張世賢，黃雙華，彭雄志

(1.攀枝花學(xué)院土木工程學(xué)院，四川攀枝花 617000;2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610017)

依據(jù)攀枝花學(xué)院的總體規(guī)劃，擬在學(xué)校圖書館(1230平臺(tái))和學(xué)校田徑運(yùn)動(dòng)場(chǎng)(1197平臺(tái))之間修建一加筋(竹筋)土拱壩，拱壩高約40 m(含基礎(chǔ))，拱壩頂面弧長約180 m，位于攀枝花市公園后山與攀枝花學(xué)院之間的山谷地帶。加筋(竹筋)土拱壩擬建處的壩背面全部是未經(jīng)碾壓的新填土，填土厚度約達(dá)40 m。如何解決這兩個(gè)平臺(tái)間的擋土問題，成了實(shí)現(xiàn)學(xué)?？傮w規(guī)劃的關(guān)鍵問題。

經(jīng)過多次考察、論證，課題組決定采用圓弧形加筋(竹筋)土拱壩擋土方案來解決兩個(gè)平臺(tái)間的擋土問題。但現(xiàn)場(chǎng)的土基本為昔格達(dá)土，力學(xué)性能較差，屬濕陷性黃土。從節(jié)約建設(shè)投資出發(fā)，首選的是就地取材，采用昔格達(dá)土和當(dāng)?shù)厥a(chǎn)的鳳尾竹來筑土拱壩，但國內(nèi)外還沒有用此材料筑如此高壩的先例。從安全出發(fā)必須先對(duì)竹筋、昔格達(dá)土及其復(fù)合土進(jìn)行試驗(yàn)研究，充分了解其物理力學(xué)性質(zhì)。

根據(jù)課題組研究計(jì)劃，選取了昔格達(dá)重塑土、加筋重塑土、三七灰土和加筋(竹筋)三七灰土試樣進(jìn)行室內(nèi)基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。

這些室內(nèi)基本物理性質(zhì)試驗(yàn)包括:天然含水率試驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、密度試驗(yàn)、顆粒相對(duì)密度試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)。

室內(nèi)力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)包括:三軸壓縮試驗(yàn)，固結(jié)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)研究是以三軸試驗(yàn)及固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果作為土樣性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其余力學(xué)指標(biāo)作為參考。具體試驗(yàn)內(nèi)容見表1。本次試驗(yàn)以《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)為基本依據(jù)。

表1 試驗(yàn)內(nèi)容和主要試驗(yàn)儀器

1 含水率試驗(yàn)

試驗(yàn)采用主要儀器為電熱干燥箱。試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定重塑土及加筋三七灰土的含水率。其中重塑土和三七灰土是根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)得出的最優(yōu)含水率。含水率試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

2 密度試驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用蠟封法，試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定原狀土的密度，密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。

表2 重塑土含水率數(shù)據(jù)

表3 原狀土密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 液限、塑限試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定重塑土及三七灰土的液限、塑限。取通過0.5 mm篩的代表性風(fēng)干土樣，分成3份，分別加入不同數(shù)量的純水調(diào)成均勻土膏，密實(shí)地填入試樣杯中并刮平，放在光電式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀上進(jìn)行試驗(yàn)，記錄圓錐下沉深度并測(cè)定含水率。以含水率為橫坐標(biāo)，圓錐下沉深度為縱坐標(biāo)，繪制關(guān)系曲線，三點(diǎn)連成一直線如圖1、圖2。取圓錐下沉深度為17 mm所對(duì)應(yīng)的含水率為液限，下沉深度為2 mm所對(duì)應(yīng)的含水率為塑限，并采用搓條法塑限試驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核，測(cè)試結(jié)果見表4。

圖1 重塑土圓錐下沉深度與含水率關(guān)系曲線

圖2 加筋三七灰土圓錐下沉深度與含水率關(guān)系曲線

表4 液限、塑限聯(lián)合測(cè)定法測(cè)定數(shù)據(jù)

4 擊實(shí)試驗(yàn)

試驗(yàn)采用重型擊實(shí)儀，重型擊實(shí)試驗(yàn)單位體積擊實(shí)功約為2 700 kJ/m3，測(cè)試結(jié)果見表5。

表5 重型擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)參數(shù)

最優(yōu)含水率與擊實(shí)功有密切關(guān)系，擊實(shí)功越大，最優(yōu)含水率和最大干密度也越大。由于本次試驗(yàn)采用重型擊實(shí)儀試驗(yàn)，因此最優(yōu)含水率應(yīng)該偏大。

用擊實(shí)試驗(yàn)確定最優(yōu)含水率。試驗(yàn)將準(zhǔn)備好的加筋三七灰土試料分成了5份，每份5 kg，各份含水率在最優(yōu)含水率附近。通過擊實(shí)試驗(yàn)分別得出不同的含水率和干密度后，繪圖確定最大干密度和最優(yōu)含水率。干密度與含水率關(guān)系曲線如圖3、圖4。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6和表7。

取最大干密度所對(duì)應(yīng)的濕密度值計(jì)算重塑土的重度，重塑土的重度γ=ρdg=1.878×9.8=18.4 kN/m3。

取最大干密度所對(duì)應(yīng)的濕密度值計(jì)算三七灰土的重度，三七灰土的重度γ=ρdg=1.963×9.8=19.2 kN/m3。

圖3 重塑土ρd—ω關(guān)系曲線

圖4 三七灰土ρd—ω關(guān)系曲線

表6 重塑土擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表7 三七灰土擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 顆粒相對(duì)密度試驗(yàn)

