固原黄土筑坝材料试验研究

2017-03-29李明福周明

海河水利 2017年1期

关键词：压缩系数原状压缩性

李明福，周明

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.宁夏水务投资集团有限公司，宁夏银川750002）

固原黄土筑坝材料试验研究

李明福1，周明2

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222；2.宁夏水务投资集团有限公司，宁夏银川750002）

以固原马兰黄土作为对象，系统研究工程特性及处理应用，为均质土坝设计、施工和安全运行提供科学依据。通过对原状黄土和人工制备的黄土进行试验、测试和分析，揭示不同状态下黄土力学性质的差异、特性指标随环境的变化规律及影响因素，对黄土筑坝材料的处理及适用性等问题进行了分析总结。实践表明，采取行之有效的处理措施，可以消除或抑制黄土料产生对大坝工程不利的变形、稳定影响。

压缩系数；主应力差；重塑黄土；压实度

1 引言

晚更新世后期，固原地区气候干旱，空中大量粉砂质尘土加速由西北向东南搬来降落在地面上，大地变成黄土塬。后又经风化、侵蚀、搬运、堆积形成山地、黄土丘陵、山间河谷阶地。

宁夏中南部城乡饮水安全工程引水线路末端的中庄水库为本工程的主调节水库，总库容2 564万m3，坝线总长960 m，最大坝高57.1 m，采用碾压式均质土坝。筑坝土料采用坝址及周边的马兰黄土和部分壤土填筑，填筑总量453万m3。

工程勘察期间，在固原南郊的双泉村、中庄水库及周边黄土地层中采集不同深度的Q3马兰黄土原状样品940余组和扰动样品1 450余组，先后对黄土的物理力学及水理性质进行了全指标测试，重点研究了马兰黄土筑坝料的工程特性、处理及应用。

2 原状马兰黄土的物理力学性质

对现场采集的原状土样进行了室内试验获得的主要物理性质指标见表1，而主要试验成果分述于后。

表1 黄土物理性质指标统计

2.1 粒组成分

据颗粒分析成果统计，固原马兰黄土粒组成分以粗—中粒粉土为主，粉土含量在71.4%～85.9%，平均值为78.9%；砂粒含量很少，含量小于3%，且均为极细砂或细砂；黏粒含量较低，含量介于10.7%～38.8%，平均值为20.8%。从黄土的颗粒组成比较看，工程区黄土的岩性较均一，在水平方向和垂直方向变化幅度不大。固原马兰黄土的粒组成分总体分布趋势，如图1所示。

试验成果表明，在一定颗粒含量范围内，黄土的最大干密度和最优含水率与黄土中的黏粒含量具有一定相关性，最优含水率表现为随着黏粒含量的增大而增高趋势，如图2所示，而最大干密度则表现为随着黏粒含量的增大（或粉砂含量减少）而降低趋势。

图1 黄土粒组成分分布曲线

图2 黄土最优含水率随不同黏粒含量变化

2.2 含水率ω、孔隙比e

中庄水库大坝采用黄土填筑坝身时，土的含水率对于碾压层的压实度起关键作用，如果含水率过小则坝体填筑压实度就达不到设计要求，而含水率过大则碾压层会出现“弹簧土”现象。

根据试验成果统计，中庄马兰黄土的含水率在9.8%～28.6%，平均值为18.0%。试验结果表明，在土层深度20 m以内，含水率呈现随深度逐渐增大趋势，如图3所示。而深度超过20 m以后的含水率大致趋于稳定，一般在19.5%～24.1%，多在20%上下。另外，土层深度超过14 m以后，土样饱和度一般大于90%，并趋于100%。

图3 黄土含水率随埋深变化趋势

固原马兰黄土的孔隙比或因受到其上覆土的自重压力影响，与埋藏深度关系较密切。在土层深度8 m以内，孔隙比一般大于1.00，最大达1.20。而随着埋藏深度的增加，孔隙比逐渐减小。

