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南水北调配套工程石津灌区沿线土性分析

2010-06-26张米军王新中田淑娟王桂卿

水科学与工程技术 2010年4期
关键词:粉粒散点粘性

张米军,王新中 ,田淑娟,王桂卿

(1.河北省水利水电勘测设计研究院,天津 300250;2.河北省平泉县建设局,河北 平泉 067500)

河北省南水北调配套工程石津灌区可行性研究工程勘察段全长200km,途经鹿泉、石家庄、正定、藁城、晋州、辛集、深州、武强、泊头等地。沿线勘察钻孔揭露表明,在勘察深度45m范围内,土层均为第四系全新统地层,大部分由洪积及冲积形成,局部由湖沼积形成。由于土层的成因和时代相同,本工程区域内的土类与其物理、力学指标有一定的相互关系。

结合工程实际对以上问题进行总结、分析。

1 土的定名

在旧堤防标准SL/T 188—96中,细粒土的分类依据SD128—84《土工试验规程》。土颗粒的划分范围是:小于0.005mm为粘粒,0.05~0.005mm为粉粒,大于0.05mm为砂粒,见图1。

在新堤防标准SL188—2005中,土颗粒的划分范围是:小于0.005mm为粘粒,0.005~0.075mm为粉粒,大于0.075mm为砂粒,见图2。

从图1、图2可以看出,两个土的三角坐标分类图中有3处不同:①粉粒坐标;②砂粒坐标;③当粘粒含量小于3%时,新标准中土的三角坐标分类图中去掉了“粉砂”类土(避免了和新标准中砂土分类中的粉砂产生混淆),除此之外,图1、图2无论从图形结构、土类数量、土类名称及各土类的划分区间均相同。表1列出了本工程部分两种标准定名不同的土样。

图2 新堤防标准土的分类

表1 新、旧堤防标准土的定名对照 单位/mm

从表1中可知,同1组土样,相同的颗粒组成,采用新、旧堤防标准,出现了土的定名(或土类)差异,其差别为在原旧标准所定的土名中加上“粉质”两字,使原来砂壤土、轻、中、重壤土感觉粘性增加了;而粘土加上“粉质”两字后反而感觉土的粘性降低了。其实土的物理力学性质并未发生改变,只是因采用不同的规范定名发生了变化而已。表1中的数据只是部分代表性数据,没有全部列出。经统计,2009年12月一期勘察共有原始试验数据377组,新、旧标准定名不同的有57组,占总数的15%。如果局部区域新、旧标准对土的定名不同的数量较集中,就可能对土性的判断产生偏差,因此应引起有关人员对规程规范的采用给予高度重视。

2 WP、IP与WL的关系

影响界限含水率的因素主要有土颗粒组成、矿物成分、交换离子、水溶液的成分和浓度等,它和土的天然密度无关,试验结果也不受采样扰动的影响。因此,同一地区时代、成因相同的土层,界限含水率指标应该具有很好的相关性。图3是377组数据的汇总结果。从图3可以看出,液限与塑限、塑性指数具有良好的线性关系。

如果把图3中的IP与WL的关系式与规范——《土的分类标准》(GBJ145—90)中的塑性图A线比较后不难发现,图3中的散点除了IP值小于10外,其余均在A线上方。因此,如按塑性图分类,大部分土的定名为CL、CH,少部分土的定名为ML。

图3 WL与WP、IP关系

3 Ccq、φcq与IP的关系

塑性指数能够综合反映细粒土的矿物成分和颗粒组成,它的大小能够很好地反映土的物理特性。但是,土的力性指标Ccq、φcq除了与土类(IP)有关外,还与土的密度、饱和度、固结状态和应力历史等主要因素有关。本次工程勘察试验数据的取得,由于采用了饱和、固结快剪方法,虽说不能完全等同土体的天然受力状态,但最大限度地消除了除密度外其他因素对Ccq、φcq值的影响。

图4由318组土的IP值与Ccq值一一对应的散点组成。从图4中可以看出,随着IP值的增大,Ccq值的变化区间也加大,也就是说,在其他条件相同的情况下,土质越粘,其Ccq值受密度等其他因素变化的影响越大,反之越小。

图4 Ccq与IP关系散点图

图5是由318组土的IP值与φcq值一一对应的散点组成。从图中可以看出,φcq(平均值)随IP总的变化趋势是:随着IP值的增加,φcq值逐渐降低,当IP值大于20时,φcq值趋于一个定值,不随IP值变化。同一IP值,φcq值有一定的变化区间。在IP值小于20区段,变化区间为±7.6;在IP值大于20区段,变化区间为±4.38,也就是说,分别在φcq随IP变化的两个区段中,即使土类不同,φcq值受密度等其他因素影响的波动范围也是大体相同的。

图5中有3条平行的直线。上下两条线分别为散点的上限线和下限线,两线之间包含了约97%的散点。中间一条线是前两条线的中线,即平均线。如果估算此工程沿线某一土类的φcq值可以采用如下方法。

图5 φcq与IP关系散点图

当IP≤20时 φ平均=-0.825IP+35.2

φcq=φ平均+a (-7.6≤a≤7.6)

当IP>20时 φ平均=15.63 φcq=φ平均+a(-4.38≤a≤4.38)式中 IP为土的塑性指数;φ平均为对应IP的平均内摩擦角;a为受其他因素影响的修正值;φcq为土的内摩擦角。

4 ES与IP的关系

在影响ES值大小的因素中,土类是影响ES大小的主要因素之一,图6是ES与IP的散点关系图。

图6 ES0.1~0.2与IP关系图

从图6可以看出,ES随IP值的增加,总趋势减小,而且,IP值越小,对ES的影响越大。当IP值大于20后,ES值的变化趋于平缓,IP对ES的影响程度逐渐降低。

5 结语

(1)新堤防标准中细粒土的分类仍采用三角坐标图法,但是划分粉粒区间的上限值发生了变化,由过去的0.05mm改成了0.075mm,这样,部分颗粒组成相同的土,新、旧标准定名的土类可能不一致,容易对土性评判产生偏差。

(2)土类对抗剪强度指标的影响各不相同,总趋势是:Ccq值随土的粘性增加而增加,且Ccq值随土的粘性增加而受其他因素影响程度越高,其值波动越大;φcq值随土的粘性增加而降低,当IP值大于20时,φcq趋于定值。

(3)土类对压缩模量ES的影响总趋势是:随土类的粘性增加而降低。IP值越小,ES值的波动越大,说明其他因素对ES的影响越大。

[1]河北省水利水电勘测设计研究院.河北省南水北调配套工程石津灌区工程地质勘察报告[R].2009.

[2]SL188—2005,堤防工程地质勘察规程[S].

[3]SL188/T—96,堤防工程地质勘察规程[S].

[4]SD128—84,土工试验规程[S].

[5]GBJ145—90,土的分类[S].

[6]常士骠,张苏民.工程地质手册(第四版)[K].北京:中国建筑工业出版社,2007.

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