左永振，張 偉，張曉川，黨 琛

（1．長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2．攀枝花市水利水電勘測設(shè)計院，四川攀枝花 617000；3．攀枝花市西區(qū)梅子菁水庫管理局，四川攀枝花 617000）

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昔格達組粉砂巖作為筑壩土料的工程特性研究

左永振1，張 偉1，張曉川2，黨 琛3

（1．長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，武漢 430010；2．攀枝花市水利水電勘測設(shè)計院，四川攀枝花 617000；3．攀枝花市西區(qū)梅子菁水庫管理局，四川攀枝花 617000）

摘 要：昔格達組地層是分布于四川西部攀枝花及西昌地區(qū)的一種特殊的工程性質(zhì)較差的半成巖，攀西地區(qū)是我國能源富集的地區(qū)，也是我國需要重點發(fā)展的水電能源地區(qū)，開展昔格達組地層研究對當?shù)氐幕A(chǔ)設(shè)施建設(shè)有重要的意義。針對梅子箐水庫擴建工程擬采用的昔格達組粉砂巖，采用大尺寸試驗設(shè)備，進行了物理力學性能試驗，探討其作為筑壩土料的適宜性問題。試驗研究表明：昔格達組粉砂巖具有較好的抗剪強度指標，壓縮性中等偏低，滲透性中等，抗?jié)B透變形特性較好，可以作為筑壩土料。在力學性質(zhì)上，昔格達組粉砂巖的性質(zhì)更接近粉砂質(zhì)土。

關(guān)鍵詞：昔格達組；粉砂巖；筑壩土料；土工試驗；工程性質(zhì)

1 工程背景

昔格達組地層廣泛分布在四川西部攀枝花、西昌地區(qū)，形成于第四紀早期，主要由淺黃色、肉紅色、灰黑色泥巖與淺黃色細砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖成韻律互層組成的一套靜水河湖相沉積地層［1－2］，主要以淺黃色黏土層和細砂層互層為主［3－5］。由于形成年代較新，沒有完成沉積成巖作用，昔格達組地層在巖性上表現(xiàn)為似土非土、似巖非巖的半成巖特性［6－7］，工程性質(zhì)較差。

自1937年常隆慶先生首次涉足昔格達組地層［2，8］以來，因其固結(jié)程度低、結(jié)構(gòu)疏松、強度不穩(wěn)定、易滑等工程性質(zhì)，吸引了眾多專家學者的關(guān)注，他們對其工程地質(zhì)性質(zhì)進行了深入的研究。

在水利水電方面，彭盛恩［3－4］研究得出昔格達組50%～33%的黏土礫土與50%～67%細砂礫土的混合土具有較高的抗剪強度和較低的壓縮性，可用作均質(zhì)土壩的土料。李小泉［9］（1996年）在粟子坪水電站的研究表明，昔格達土可用作廠房基礎(chǔ)持力層。周云金等［10］（2000年）在進行紅格提水工程設(shè)計時，分析認為昔格達地層成巖程度低，結(jié)構(gòu)構(gòu)造不均，并具有壓縮性較強、遇水軟化、脫水崩解等特點。杜守來等［11］（2014年）研究了昔格達組泥巖的工程特性，認為該泥巖可作為壩體的防滲土料。

在路基填料研究方面，向貴府等［6－7］（2004年）分析認為含水率指標與土料壓實度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、承載比等具有一致的相關(guān)性。文麗娜等［12］（2005年）進行了直剪試驗，分析了含水率與黏聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系。王維早［5］（2010年）分析了現(xiàn)場碾壓機具、碾壓方式等對壓實度的影響。

在大面積高填方地基填料研究方面，楊碧等［13］（2010年）認為昔格達組地層具有遇水軟化明顯的水理性質(zhì)。張威等［14］（2011年）進行了直剪試驗，發(fā)現(xiàn)隨著含水率的增加，黏土巖抗剪強度明顯降低，含水率對黏土巖黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響具有明顯的停滯性。薛尚鈴等［15］（2009年）進行了現(xiàn)場碾壓試驗，確定了合適的碾壓方式、碾壓遍數(shù)、鋪土厚度等參數(shù)。

