含水率和压实度对筑坝土抗剪强度的影响研究——以王庆坨水库为例

杨丽萍，张伟鹏，程 强

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.天津市引滦工程黎河管理处，河北 遵化 064200；3.天津市水利科学研究院，天津 300061）

王庆坨水库位于天津市武清区王庆坨镇西部，是南水北调中线一期工程天津干线的配套工程，是天津市的在线调节水库和备用水库，总库容2 000万m3，担负着干线事故备用任务。

抗剪强度是土体的一个重要力学性能指标，在计算承载力、评价土体稳定性时均会涉及。在土坝碾压施工中，工程所关心的问题是筑坝土的承载能力与稳定性，而坝体的承载能力及稳定性是通过平碾或羊角碾碾压来实现的，不同的含水率、压实度会产生不同的坝体承载力及稳定性。鉴于王庆坨水库的重要性，其失事后将对天津的供水和防洪安全造成巨大影响，需要在围坝碾压施工中严格控制质量，确保水库大坝的安全。因此，在王庆坨水库土坝碾压施工中研究含水率、压实度对土体抗剪强度的影响具有重要意义。

1 试验准备

1.1 筑坝土材料

在调查的基础上，根据料场土空间分布对库区土取样3组，分别代表王庆坨水库0～2 200、2 200～4 400、4 400～6 500 m的筑坝土样。由于取样点均位于农田内，取土时先将表层30 cm厚的土体去除，取表层以下30 cm的粉土，然后用四分法取样；每个取样点取土200 kg，3个点共600 kg，将各组的土样充分混合后，取足够的土样过5 mm筛，进行轻型击实试验，得到混合土样的最大干密度和最优含水率，详见表1。

表1 混合土样轻型击实试验结果

1.2 试样制备

将土样风干、碾碎、过2 mm筛后，配制成目标含水率为最优含水率-2%、最优含水率-1%、最优含水率、最优含水率+1%、最优含水率+2%、最优含水率+3%的6种土料，在每种含水率下制备压实度为98%、99%、100%3种试样分别进行三轴试验。试验前一天进行备料，闷料时间大于8 h，试样采用压实法制备，具体方法按照《土工试验方法标准》（GB/T50123）进行。

1.3 三轴压缩试验

室内一般通过直接剪切试验或三轴压缩试验获取抗剪强度指标（黏聚力C、内摩擦角ψ），直接剪切试验剪切面限定在上下盒之间的平面，而不是沿土样最薄弱的面剪切破坏，且剪切面上剪应力分布不均匀，不能严格地控制排水，试验结果不够准确；而三轴压缩试验能够严格控制排水且破坏面在最薄弱处，能够较准确地模拟现场实际情况，结果比较准确，所以本次试验采用三轴压缩试验。

试验设备采用TSZ-3型应变控制式三轴仪，实现了全自动数据采集。试样为直径61.8mm、高125mm的圆柱体试件，试验采用固结不排水的方式，土样在施加围压作用下排水固结达到稳定，然后在不排水的条件下进行剪切试验。

2 三轴压缩试验结果及分析

2.1 筑坝土黏聚力变化规律

按照上述试验方法分别测定了15.2%、16.2%、17.2%（最优含水率）、18.2%、19.2%、20.2%6种含水率下98%、99%、100%3种压实度的抗剪强度指标。

为了能较好地反映黏聚力与含水率、压实度之间的关系，绘制了黏聚力随含水率变化和随压实度变化的曲线，如图1—2所示。

图1 黏聚力随含水率变化规律

图2 黏聚力随压实度变化规律

从图1可以看出，在相同压实度条件下，黏聚力峰值出现在最优含水率附近，当含水率小于最优含水率时黏聚力随着含水率的增加而增加，当含水率大于最优含水率时黏聚力随含水率的增加而迅速降低；含水率小于最优含水率时的黏聚力增加速度要小于含水率大于最优含水率时的黏聚力降低速度，以压实度K=98%为例，含水率从15.2%增加到17.2%时黏聚力从32.28 kPa增加到38.64 kPa，而含水率从17.2%增加到19.2%时黏聚力从38.64 kPa降低到21.99 kPa。由此可见，在最优含水率附近，同样的含水率偏移量负偏移15.2%土样的黏聚力要大于正偏移19.2%土样的黏聚力。

