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        含水率和壓實度對筑壩土抗剪強度的影響研究
        ——以王慶坨水庫為例

        2020-05-19 01:54:06楊麗萍張偉鵬
        海河水利 2020年2期
        關(guān)鍵詞:黏聚力聚力摩擦角

        楊麗萍,張偉鵬,程 強

        (1.中水北方勘測設計研究有限責任公司,天津 300222;2.天津市引灤工程黎河管理處,河北 遵化 064200;3.天津市水利科學研究院,天津 300061)

        王慶坨水庫位于天津市武清區(qū)王慶坨鎮(zhèn)西部,是南水北調(diào)中線一期工程天津干線的配套工程,是天津市的在線調(diào)節(jié)水庫和備用水庫,總庫容2 000萬m3,擔負著干線事故備用任務。

        抗剪強度是土體的一個重要力學性能指標,在計算承載力、評價土體穩(wěn)定性時均會涉及。在土壩碾壓施工中,工程所關(guān)心的問題是筑壩土的承載能力與穩(wěn)定性,而壩體的承載能力及穩(wěn)定性是通過平碾或羊角碾碾壓來實現(xiàn)的,不同的含水率、壓實度會產(chǎn)生不同的壩體承載力及穩(wěn)定性。鑒于王慶坨水庫的重要性,其失事后將對天津的供水和防洪安全造成巨大影響,需要在圍壩碾壓施工中嚴格控制質(zhì)量,確保水庫大壩的安全。因此,在王慶坨水庫土壩碾壓施工中研究含水率、壓實度對土體抗剪強度的影響具有重要意義。

        1 試驗準備

        1.1 筑壩土材料

        在調(diào)查的基礎(chǔ)上,根據(jù)料場土空間分布對庫區(qū)土取樣3組,分別代表王慶坨水庫0~2 200、2 200~4 400、4 400~6 500 m的筑壩土樣。由于取樣點均位于農(nóng)田內(nèi),取土時先將表層30 cm厚的土體去除,取表層以下30 cm的粉土,然后用四分法取樣;每個取樣點取土200 kg,3個點共600 kg,將各組的土樣充分混合后,取足夠的土樣過5 mm篩,進行輕型擊實試驗,得到混合土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率,詳見表1。

        表1 混合土樣輕型擊實試驗結(jié)果

        1.2 試樣制備

        將土樣風干、碾碎、過2 mm篩后,配制成目標含水率為最優(yōu)含水率-2%、最優(yōu)含水率-1%、最優(yōu)含水率、最優(yōu)含水率+1%、最優(yōu)含水率+2%、最優(yōu)含水率+3%的6種土料,在每種含水率下制備壓實度為98%、99%、100%3種試樣分別進行三軸試驗。試驗前一天進行備料,悶料時間大于8 h,試樣采用壓實法制備,具體方法按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123)進行。

        1.3 三軸壓縮試驗

        室內(nèi)一般通過直接剪切試驗或三軸壓縮試驗獲取抗剪強度指標(黏聚力C、內(nèi)摩擦角ψ),直接剪切試驗剪切面限定在上下盒之間的平面,而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞,且剪切面上剪應力分布不均勻,不能嚴格地控制排水,試驗結(jié)果不夠準確;而三軸壓縮試驗能夠嚴格控制排水且破壞面在最薄弱處,能夠較準確地模擬現(xiàn)場實際情況,結(jié)果比較準確,所以本次試驗采用三軸壓縮試驗。

        試驗設備采用TSZ-3型應變控制式三軸儀,實現(xiàn)了全自動數(shù)據(jù)采集。試樣為直徑61.8mm、高125mm的圓柱體試件,試驗采用固結(jié)不排水的方式,土樣在施加圍壓作用下排水固結(jié)達到穩(wěn)定,然后在不排水的條件下進行剪切試驗。

        2 三軸壓縮試驗結(jié)果及分析

        2.1 筑壩土黏聚力變化規(guī)律

        按照上述試驗方法分別測定了15.2%、16.2%、17.2%(最優(yōu)含水率)、18.2%、19.2%、20.2%6種含水率下98%、99%、100%3種壓實度的抗剪強度指標。

        為了能較好地反映黏聚力與含水率、壓實度之間的關(guān)系,繪制了黏聚力隨含水率變化和隨壓實度變化的曲線,如圖1—2所示。

        圖1 黏聚力隨含水率變化規(guī)律

        圖2 黏聚力隨壓實度變化規(guī)律

        從圖1可以看出,在相同壓實度條件下,黏聚力峰值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近,當含水率小于最優(yōu)含水率時黏聚力隨著含水率的增加而增加,當含水率大于最優(yōu)含水率時黏聚力隨含水率的增加而迅速降低;含水率小于最優(yōu)含水率時的黏聚力增加速度要小于含水率大于最優(yōu)含水率時的黏聚力降低速度,以壓實度K=98%為例,含水率從15.2%增加到17.2%時黏聚力從32.28 kPa增加到38.64 kPa,而含水率從17.2%增加到19.2%時黏聚力從38.64 kPa降低到21.99 kPa。由此可見,在最優(yōu)含水率附近,同樣的含水率偏移量負偏移15.2%土樣的黏聚力要大于正偏移19.2%土樣的黏聚力。