当土层深度超过8 m以后，孔隙比在0.459～0.904，平均值为0.601，离散度并不高。黄土孔隙比随埋深变化趋势，如图4所示。

图4 黄土孔隙比随埋深变化趋势

另外，试验结果表明，深度超过8 m以后，黄土孔隙比与含水率具有较好的相关性，呈线性关系，如图5所示，这也间接反映了深部黄土的湿度趋于饱和状态。

图5 深度8 m以下黄土含水率与孔隙比关系曲线

2.3 压缩性

在不同压力范围下天然原状黄土的压缩性指标，见表2。

表2 不同压力范围下黄土压缩性指标平均值

据试验结果，固原马兰黄土的天然状态下的压缩系数值在0.02～1.27 MPa-1，平均值为0.30 MPa-1；压缩模量（Es）在1.7～39.7 MPa，平均值为11.0 MPa，可以看出两者变异性均较大。

试验结果表明，在天然含水量状态下马兰黄土的压缩性具有如下特点：

（1）黄土结构强度相对较弱，其压缩系数总体上随压力的增高而减少，见表2，而在中间（400～500 kPa）一度出现增大现象，以后基本趋于下降。

（2）不同埋深原状土的压缩系数差别较大，如图6所示。在深度8.0 m以上的黄土压缩系数多超过0.5，具较高的压缩性；深度8 m以下的黄土压缩系数一般在0.02～0.2，压缩性较低。

图6 黄土压缩系数随深度变化

（3）含水量对于黏性土压缩性具重要影响，通常情况下随着含水量增高压缩性相应增大，但是本次天然试样的含水率与压缩系数相关性不强，而土样饱和度Sr与压缩性却出现了相反情形，即随着饱和度增高压缩系数却反而降低，如图7所示。经初步分析发现，随着土的埋深增加饱和度也逐渐增大，黄土已在自重作用下部分完成压缩变形及湿陷变形，而压缩性随着埋深逐渐降低。

图7 黄土饱和度与压缩系数相关曲线

2.4 抗剪强度

本次试验对于原状土进行了直剪试验，土样采取深度为2.0～50.0 m，试样剪切方式为天然快剪、饱和快剪和天然慢剪，试验成果见表3。

表3 黄土直剪试验统计结果

据试验结果分析发现，原状马兰黄土的抗剪强度具有如下特点：

（1）与天然状态相比，饱和状态的黄土黏聚力显著减小，而对内摩擦角的影响不大；天然状态下，与快剪相比，慢剪时的黏聚力明显提高，而对内摩擦角的影响不明显。

（2）在天然状态下，含水量的变化对抗剪强度具有一定的影响，主要表现为：随着含水量增高，内摩擦角呈现降低趋势，如图8所示。

图8 黄土内摩擦角随含水率变化趋势

2.5 湿陷性

通过试验统计，不同压力下湿陷系数δs平均值变化曲线如图9所示，不同压力下黄土湿陷变形系数见表4。

图9 黄土压力与湿陷系数关系曲线

表4 黄土湿陷系数

试验结果表明，马兰黄土的湿陷性具有如下特点：

（1）黄土湿陷系数先是随压力的增高而增大，在500 kPa附近出现最大值，以后趋于下降。

（2）在200 kPa压力下，黄土的湿陷系数在0.001～0.155，平均值为0.023，湿陷性表现为轻微—强烈。在埋藏深度8.0 m以内的黄土湿陷系数平均值超过0.015，黄土具有湿陷性，且埋深5 m范围内具有较强的湿陷性，如图10所示。当埋藏深度超过10 m以后，湿陷系数平均值均小于0.015，按相关标准属于非湿陷性黄土。

图10 不同深度的黄土湿陷系数

（3）黄土孔隙比与湿陷系数具有一定相关性，孔隙比大湿陷系数也大，孔隙比小湿陷系数也小，如图11所示。

图11 黄土孔隙比与湿陷系数关系曲线

另据中庄水库坝址黄土的湿陷程度试验结果，从地表至埋深28.3 m范围内，黄土的湿陷程度均表现为自重湿陷，且厚度越大自重压力越高，湿陷程度也越严重，因此原状黄土层不可直接作为坝基或坝肩利用。

3 人工制备黄土的物理力学性质

3.1 重塑黄土压缩试验

根据工程需要，为了查明土体沉降变形特性，以设计最大干密度乘0.98的压实系数制备黄土试样，分别在最优含水率与饱和状态、分级荷载应力作用下进行压缩试验。按最优含水率制备重塑土的压缩试验成果见表5，饱和状态重塑土的试验成果见表6。