在上述研究中，取得了一些優(yōu)異的成果，但是室內(nèi)試驗的研究對象基本是針對粒徑2 mm以下的細料，試驗手段也局限在細料試驗方面，如顆粒分析試驗、礦物成分分析、輕型擊實試驗、細料直剪試驗等。而昔格達組地層為半成巖狀地層，在現(xiàn)場大面積施工過程中，不可能將其土料像試驗室內(nèi)一樣進行碾細過篩，而只能將開挖的昔格達組土料摻拌后直接填筑碾壓，因此有必要采用試樣尺寸較大的試驗設(shè)備進行室內(nèi)試驗，使試驗土料的尺寸盡量與現(xiàn)場試驗匹配，便于室內(nèi)試驗成果能更好的服務(wù)工程實際。

基于此，本文針對攀西地區(qū)梅子箐水庫擴建工程中擬采用的昔格達組粉砂巖，采用最大粒徑為60 mm的土料在室內(nèi)進行大型擊實試驗、壓縮試驗、三軸試驗、滲透試驗等，研究昔格達組地層粉砂巖作為筑壩土料的適宜性。

2 物理性質(zhì)研究

為了解昔格達組地層料場的基本特性，在料場選擇了5個位置進行豎井取樣，豎井的最大深度達到6．5 m，每個豎井在不同深度采用環(huán)刀取原狀樣6組，共取原狀樣30組。

同時，在料場采用挖掘機反鏟方式取樣，具體為剝除表層1 m厚的巖層，再進行取樣，獲得開挖料的級配。

試驗按《土工試驗規(guī)程》（SL237—1999）［16］進行。

2．1 原狀樣級配

原狀樣顆粒分析成果見圖1，土料的最大粒徑為20 mm，絕大部分粒徑在2 mm以下，小于0．075 mm的細料含量為24．0%～92．0%，平均值為49．0%，與前人的研究基本一致。

按規(guī)范［16］命名，29組為粉土質(zhì)砂或含粗顆粒的細粒土，1組為黏土，說明料場的均一性較好。

圖1　原狀樣級配曲線成果Fig．1 Grading curves of undisturbed samples

2．2 原狀樣干密度與含水率

原狀樣的干密度在1．24～1．64 g／cm3范圍內(nèi)，平均值為1．48 g／cm3，其分布見圖2。根據(jù)柱狀圖分布，干密度主要集中在1．40～1．60 g／cm3范圍內(nèi)，占70%。原狀樣的含水率在8．5%～41．9%范圍內(nèi)，主要集中在15%～25%范圍內(nèi)，平均值為21．3%。

2．3 開挖料級配

開挖料的級配曲線見圖3，可見最大粒徑達到200 mm，按規(guī)范［16］命名，均為粉土質(zhì)砂。

圖2　原狀樣干密度成果Fig．2 Dry density of undisturbed sample

圖3　開挖料級配曲線Fig．3 Grading curves of excavated materials

需要特別說明，昔格達組粉砂巖為半成巖，顆粒分析中的粒組＞1 mm的均為強風化粉砂巖團塊，稍用力碾壓后破碎為＜1 mm以下的粉細砂。

由于室內(nèi)試驗儀器限制，室內(nèi)試驗的最大粒徑為60 mm，根據(jù)規(guī)范［16］采用等量替代法進行縮尺處理，得到室內(nèi)試驗級配，見圖4。

圖4　開挖料室內(nèi)試驗級配曲線Fig．4 Test grading curves of excavated material

2．4 礦物成分與化學組成

根據(jù)已有資料［3－4，13］，昔格達組粉砂巖的主要礦物為石英、長石、方解石，其次含有綠簾石、角閃石和磁鐵礦等，化學成分以SiO2為主，其余成分按含量由高到低依次為Al2O3，F(xiàn)e2O3，CaO，MgO，K2O等。

2．5 微觀結(jié)構(gòu)

根據(jù)已有資料［12－13］，昔格達組粉砂巖的顆粒大小較均一，排列無序但較緊密，粒間空隙較小，結(jié)構(gòu)類型屬不等粒結(jié)構(gòu)，膠結(jié)類型為接觸式膠結(jié)。