本次試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定土的顆粒相對(duì)密度，試驗(yàn)采用量瓶法。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。

表8 顆粒相對(duì)密度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 固結(jié)試驗(yàn)

試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)定土的壓縮系數(shù)av，壓縮模量Es。本次試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)，加壓等級(jí)為100，200，300，400 kPa。固結(jié)模型試驗(yàn)配筋平面圖如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)果見表9。

圖5 固結(jié)模型試驗(yàn)配筋平面圖(單位:mm)

壓縮系數(shù)是評(píng)價(jià)土壓縮性高低的重要指標(biāo)之一，它不是一個(gè)常數(shù)，因此，試驗(yàn)取工程實(shí)踐中常采用的壓力間隔由p1=100 kPa增加到p2=200 kPa時(shí)所得的壓縮系數(shù)a1－2評(píng)定土的壓縮性高低。

由表9可以看出，三七灰土及加筋三七灰土的壓縮系數(shù)都＜0.1 MPa－1，屬低壓縮性土。當(dāng)昔格達(dá)土中加入石灰和竹筋后，壓縮系數(shù)顯著下降。壓縮模量又是土的壓縮性指標(biāo)的又一個(gè)表達(dá)形式，壓縮模量與壓縮系數(shù)成反比，當(dāng)Es愈大，土的壓縮性就會(huì)越低。

7 三軸試驗(yàn)

結(jié)合工程實(shí)際情況，試驗(yàn)采用不固結(jié)不排水剪切(UU)試驗(yàn)方法。試驗(yàn)時(shí)分別在100～400 kPa圍壓下，逐漸增加軸向壓力，使試樣內(nèi)部產(chǎn)生剪應(yīng)力直到試樣破壞。不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果如表10所示。重塑土和加筋重塑土強(qiáng)度包絡(luò)線見圖6和圖7。

以下是本次三軸試驗(yàn)7 d強(qiáng)度和28 d強(qiáng)度，見表11。

8 試驗(yàn)成果

依據(jù)課題要求，試驗(yàn)分別對(duì)昔格達(dá)重塑土，加筋重塑土，三七灰土及加筋三七灰土試樣等四類土樣進(jìn)行

表9 標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果(7 d強(qiáng)度)

表10 不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)結(jié)果(7 d強(qiáng)度)

圖6 重塑土強(qiáng)度包絡(luò)線

圖7 加筋重塑土強(qiáng)度包絡(luò)線

強(qiáng)度對(duì)比了天然含水率試驗(yàn)，密度試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)，顆粒相對(duì)密度試驗(yàn)，界限含水率試驗(yàn)，固結(jié)試驗(yàn)，三軸壓縮試驗(yàn)等七類室內(nèi)基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)。經(jīng)過試驗(yàn)，相關(guān)結(jié)果分析匯總?cè)绫?2所示。

表11

9 結(jié)論

本試驗(yàn)采用攀西地區(qū)盛產(chǎn)的天然竹材作為拉筋材料，并對(duì)本地區(qū)廣泛分布的“昔格達(dá)土”開展了加筋(竹筋)復(fù)合土(三七灰土)的三軸土工試驗(yàn)研究，經(jīng)查新，屬國內(nèi)國際創(chuàng)新，填補(bǔ)了加筋土試驗(yàn)研究的空白，進(jìn)一步豐富了加筋土力學(xué)特性研究的內(nèi)容。三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明:重塑土(昔格達(dá)土)的CU值、φU值較低，物理力學(xué)性質(zhì)較差，但是重塑土(昔格達(dá)土)中加入石灰和竹筋進(jìn)行復(fù)合后CU值、φU值均有較大程度的提高，物理力學(xué)性能大為改善。從破壞特點(diǎn)來說:重塑土(昔格達(dá)土)和三七灰土試樣呈脆性破壞，并且破壞試樣存在明顯的剪切破壞面;加筋重塑土(昔格達(dá)土)和加筋三七灰土試樣均略呈現(xiàn)塑性破壞。在以上試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，課題組在攀枝花學(xué)院修建了壩高約40 m(含基礎(chǔ))，拱壩頂面弧長約180 m的圓弧形加筋(竹筋)土拱壩，解決了學(xué)校的規(guī)劃建設(shè)難題。加筋(竹筋)土壩實(shí)際應(yīng)用近10年，效果良好，安全可靠，而且與同等支護(hù)高度和長度的其它支護(hù)結(jié)構(gòu)相比較，造價(jià)僅為其30%左右，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著;并且本課題被攀枝花市列為重大科技攻關(guān)項(xiàng)目。這一研究成果對(duì)廣大山區(qū)和“昔格達(dá)土”地區(qū)修建公路加筋(竹筋)土拱壩、高擋墻等土工構(gòu)筑物提供了成功的范例，具有廣泛的指導(dǎo)意義。

表12 試驗(yàn)成果一覽

［1］韓曉雷，郅彬．灰土強(qiáng)度影響因素研究［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2002(6):32-34．

［2］伊?xí)?，楊運(yùn)貴．舊城改造中的地基夯擴(kuò)樁加固［J］．鐵道建筑，2000(6):37-38．

［3］李廣信．高等土力學(xué)［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2004:3-10，138．

［4］龔曉南．土力學(xué)［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002:77-82．

［5］姚仰平．土力學(xué)［M］．北京:高等教育出版社，2004:3-10．

［6］錢鴻縉．濕陷性黃土地基［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1985:39-60．

［7］裴章勤，劉衛(wèi)東．濕陷性黃土地基處理［M］．北京:中國鐵道出版社，1992:287-289．