从图2可以看出，在相同含水率下，黏聚力随着压实度的增加呈减小趋势，这是由于对于砂土或粉土来说，影响内摩擦角的主要因素是初始孔隙比，初始孔隙比越小（即土越紧密）则内摩擦角越大，反之则内摩擦角越小，在内摩擦角增大的同时黏聚力就会降低。对比6种不同含水率下的C-K曲线，同一压实度下，最优含水率时黏聚力最大；另外，在相同压实度下，黏聚力的大小关系为17.2%的土样＞16.2%的土样＞15.2%的土样＞18.2%的土样＞19.2%的土样＞20.2%的土样。

2.2 筑坝土内摩擦角变化规律

内摩擦角与含水率、压实度之间的关系，如图3—4所示。

图3 内摩擦角随压实度变化规律

图4 内摩擦角随含水率变化规律

从图3可以看出，在相同含水率下，内摩擦角随着压实度的增大而略微增大，基本上与X轴呈平行状态，这主要是由于土样压实度都特别高，压实度的提高都是以压碎土体颗粒为代价的，而不是土粒结合更加紧密。

从图4可以看出，在相同压实度下，含水率为最优含水率时内摩擦角最大。在不同压实度条件下，内摩擦角随含水率变化较小，以98%压实度为例，含水率从15.2%增加到17.2%时内摩擦角从29.11°增加到33.96°，增加幅度为16%；而含水率从17.2%增加到19.2%时内摩擦角从33.96°降低到28.15°，降低幅度为17%。相比黏聚力，含水率变化对内摩擦角的影响较小，从15.2%增加到17.2%的过程中，内摩擦角仅在很小的范围内变化，这是由于土的内摩擦角与土的颗粒结构、大小及密实程度密切相关。王庆坨水库筑坝土属于粉土，粗粒含量较高，含水率变化不会引起其颗粒结构、大小及密实程度的显著变化。由此可以得出，含水率对内摩擦角的影响作用较小。

2.3 筑坝土剪切峰值的变化规律

为了更好地对比6种含水率下土体的抗剪强度，笔者以98%压实度为例，列出了6种不同含水率在不同围压下（100、300 kPa）剪切峰值，详见表2。

表2 不同围压不同含水率下剪切峰值kPa

从表2可以看出，在100 kPa围压下，剪切峰值最大值出现在最优含水率附近，15.2%的土样剪切峰值（最大主应力与最小主应力之差）为365.63 kPa，而19.2%的土样剪切峰值为215.60 kPa，19.2%土样的剪切峰值总比15.2%的要小，剪切峰值的大小关系为17.2%的土样＞16.2%的土样＞15.2%的土样＞18.2%的土样＞19.2%的土样＞20.2%的土样，与黏聚力变化规律基本相同；在300 kPa围压下，剪切峰值最大值也出现在最优含水率附近，15.2%的土样剪切峰值为545.15 kPa，而19.2%的土样剪切峰值为445.80 kPa，其变化规律与100 kPa围压的变化规律相同。由此可见，在相同含水率偏移下，负偏移土样的抗剪强度要优于正偏移土样的抗剪强度，土样含水率在高于最优含水率时含水率对抗剪强度的影响较大，土体敏感性大。

3 结论

（1）黏聚力随着含水率及压实度的变化较敏感，而对内摩擦角的影响则相对较弱。在相同初始含水率下，黏聚力随着压实度的增加呈减小趋势，同一压实度下，黏聚力峰值出现在最优含水率附近，当含水率小于最优含水率时黏聚力随着含水率的增加而增加，当含水率大于最优含水率时黏聚力随含水率的增加迅速降低，且含水率小于最优含水率时的黏聚力增加速度要小于含水率大于最优含水率时的黏聚力降低速度，负偏移土样的黏聚力要大于正偏移土样的黏聚力。

（2）同一初始含水率下，内摩擦角随着压实度的增大而略微增大，基本上与X轴呈平行状态。王庆坨水库筑坝土属于粉土，粗粒含量较高，含水率变化不会引起其颗粒结构、大小及密实程度的显著变化，对内摩擦角的影响较小。

（3）在相同含水率偏移下，负偏移土样的抗剪强度要优于正偏移土样的抗剪强度，即当含水率大于最优含水率时土体的性能变化较大，敏感性较强。

（4）根据设计文件以及室内研究成果综合分析，建议王庆坨水库上坝土的含水率控制在最优含水率的-2%～+1%，压实度控制在98%以上。