2．6 膨脹性與分散性

文獻［3］、文獻［11］、文獻［13］表明，昔格達組粉砂巖無膨脹性、非分散性土，可溶鹽含量為0．04%～0．06%、有機質(zhì)含量為0．04%～0．12%，pH值為8．45～8．80。

3 力學性質(zhì)研究

采用圖4的試驗級配（最大顆粒粒徑60 mm）進行力學性能試驗。

3．1 最大干密度與最優(yōu)含水率

昔格達組土料的含水量對所能達到的最大干密度起著非常重要的作用［5－7］。當昔格達組土料含水量較小時，其粒間引力較大，在一定的外部壓實功能作用下，不能有效地克服引力而使土粒相對移動，這時獲得的干密度值就較小。當增大昔格達組土料含水量時，結(jié)合水膜逐漸增厚，減少了引力，土粒在相同壓實功能條件下易于移動而擠密，可以獲得較高的干密度值。但當昔格達組土料含水量增大到一定程度后，孔隙中就出現(xiàn)了自由水，此時自由水填充在孔隙中，從而阻止土粒移動，干密度值又趨于下降，因此存在一個最佳含水量對應(yīng)的最大干密度。

采用重型擊實試驗儀器，對昔格達組粉砂巖級配包線進行擊實試驗，獲得其最大干密度與最優(yōu)含水率。試驗擊實筒尺寸Ф300 mm×H288 mm，擊實錘質(zhì)量35．2 kg，落高600 mm，試樣分3層填裝，每層擊數(shù)88次，單位體積功能2 688．2 kJ／m3。獲得的最大干密度和最優(yōu)含水率成果見圖5及表1。

圖5　開挖料重型擊實試驗曲線Fig．5 Curves of heavy compaction test of excavated material

表1　開挖料重型擊實試驗成果Table 1 Result of heavy compaction test of excavated material

對＜5 mm的細料部分，同時進行輕型擊實試驗，擊實筒尺寸Ф102 mm×H116 mm，擊實錘質(zhì)量2．5 kg，落高305 mm，試樣分3層填裝，每層擊數(shù)25次，單位體積功能592．2 kJ／m3。獲得最大干密度為1．69 g／cm3，最優(yōu)含水率為18．2%。

按重型擊實試驗的壓實度95%和輕型擊實試驗的壓實度98%分別計算試驗干密度，可發(fā)現(xiàn)二者非常近似，而輕型擊實試驗省時省力，因此在施工質(zhì)量檢測中可以采用輕型擊實進行質(zhì)量控制。

3．2 壓縮指標

采用大型浮環(huán)式壓縮儀進行試驗，試樣直徑為500 mm，高為250 mm。成果見表2和圖6，可見，昔格達組粉砂巖開挖料的壓縮系數(shù)在0．179～0．219 MPa－1范圍內(nèi)，屬于中等壓縮性土。

表2　開挖料壓縮指標成果Table 2 Result of compression test of excavated material

圖6　開挖料壓縮試驗曲線Fig．6 Result of compression test of excavated material

3．3 抗剪強度

采用大型三軸試驗儀進行抗剪強度測試，試樣尺寸Ф300 mm×H600 mm，試驗時的周圍壓力為0．3，0．6，0．9，1．2 MPa，加載速率為0．45 mm／min。

成果見表3和圖7，可見昔格達組開挖料抗剪強度指標c值在39～54 kPa范圍內(nèi)，φ值在22．7°～23．1°之間。抗剪強度指標正常。

表3　開挖料抗剪強度成果Table 3 Result of shear strength of excavated material

3．4 滲透特性

采用垂直滲透儀進行試驗，直徑300 mm，滲徑為200 mm。邊壁采用1 mm厚黏土護壁。試驗用水為蒸餾水，水流方向由下至上，出口無保護。

試驗成果見表4，成果顯示昔格達組粉砂巖的滲透系數(shù)在i×10－5cm／s量級，破壞形式為流土，已經(jīng)達到適合做均質(zhì)土壩的土料條件［4，17］。

圖7　開挖料三軸試驗代表性成果曲線（下包線）Fig．7 Representative result of triaxial test of excavated material

