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        昔格達(dá)土筑壩材料工程特性試驗(yàn)研究

        2021-11-03 01:06:32杜守來(lái)肖富桔杜國(guó)印
        四川水利 2021年5期
        關(guān)鍵詞:工程

        杜守來(lái),肖富桔,杜國(guó)印

        (1.攀枝花市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司,四川 攀枝花,617000;2.山東昌利建設(shè)工程有限公司,山東 菏澤,274000)

        1 引言

        均質(zhì)土壩由于其對(duì)地基條件具有良好的適應(yīng)性、能就地取材、能充分利用建筑物開(kāi)挖料、施工機(jī)械化程度高、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn),成為世界各國(guó)水利水電建設(shè)廣泛采用的壩型。攀西地區(qū)廣泛分布的昔格達(dá)地層,造就了昔格達(dá)土均質(zhì)壩在攀西地區(qū)的廣泛使用。但在工程界上昔格達(dá)土作為筑壩材料一直存在著爭(zhēng)議,因?yàn)槲舾襁_(dá)組是半成巖、也是一種工程性質(zhì)較差的極軟巖,其特點(diǎn)就是成巖低、結(jié)構(gòu)構(gòu)造不均一,富含粘粒及粘土礦物,壓縮性較強(qiáng),遇水易軟化,脫水崩解等特點(diǎn)[1]。

        目前的研究絕大多數(shù)集中在交通工程方面對(duì)昔格達(dá)土地層的工程性質(zhì)研究。王思敬[2]對(duì)攀西地區(qū)的昔格達(dá)地層進(jìn)行了工程地質(zhì)特性的研究,進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和工程地質(zhì)分區(qū);李后強(qiáng)[3]在對(duì)攀西地區(qū)滑坡發(fā)育的理論研究中,得到了昔格達(dá)地層的極易滑坡的角度為28°,它的易滑角度在26°~30°之間;文獻(xiàn)[4-5]對(duì)昔格達(dá)組地層上面的滑坡發(fā)生機(jī)制以及滑坡特征進(jìn)行了描述,認(rèn)為昔格達(dá)地層自身的特點(diǎn)是滑坡發(fā)生的內(nèi)因,而開(kāi)挖導(dǎo)致斜坡平衡破壞是外因;李小泉[6]說(shuō)明了不同昔格達(dá)地層的性質(zhì)變化較大,但它可以作為廠房地基的持力層;吉隨旺等[7]認(rèn)為昔格達(dá)巖層可以作為結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的持力層,并通過(guò)實(shí)驗(yàn)取得了泥質(zhì)粉砂巖的樁基承載參數(shù);另外,成都理工大學(xué)聶德新[8]進(jìn)行了昔格達(dá)地層用作高速公路填料的試驗(yàn)研究;蔡先慶等[9]在西攀高速公路新久工點(diǎn)對(duì)昔格達(dá)地層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓板荷載試驗(yàn)確定地層力學(xué)參數(shù)。昔格達(dá)地層在水利工程上的應(yīng)用研究相對(duì)較少。彭盛恩[10]在對(duì)昔格達(dá)土作為筑路壩特性材料的研究中,得出的結(jié)論為:昔格達(dá)組50%~33%的粘土礫土與50%~67%細(xì)砂礫土的混合土具有較高的抗剪強(qiáng)度和較低的壓縮性,滲透性中等,抗?jié)B透變形特征較好,適合于作筑壩材料;杜守來(lái)等[11]研究了昔格達(dá)組泥巖的工程特性,認(rèn)為昔格達(dá)組泥巖可以作為壩體的防滲土料;左永振等[12]研究了昔格達(dá)組粉砂巖具有較好的抗剪強(qiáng)度,壓縮性中等偏低,滲透性中等,抗?jié)B透變形特征較好,可以作為筑壩土料。本文通過(guò)工程實(shí)例對(duì)昔格達(dá)泥巖夾粉砂巖作為筑壩材料進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)研究,表明昔格達(dá)土可以作為均質(zhì)壩的壩體土料,為昔格達(dá)土地層在水利工程上作為筑壩材料的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

        2 工程實(shí)例

        某水庫(kù)工程位于金沙江北岸一級(jí)小支流上,是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主,兼有農(nóng)村生活供水等綜合利用的中型水利工程。水庫(kù)正常蓄水位1169.1m,總庫(kù)容2069.2萬(wàn)m3,推薦壩型為昔格達(dá)土均質(zhì)壩,最大壩高65.0m。所需筑壩土料料場(chǎng)位于擬建水庫(kù)左岸上游距壩軸線約150m,料場(chǎng)所在山梁地層大部分由昔格達(dá)組泥巖與粉砂巖互層構(gòu)成,表層為昔格達(dá)組地層風(fēng)化后形成的粉質(zhì)粘土混雜少量卵石,料場(chǎng)面積約20萬(wàn)m2,儲(chǔ)量約600萬(wàn)m3,遠(yuǎn)大于筑壩所需3倍儲(chǔ)量的要求。

        3 昔格達(dá)土的物理性質(zhì)

        3.1 顆粒分析

        昔格達(dá)土粒最大粒徑較小,級(jí)配良好可直接采用土粒的天然級(jí)配作為設(shè)計(jì)級(jí)配,其顆粒組成見(jiàn)表1[13]。

        表1 昔格達(dá)土料顆粒組成

        從表1中看出,所有土樣的最大粒徑為1mm,不含礫粒。根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2000),試樣的砂粒含量為40.0%~62.9%,平均值為50.7%;粉粒含量為26.9%~40.8%,平均值為35.8%;粘粒含量為8.6%~22.1%,平均值為13.4%。

