凤亭河水库大坝土工物理力学性能试验分析

熊 湾，黄小兵

（广西壮族自治区水利科学研究院 广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023）

1 工程概况

凤亭河水库位于广西南宁市良庆区大塘镇和上思县东屏乡境内，建于1958 年，大坝为碾压式均质土坝，总库容约5.07亿m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖、供水、旅游等综合功能的大（2）型水库。水库库区内植被良好、无污染源，水质较好，是南宁市城市备用饮用水主要供水水源之一。

2 试验方法

按《土工试验规程》（SL237-1999）对凤亭河水库大坝45 组原状土样进行土工试验，试验项目包括：含水率、密度、土粒比重、界限含水率、固结试验、饱和固结快剪、三轴固结不排水剪、三轴固结不排水剪测孔压、渗透系数、颗粒分析试验。

2.1 含水率试验

室内含水率试验采用烘干法，温度控制在105～110οC下烘到恒温，烘干时间对黏土不少于8 h；进行2次平行测定，取其算术平均值，允许差值应符合含水率测定的允许平行差值（见表1），称量准确至0.01 g。

表1 含水率测定的允许平行差值 %

2.2 密度试验

采用环刀法，计算密度准确至0.01 g/cm3，本实验需进行2次平行测定，取其平均值，其平行差值不得大于0.03 g/cm3。

2.3 比重试验

采用比重瓶法，比重瓶（短颈，容积为100 ml），计算至0.001，进行2 次平行测定，其平行差值不得大于0.02，取其算术平均值。同时用温度计测定瓶的水温，准确至0.1℃。

2.4 界限含水率

界限含水率试验采用液、塑限联合测定法，仪器为数显式土壤液塑限联合测定仪（圆锥质量为76 g，锥角为30°，见图1）；液塑限联合测定应不少于3点，数据处理：以所测得的含水率为横坐标，圆锥下沉入土深度为纵坐标，在双对数坐标纸上绘制出关系曲线，3个点应在同一直线（见图2）。从图2可查得下沉深度为17 mm相对应的含水率为液限，查得所对应下沉深度为2 mm 的含水率为塑限，用百分数表示，准确至0.1%。

图1 数显式土壤液塑限联合测定仪

图2 圆锥下沉深度与含水率关系图

2.5 固结试验

固结试验，又称压缩试验，试验方法有常规固结试验、快速固结试验、高压固结试验和连续加荷试验，本次试验采用快速固结试验，试样在各级压力下的固结试验时间为1 h，试验除在最后一级压力下记录1 h的测表读数外，待试验稳定后，还应记录压缩稳定时的测表读数。稳定标准为每小时读数变化不大于0.005 mm。本试验仪器采用全自动固结仪（见图3）。

图3 全部自动固结仪

2.6 三轴压缩试验

固结不排水剪和固结不排水测孔压试验，试样应先在设定的某一周围压力作用下进行排水固结，逐渐增大轴向压力，然后在保持不排水的情况下，直至破坏，据此可做出一个极限应力圆。仪器采用TSZ-2 全部自动三轴仪（见图4），不同试验方法的剪切应变速率按表2规定选择。

图4 TSZ-2全部自动三轴仪

表2 剪切应变速率表

2.7 渗透试验

采用变水头渗透试验，仪器为TST-55 型渗透仪（见图5），把以切好的土样安装好后，联通装有试样的渗透容器与水头装置，通过利用供水瓶中的水充满进水管，并注入渗透容器内（见图6），在一定水头的作用下静置一段时间，等待出水口有水溢出后，开始用秒表计时进行试验测定。

图5 TST-55型渗透仪

图6 渗透容器与水头装置

2.8 颗粒分析试验

试验采用筛析法及密度计法，仪器采用甲种密度计和量筒。甲种密度计：单位刻度以摄氏20℃时每1000 ml 悬液内所含土质量的克数表示，显示刻度为-5～50，分度值为0.5；量筒：量筒高约45 cm，直径约6 cm，容积1000 ml，刻度为0～1000 ml，分度值10 ml。

3 试验结果分析

3.1 颗粒分析

对45 组颗粒分析结果进行统计（见图7），结果显示：碎石含量为0，砾粒为6.9%，砂砾为30.7%，粉粒为31.8%，黏粒为30.5%。大坝为均质土坝，45组土样总体为褐色黏性土，含砂，少部分含风化石。

图7 颗粒分析曲线图

3.2 渗透试验系数

对45组变水头试验（垂直方向）数据进行分析，结果表明：渗透系数范围基本在10-4～10-6cm/s 之间，深度的变化与渗透系数关联不大，与含水率关系较密切，当含水率大于20%时渗透系数大多数在10-4～10-5cm/s范围。

3.3 物理力学性能指标分析

根据45组土样试验结果，对各物理力学性能指标进行统计，结果见表3。

表3 物理力学性能指标统计结果

3.4 深度与各物理力学性能指标的关系

根据45组土工试验数据成果，绘制深度与各物理力学性能指标的相关关系图（见图8～图19）。

（1）从图8～图10 可以看出，比重、湿密度、干密度随深度变化不大，比重范围在2.70～2.80 之间，湿密度在1.90 ～2.10 g/cm3之间，干密度基本上在1.50～1.80 g/cm3之间。

（2）从图11～图15 可以看出，深度与含水率、液限、塑限、液性指数之间关系不是很明显，饱和度大部分在80%以上，含水率大部分在15%～25%之间，液性指数在-0.13～0.54 之间，平均值为0.16，大部分在0～0.25之间，呈硬塑状态较多。

（3）从图16～图19 可以看出，深度与粘聚力、内摩擦角、压缩系数之间关系不是很明显，变化范围比较大；深度与压缩模量之间关系则有一定的规律，随着深度增加，压缩模量存在上升趋势，说明深度增加，土质变硬。

图8 深度与比重关系图

图9 深度与湿密度关系图

图10 深度与干密度关系图

图11 深度与含水率关系图

图12 深度与液限关系图

图13 深度与塑限关系图

图14 深度与液性指数关系图

图15 深度与饱和度关系图

图16 深度与粘聚力关系图

图17 深度与内摩擦角关系图

图18 深度与压缩系数关系图

图19 深度与压缩模量关系图

3.5 各物理力学性能指标间的关系

根据45组土工试验数据成果，绘制各物理力学性能指标间的相关关系图。

（1）含水率与孔隙比呈正相关线性关系（见图20），液限与塑性指数也是正相关线性关系（见图21），含水率与干密度呈负相关线性关系（见图22），线性关系均良好。

（2）从含水率与液性指数关系图（见图23）可以看出，随着含水率变大，液性指数总体上是变大。

（3）粘聚力与压缩模量之间关系不是很明显（见图24）；内摩擦角与压缩模量关系图见图25，随着内摩擦角增大，压缩模量呈增大趋势。

（4）含水率与粘聚力关系图见图26、含水率与内摩擦角关系图见图27，含水率与压缩模量关系图见图28，从图26～图28可以看出，随着含水量的增大，粘聚力、内摩擦角和压缩模量总体上呈下降趋势。

图20 含水率与孔隙比关系图

图21 液限与塑性指数关系图

图22 含水率与干密度关系图

图23 含水率与液性指数关系图

图24 粘聚力与压缩模量关系图

图25 内摩擦角与压缩模量关系图

图26 含水率与粘聚力关系图

图27 含水率与内摩擦角力关系图

图28 含水率与压缩模量关系图

4 结语

在各类岩土工程设计勘察工作中，土工试验是比较重要的一个环节，通过土工试验，了解工程土体相关的物理力学性能指标，为设计提供依据。