表5 非饱和（最优含水率）状态重塑黄土压缩试验结果

表6 饱和状态重塑黄土压缩试验结果

据试验结果分析发现，重塑黄土的压缩性具有如下特点：

（1）非饱和试样在100～200 kPa压力范围下压缩系数值在0.056～0.157 MPa-1，平均值为0.10 MPa-1，表现为较低的压缩性，其变异系数为0.003，变异性很小；而压缩模量在6.03～20.0 MPa，平均值为8.9 MPa，其变异系数为0.42，变异性很大。

（2）饱和试样在100～200 kPa压力范围下的压缩系数值在0.073～0.259 MPa-1，平均值为0.15 MPa-1，属低—中压缩性；而压缩模量在3.87～21.9 MPa，平均值为7.0 MPa。两者变异系数分别为0.4和0.67，变异性均很大。

（3）将非饱和试样和饱和试样的压缩系数进行对比，看得出重塑黄土饱和试样的压缩性略有提高，但两者之间的差值较小。

（4）与原状土的压缩性相比，按0.98的压实系数制备的重塑黄土的压缩性显著降低，压实效果明显。

3.2 重塑黄土强度特性

选取库区附近黄土，对不同密实度和饱和度的重塑黄土进行了强度特性试验。

3.2.1 重塑黄土饱和、非饱和试样的抗剪强度

试验采用三轴仪测定重塑黄土的抗剪强度。根据工程特点，分别对非饱和试样和饱和试样采用固结不排水剪切试验。试样是在设计最大干密度乘0.98的压实系数制备的。

通过三轴试验所得中庄水库重塑黄土的抗剪强度指标，见表7。图12为黄土饱和试样和非饱和试样的三轴剪切强度包线。

表7 重塑黄土抗剪强度指标统计

据试验结果分析，可以得出以下结论：

（1）重塑黄土试样在剪切过程中，主应力差σ1-σ3均随着围压σ3的增加而增加。非饱和试样的Фcu值为24o～30o，Ccu值为37.1～78.7 kPa；饱和试样的Фcu值为20o～26.5o，Ccu值为17.6～55.2 kPa。与原状黄土相比，抗剪强度指标均明显提高。

图12 重塑黄土饱和、非饱和试样三轴剪切强度包线

（2）试验结果表明，含水量对黏聚力有很大的影响，与非饱和试样相比，多数饱和试样的黏聚力下降了29%～77%。而含水量对内摩擦角的影响相对较小，饱和试样的内摩擦角比非饱和试样仅下降了2%～26%。

3.2.2 压实度对重塑黄土抗剪强度的影响程度及趋势

试验中的压实系数η分别选取为0.98、0.95、0.92、0.89，采用饱和土试样，以模拟水库蓄水后坝体填土含水量状态。三轴试验中的围压为100、200、300、400 kPa，主应力差为试件破坏时的值。

通过试验所得饱和重塑黄土的抗剪强度指标见表8，土体的峰值强度与压实系数的关系曲线如图13所示。

表8 不同密度下饱和土抗剪强度指标

从试验结果，可以得出以下结论：

（1）密实度较高的重塑黄土在饱和状态下仍具有较高的抗剪强度指标，而密实度较低时饱和重塑黄土抗剪强度指标显著降低。

图13 重塑黄土饱和试样峰值强度与压实系数关系曲线

（2）重塑黄土的水稳性较差，不同密实度的黄土遇水后软化程度不同，压实系数越低软化现象越严重，尤其是压实系数较低的重塑黄土极易变形破坏。

4 坝身填筑土检验

中庄水库坝体填筑设计要求为：分层碾压，每层填筑厚度为0.3 m，碾压后的压实度达到98%。施工期间对坝体填筑质量进行了检测，坝体土物理力学性质、湿陷及渗透试验成果见表9。

表9 坝身土物理力学性质指标

从坝身土主要物理力学指标与原状土的指标对比看，坝身土的工程性能明显得到改善。坝身土平均压缩系数为0.076，属低压缩性土；在200和300 kPa压力下湿陷系数平均值都是0.003，可以说因黄土湿陷性产生的不良影响已基本消除；原状黄土多属弱透水，部分微透水，而填筑坝身土的平均渗透系数为6.6×10-6，大部分呈现微透水性，且抗渗透破坏性能也得到改善。