聚力（c'）為16.6 ～56.0 kPa,平均值為33.4 kPa，有效內(nèi)摩擦角（φ'）為25.0°～34.0°，平均值為27.9°。試驗(yàn)成果見(jiàn)圖2，從該圖可知：由平均值計(jì)算得出的c 值為38.6kPa，φ值為13.9°，c' 值為30.4 kPa，φ' 值為27.7°，樣品的剪切強(qiáng)度較高（見(jiàn)表6）。

表6 配樣后（飽和狀態(tài)）力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

圖2 配樣土平均破損應(yīng)力圓

3.3 配樣后土料的壓縮試驗(yàn)

按照填筑標(biāo)準(zhǔn)0.96 壓實(shí)度進(jìn)行配樣，對(duì)所配的土樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)最大壓力為1200 kPa。配樣后的壓縮系數(shù)（a0.1-0.2）為0.14～0.40 MPa-1，平均值為0.26 MPa-1，具中等壓縮性；飽和狀態(tài)下壓縮系數(shù)（a0.1-0.2）為0.33～0.66 MPa-1,平均值為0.47 MPa-1，具中等壓縮性，見(jiàn)圖3、圖4。從試驗(yàn)結(jié)果分析，土料飽和后的壓縮系數(shù)明顯變大，變形是筑壩需考慮的重要因素。

圖3 配樣土壓縮曲線

圖4 配樣土（飽和）壓縮曲線

3.4 水力性質(zhì)及破壞準(zhǔn)則

高液限粉土屬黏性土，其滲透類(lèi)型主要是流土。據(jù)土工試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)資料，高液限粉土孔隙比平均值為1.57，按孔隙比計(jì)算的孔隙率為61.10%，土的比重平均值取2.77，經(jīng)計(jì)算，壩基流土型土的臨界水力比降為0.69。根據(jù)最大干密度0.96 進(jìn)行配樣試驗(yàn)，臨界比降為1.72，破壞比降為1.98，建議允許比降為0.86。

4 土料質(zhì)量評(píng)價(jià)

根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》（SL 251—2015）第5.3 節(jié)質(zhì)量技術(shù)要求進(jìn)行評(píng)價(jià)如表7。

表7 土料與均質(zhì)土壩及防滲體用土料質(zhì)量要求對(duì)比表

從上表可知，土料場(chǎng)土料最優(yōu)含水率與天然含水率相近，擊實(shí)后滲透系數(shù)滿(mǎn)足填筑料與防滲料規(guī)范要求；土料中水溶鹽含量與有機(jī)質(zhì)含量滿(mǎn)足大壩填筑料與防滲料規(guī)范要求。土料場(chǎng)土料黏粒含量偏高，塑性指數(shù)偏大。

5 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)高液限粉土層筑填壩的可行性，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，按壓實(shí)度不低于設(shè)計(jì)要求96%，填筑時(shí)的含水率與最優(yōu)含水率偏差-5%～+10%進(jìn)行試驗(yàn)，其中土料經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，料場(chǎng)天然含水率46.7%，最佳含水率51.3%，最大干密度1.09 g/cm3，填料的松鋪厚度分別為30 cm、35 cm、40 cm，共三種，碾壓遍數(shù)分別為4 遍、6 遍。

選用以下5 種不同含水率的合格土料分別進(jìn)行試驗(yàn)：天然含水率（W）（相當(dāng)于最優(yōu)含水率ω0-5）、最優(yōu)含水率（ω0）、最優(yōu)含水率-2%（ω0-2）、最優(yōu)含水率+5%（ω0+5）、最優(yōu)含水率+10%（ω0+10），碾壓試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6。

圖5 不同碾壓遍數(shù)不同碾壓厚度，干密度與含水率的關(guān)系曲線

圖6 不同松鋪厚度、不同含水率與壓實(shí)度關(guān)系曲線

從圖5 可知，當(dāng)含水率越接近最優(yōu)含水率ω0時(shí)，土的干密度會(huì)越來(lái)越大，在ω0-2%時(shí)土的干密度最大。當(dāng)含水率超過(guò)ω0-2%時(shí)隨著含水率的增加土的干密度會(huì)越來(lái)越小，土的壓實(shí)度會(huì)越來(lái)越低，即土料不宜增水。土料的建議含水率控制在ω0-5%至ω0范圍，最優(yōu)碾壓含水率是ω0-2%。采用天然含水率（相當(dāng)于ω0-5%）壓實(shí)度可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，即土料可以直接上壩填筑。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果，在碾壓遍數(shù)一定的情況下，松鋪厚度越大其壓實(shí)效果越差，土的松鋪厚度宜控制在30～35 cm；提高碾壓遍數(shù)，可以提高壓實(shí)度。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）水庫(kù)庫(kù)區(qū)土料場(chǎng)土主要為高液限粉土，可定義為紅黏土，具高孔隙比、高含水量、塑性指數(shù)大，黏粒含量高等特點(diǎn)。

（2）采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)，土料最優(yōu)含水率為平均值為48.5%，與天然含水率相近，最大干密度平均值為1.13 g/cm3；黏粒含量平均值46.7%。自由膨脹率為15～39%，不具備膨脹性。水溶鹽含量平均值0.04%；有機(jī)質(zhì)含量平均值0.26%。

（3）按設(shè)計(jì)要求0.96 壓實(shí)度配樣后，土樣具極微滲透性，中等壓縮性，剪切強(qiáng)度較高。

（4）水庫(kù)庫(kù)區(qū)土料最優(yōu)含水率黏粒含量及塑性指數(shù)超標(biāo)，其余指標(biāo)合格。

（5）經(jīng)碾壓試驗(yàn)，庫(kù)區(qū)土料可滿(mǎn)足施工質(zhì)量控制要求。

（6）土的松鋪厚度宜控制在30～35 cm；土料的建議含水率控制在ω0-5%至ω0范圍，最優(yōu)碾壓含水率是ω0-2%，采用天然含水率壓實(shí)度可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。