        3.2 礦物成分

        通過(guò)化學(xué)分析[13],料場(chǎng)昔格達(dá)泥巖夾砂巖的可溶鹽含量為0.04%~0.06%,有機(jī)質(zhì)含量為0.03%~0.08%,pH值為8.2~8.6,硅鋁比為3.86~3.97。

        3.3 分散性

        對(duì)于土的分散性質(zhì)研究,采用土塊試驗(yàn)法[14]:將保持天然含水量的土塊制成1cm3左右的土塊投入盛有蒸餾水的量杯中,浸沒(méi)5min~10min后觀察土塊中膠粒的分散性狀。通過(guò)試驗(yàn),有7個(gè)土樣無(wú)分散出膠粒的反應(yīng),水色是清的。有兩個(gè)土樣分解后周圍有微量渾濁水,但擴(kuò)散范圍很小,且很快變清,根據(jù)規(guī)范[14]可判斷昔格達(dá)土料為非分散性土。

        3.4 膨脹性

        自由膨脹率是人工制備的松散干燥試樣在純水中膨脹穩(wěn)定后的體積增量與原體積之比,膨脹率是指試樣在有測(cè)限條件下膨脹的增量與初始高度之比,膨脹力是指土體吸水膨脹時(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力[15]。通過(guò)對(duì)昔格達(dá)土料進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)[13],得到昔格達(dá)土樣的自由膨脹率為2.0%~7.0%,平均值為4.4%,土樣的自由膨脹率都小于40.0%,由此判定昔格達(dá)土料為非膨脹性土。

        3.5 滲透性

        根據(jù)昔格達(dá)土的室內(nèi)滲透試驗(yàn),昔格達(dá)土的滲透系數(shù)為7.84×10-6cm/s~8.83×10-5cm/s,為微透水~弱透水。

        4 昔格達(dá)土的工程特性

        4.1 擊實(shí)特性

        考慮開(kāi)挖料顆粒不均以及黏土質(zhì)充填物含量的不同,對(duì)昔格達(dá)土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)以確定填料的最優(yōu)含水率和最大干密度。擊實(shí)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀進(jìn)行試驗(yàn),得到昔格達(dá)土樣的最優(yōu)含水率為17.8%~19.0%,最大干密度為1.65g/cm3~1.71g/cm3,最優(yōu)含水率和最大干密度的平均值分別為18.4%和1.69g/cm3。

        4.2 力學(xué)特征

        (1)壓縮性

        對(duì)昔格達(dá)土開(kāi)挖料進(jìn)行飽和及非飽和的土樣壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)面積30cm3,高度5.0cm,最大豎向壓力0.8MPa,控制干密度按照壓實(shí)度0.97計(jì)算,控制干密度為1.64g/cm3。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3[13]。由表可知,飽和土樣的壓縮系數(shù)α1-2為0.102MPa-1~0.159MPa-1,平均值為0.133MPa-1,介于0.1MPa-1~0.5MPa-1之間,為中等壓縮性土。非飽和土樣的壓縮系數(shù)α1-2為0.094MPa-1~0.171MPa-1,平均值為0.127MPa-1,介于0.1MPa-1~0.5MPa-1之間,為中等壓縮性土。在各級(jí)壓力下,非飽和土樣的壓縮系數(shù)稍小于飽和土樣,壓縮模量稍大于飽和土樣。

        表2 昔格達(dá)飽和土樣壓縮試驗(yàn)成果

        表3 昔格達(dá)非飽和土樣壓縮試驗(yàn)成果

        (2)抗剪強(qiáng)度

        對(duì)昔格達(dá)土料進(jìn)行非飽和不排水(氣)、飽和固結(jié)不排水、飽和固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)面積A=30cm3,高度12.0cm,最大圍壓0.4MPa,根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[15]對(duì)不同剪切方法所規(guī)定的速率進(jìn)行剪切。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4[13],結(jié)果表明,昔格達(dá)土料非飽和不排水(氣)剪所得的粘聚力c值介于28.6kPa~74.2kPa之間,平均值為50.2kPa,相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ介于20.2°~29.8°之間,平均值為25.6°;飽和固結(jié)不排水剪所得的粘聚力c值介于18.2kPa~41.9kPa之間,平均值為29.1kPa,相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ介于23.5°~31.6°之間,平均值為28.2°;飽和固結(jié)排水剪所得的粘聚力c值介于11.1kPa~33.8kPa之間,平均值為18.5kPa,相應(yīng)的內(nèi)摩擦角φ介于27.2°~34.1°之間,平均值為31.4°。

        表4 昔格達(dá)土料三軸剪切試驗(yàn)成果

        5 結(jié)論

        通過(guò)對(duì)昔格達(dá)土料的試驗(yàn)研究,表明昔格達(dá)土料的可溶鹽和有機(jī)質(zhì)含量以及pH值都滿足規(guī)范要求,且土料為非分散性、非膨脹土,滲透系數(shù)小于10-4cm/s,滿足規(guī)范對(duì)均質(zhì)壩土料的質(zhì)量技術(shù)要求。昔格達(dá)土為中等壓縮性土,其抗剪強(qiáng)度參數(shù)比一般粘性土好,可以作為均質(zhì)壩的壩體土料。但鑒于昔格達(dá)土自身的特點(diǎn),作為筑壩材料在施工過(guò)程中應(yīng)注意對(duì)含水量的控制和對(duì)施工質(zhì)量的控制。根據(jù)已建工程的實(shí)際運(yùn)行情況,應(yīng)解決好下游壩體的排水問(wèn)題,壩體在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于下游后壩坡壩排水問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。

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