葛明明 杜 冰

0 引言

南水北調(diào)中線穿黃工程位于鄭州市以西約30 km的孤柏灣處。該工程為Ⅰ等工程,其主要建筑物穿黃隧洞及其進(jìn)出口、退水閘(洞)、南岸連接渠道、北岸明渠和新老蟒河倒虹吸及其他交叉建筑物等為1級建筑物。穿黃主體建筑物(含隧洞及其進(jìn)出口建筑物)設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為300年一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000年一遇,主要建筑物地震設(shè)計烈度為7度,因此,穿黃工程的設(shè)計和施工責(zé)任重大。為了查明穿黃工程南岸黃土(低液限粘土)本身的工程性質(zhì),研究不同工況下黃土邊坡的穩(wěn)定性,并為后續(xù)渠道開挖方案的確定提供設(shè)計和施工依據(jù),迫切需要了解該區(qū)黃土的力學(xué)指標(biāo)。

1 試驗原理和試驗?zāi)康?/h2>

三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強(qiáng)度的一種方法,它通常用3個～4個圓柱形試樣,分別在不同恒定周圍壓力(即小主應(yīng)力σ3)下施加軸向壓力(即產(chǎn)生主應(yīng)力差(σ1-σ3))至土樣剪切破壞,然后根據(jù)摩爾—庫侖理論,求得抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ。摩爾—庫侖破壞準(zhǔn)則表達(dá)式為:

其中,σ1,σ3分別為大、小主應(yīng)力,kPa;c為土的凝聚力,kPa;φ為土的內(nèi)摩擦角,(°)。

本文借助室內(nèi)三軸壓縮儀對南水北調(diào)穿黃工程南岸低液限粘土進(jìn)行了不固結(jié)不排水(UU)和固結(jié)排水(CD)三軸剪切試驗,其主要試驗?zāi)康氖菫榱双@得該地區(qū)低液限粘土不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)cu,φu和固結(jié)排水抗剪強(qiáng)度參數(shù)cd,φd。通過對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的特殊統(tǒng)計計算得出統(tǒng)計抗剪強(qiáng)度指標(biāo)作為設(shè)計、施工參數(shù),為穿黃工程的設(shè)計和施工提供了依據(jù)。

2 試樣的制備與試驗方案

原狀土樣均取自穿黃工程三個地點(9①,9夾,9②)的低液限粘土,具體位置見圖1。土樣制備嚴(yán)格按水利部頒布的SL 237-028-1999土工試驗規(guī)程[6]執(zhí)行。論文依據(jù)排水情況的不同,取具有典型代表的9②土樣進(jìn)行不固結(jié)不排水剪切(快剪)及固結(jié)排水剪切(慢剪)試驗,測得不同試驗方法的抗剪強(qiáng)度參數(shù),即不固結(jié)不排水剪切試驗的抗剪強(qiáng)度參數(shù) cu,φu和固結(jié)排水剪切試驗的有效抗剪強(qiáng)度參數(shù)cd,φd。9②土樣的物理參數(shù)見表1。

表1 9②土樣的物理性質(zhì)指標(biāo)

3 試驗成果及分析

對9②地點采集的土樣分別進(jìn)行三軸不固結(jié)不排水試驗(UU)和固結(jié)排水試驗(CD),對每個高程下的土體制作兩個試樣。三軸試驗的強(qiáng)度參數(shù)一般不宜簡單的采用各試樣強(qiáng)度參數(shù)的算術(shù)平均值,故以各級圍壓下的(σ1+σ3)f/2的平均值作為圓心,(σ1-σ3)f/2的平均值作為半徑來繪制強(qiáng)度包線,從而求出土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c,φ。9②地點土樣三軸試驗成果見表2。

表2 9②三軸剪切試驗成果

從表2中可以看出,9②點處三軸不固結(jié)不排水(UU)試驗的抗剪強(qiáng)度參數(shù)cu,φu范圍值分別為31.00 kPa～87.00 kPa,13.6°～23.5°。固結(jié)排水(CD)試驗的有效抗剪強(qiáng)度參數(shù) cd,φd范圍值分別為14.00 kPa～24.00 kPa,26.5°～27.3°。統(tǒng)計三軸不固結(jié)不排水試驗所得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù) cu,φu分別為50.30 kPa,16.1°,統(tǒng)計有效抗剪強(qiáng)度參數(shù) cd,φd分別為17.54 kPa,26.9°。

4 結(jié)語

1)在進(jìn)行土的不固結(jié)不排水三軸剪切試驗時,對于飽和粘土,通常認(rèn)為在不固結(jié)不排水條件下,由于土體體積不發(fā)生改變,圍壓的變化被孔隙水壓力的變化所抵消,試件的有效應(yīng)力保持不變,故強(qiáng)度包絡(luò)線為水平直線,即抗剪強(qiáng)度參數(shù)φ為零。但對于非飽和的低液限粘土通常具有一定的φ值。其原因是在不飽和的低液限粘土進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗時,由于圍壓的作用導(dǎo)致土樣孔隙率減小,強(qiáng)度增加。當(dāng)圍壓加到一定程度時,土樣接近飽和狀態(tài),強(qiáng)度包絡(luò)線趨于水平,土體抗剪強(qiáng)度不再增加。2)室內(nèi)三軸試驗表明,南水北調(diào)穿黃工程南岸低液限粘土的cu,φu統(tǒng)計值范圍分別為 21.13 kPa～ 50.30 kPa,16.1°～ 26.7°;cd,φd統(tǒng)計值范圍分別為13.44 kPa～17.54 kPa,27.4°～28.2°;土層 9②的cu值最大為50.30 kPa,φu最小為 16.1°。3)由于土體在不同的排水條件下受荷剪切,土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)有很大的差別,因此,采用三軸剪切試驗結(jié)果作為設(shè)計、施工參數(shù)時,應(yīng)充分考慮地基土的滲透性、排水條件及不同工況,采用合理的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

[1]張品萃,胥建華.土三軸壓縮試驗試驗方法的對比探討[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2003,14(1):60-67.

[2]楊 同,徐 川,王寶學(xué),等.巖土三軸試驗中的粘聚力與內(nèi)摩擦角[J].中國礦業(yè),2007,16(12):104-107.

[3]楊金鐘,王艷宏.天津市上部地基土三軸剪切試驗強(qiáng)度的研究[J].天津理工大學(xué)學(xué)報,2005,21(3):86-88.

[4]李蘇春,蔣 剛.南京地區(qū)粉土的不排水三軸壓縮試驗[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2007,29(2):40-44.

[5]朱志鐸,劉松玉,邵光輝,等.粉土及其穩(wěn)定土的三軸試驗研究[J].巖土力學(xué),2005,26(12):1967-1970.

[6]SL 237-028-1999,土工試驗規(guī)程[S].