        從圖2可以看出,在相同含水率下,黏聚力隨著壓實度的增加呈減小趨勢,這是由于對于砂土或粉土來說,影響內(nèi)摩擦角的主要因素是初始孔隙比,初始孔隙比越?。赐猎骄o密)則內(nèi)摩擦角越大,反之則內(nèi)摩擦角越小,在內(nèi)摩擦角增大的同時黏聚力就會降低。對比6種不同含水率下的C-K曲線,同一壓實度下,最優(yōu)含水率時黏聚力最大;另外,在相同壓實度下,黏聚力的大小關(guān)系為17.2%的土樣>16.2%的土樣>15.2%的土樣>18.2%的土樣>19.2%的土樣>20.2%的土樣。

        2.2 筑壩土內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

        內(nèi)摩擦角與含水率、壓實度之間的關(guān)系,如圖3—4所示。

        圖3 內(nèi)摩擦角隨壓實度變化規(guī)律

        圖4 內(nèi)摩擦角隨含水率變化規(guī)律

        從圖3可以看出,在相同含水率下,內(nèi)摩擦角隨著壓實度的增大而略微增大,基本上與X軸呈平行狀態(tài),這主要是由于土樣壓實度都特別高,壓實度的提高都是以壓碎土體顆粒為代價的,而不是土粒結(jié)合更加緊密。

        從圖4可以看出,在相同壓實度下,含水率為最優(yōu)含水率時內(nèi)摩擦角最大。在不同壓實度條件下,內(nèi)摩擦角隨含水率變化較小,以98%壓實度為例,含水率從15.2%增加到17.2%時內(nèi)摩擦角從29.11°增加到33.96°,增加幅度為16%;而含水率從17.2%增加到19.2%時內(nèi)摩擦角從33.96°降低到28.15°,降低幅度為17%。相比黏聚力,含水率變化對內(nèi)摩擦角的影響較小,從15.2%增加到17.2%的過程中,內(nèi)摩擦角僅在很小的范圍內(nèi)變化,這是由于土的內(nèi)摩擦角與土的顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實程度密切相關(guān)。王慶坨水庫筑壩土屬于粉土,粗粒含量較高,含水率變化不會引起其顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實程度的顯著變化。由此可以得出,含水率對內(nèi)摩擦角的影響作用較小。

        2.3 筑壩土剪切峰值的變化規(guī)律

        為了更好地對比6種含水率下土體的抗剪強度,筆者以98%壓實度為例,列出了6種不同含水率在不同圍壓下(100、300 kPa)剪切峰值,詳見表2。

        表2 不同圍壓不同含水率下剪切峰值kPa

        從表2可以看出,在100 kPa圍壓下,剪切峰值最大值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近,15.2%的土樣剪切峰值(最大主應力與最小主應力之差)為365.63 kPa,而19.2%的土樣剪切峰值為215.60 kPa,19.2%土樣的剪切峰值總比15.2%的要小,剪切峰值的大小關(guān)系為17.2%的土樣>16.2%的土樣>15.2%的土樣>18.2%的土樣>19.2%的土樣>20.2%的土樣,與黏聚力變化規(guī)律基本相同;在300 kPa圍壓下,剪切峰值最大值也出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近,15.2%的土樣剪切峰值為545.15 kPa,而19.2%的土樣剪切峰值為445.80 kPa,其變化規(guī)律與100 kPa圍壓的變化規(guī)律相同。由此可見,在相同含水率偏移下,負偏移土樣的抗剪強度要優(yōu)于正偏移土樣的抗剪強度,土樣含水率在高于最優(yōu)含水率時含水率對抗剪強度的影響較大,土體敏感性大。

        3 結(jié)論

        (1)黏聚力隨著含水率及壓實度的變化較敏感,而對內(nèi)摩擦角的影響則相對較弱。在相同初始含水率下,黏聚力隨著壓實度的增加呈減小趨勢,同一壓實度下,黏聚力峰值出現(xiàn)在最優(yōu)含水率附近,當含水率小于最優(yōu)含水率時黏聚力隨著含水率的增加而增加,當含水率大于最優(yōu)含水率時黏聚力隨含水率的增加迅速降低,且含水率小于最優(yōu)含水率時的黏聚力增加速度要小于含水率大于最優(yōu)含水率時的黏聚力降低速度,負偏移土樣的黏聚力要大于正偏移土樣的黏聚力。

        (2)同一初始含水率下,內(nèi)摩擦角隨著壓實度的增大而略微增大,基本上與X軸呈平行狀態(tài)。王慶坨水庫筑壩土屬于粉土,粗粒含量較高,含水率變化不會引起其顆粒結(jié)構(gòu)、大小及密實程度的顯著變化,對內(nèi)摩擦角的影響較小。

        (3)在相同含水率偏移下,負偏移土樣的抗剪強度要優(yōu)于正偏移土樣的抗剪強度,即當含水率大于最優(yōu)含水率時土體的性能變化較大,敏感性較強。

        (4)根據(jù)設計文件以及室內(nèi)研究成果綜合分析,建議王慶坨水庫上壩土的含水率控制在最優(yōu)含水率的-2%~+1%,壓實度控制在98%以上。

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