表4　開挖料滲透特性成果Table 4 Result of permeability of excavated material

4 成果對比分析

文獻［11］、文獻［13］、文獻［15］均針對昔格達組粉砂巖進行了細料的滲透系數(shù)、壓縮特性、抗剪強度等。與本文的成果對比見表5。

由表5可見本文得到的成果與前人的結(jié)論比較接近，而文獻［11］、文獻［13］、文獻［15］均是采用細料試驗得到的成果，這說明昔格達組粉砂巖是一種極軟巖［8］，在受到外力荷載時極易破碎為粉砂質(zhì)土，使采用大尺寸試驗設(shè)備獲得的力學參數(shù)與小尺寸試驗設(shè)備得到的參數(shù)近似相同，從而使尺寸效應(yīng)降低至最小。

5 土料上壩施工條件的討論

（1）從昔格達組級配統(tǒng)計成果看，料場主要為粉土質(zhì)砂和含粗顆粒的細粒土，局部位置為黏土料（占比3%），在料場開采時采用立采方式，使土料混合均勻，可基本消除黏土料的影響。同時，應(yīng)控制土料的最大粒徑＜150 mm，滿足規(guī)范要求。

（2）昔格達組開挖料的天然含水率主要集中在15%～25%范圍內(nèi)，平均值為21．3%，輕型擊實試驗獲得的最優(yōu)含水率為18．2%，考慮到在土料開挖、運輸過程中的水分蒸發(fā)，在土料筑壩碾壓時的含水率將接近最優(yōu)含水率，昔格達組開挖料可不進行翻曬，立采開挖后直接上壩。

（3）昔格達組開挖料在施工前應(yīng)進行現(xiàn)場碾壓試驗，以確定可行的施工參數(shù)。結(jié)合文獻［5］、文獻［15］進行的現(xiàn)場碾壓試驗資料，碾壓機具采用＞18 t壓路機，鋪土厚度35～40 cm，碾壓遍數(shù)5遍以上，碾壓采用先強振1遍，后弱振3遍，最后靜壓1遍的方式，可獲得較好的碾壓效果。

表5　昔格達組粉砂巖工程特性成果對比Table 5 Comparison of the engineering properties of Xigeda strata siltstone

6 結(jié) 語

昔格達組粉砂巖具有較好的抗剪強度指標，壓縮性中等偏低，滲透性中等，抗?jié)B透變形特性較好，適宜做筑壩土料，施工中應(yīng)注意控制施工質(zhì)量。

從擊實試驗和力學性試驗成果看，昔格達組粉砂巖的性質(zhì)更接近粉砂質(zhì)土，與常規(guī)的寬級配粗粒料的性質(zhì)差別較大。

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（編輯：王 慰）

Engineering Properties of Xigeda Strata Siltstone as the Filling Material of Earth?Rock dam

ZUO Yong?zhen1，ZHANG Wei1，ZHANG Xiao?chuan2，DANG Chen3

（1．Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Panzhihua Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute，Panzhihua 617000，China；3．Meizijing Reservoir Administration of Panzhihua Western City，Panzhihua 617000，China）

Abstract：The western region of Panzhihua city has abundant resources and will be the focus of development．Xige?da strata，which is distributed in this region，is a special soft rock with poor engineering properties．Research on Xigeda strata is of importance to the infrastructure construction and geologic disaster prevention in this region．Xige?da strata siltstone is planned to be used in the expansion project of Meizijing reservoir．In this paper we discuss the suitability of Xigeda strata siltstone as the filling material of earth?rock dam through a number of physical and me?chanical tests by using large size test equipment．Test result reveals that Xigeda strata siltstone has good shear strength，good resistance to penetration deformation，with medium compressibility and permeability．It can be used as the filling material of earth?rock dam．The nature of Xigeda strata siltstone is close to that of silty soil in mechani?cal properties．

Key words：Xigeda strata；siltstone；filling material of earth?rock dam；geotechnical test；engineering property

作者簡介：左永振（1980－），男，山東臨沂人，工程師，碩士，主要從事粗粒土力學性質(zhì)研究，（電話）027－82820026（電子信箱）zuoyongzh＠163．com。

基金項目：國家自然科學青年基金項目（51309024）；水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費項目（201201039）

收稿日期：2014－11－07；修回日期：2014－12－19

中圖分類號：TU458．3；TV641．2

文獻標志碼：A

文章編號：1001－5485（2016）03－0084－05