南水北調(diào)配套工程石津灌區(qū)沿線土性分析

張米軍，王新中 ，田淑娟，王桂卿

（1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250；2.河北省平泉縣建設(shè)局，河北 平泉 067500）

河北省南水北調(diào)配套工程石津灌區(qū)可行性研究工程勘察段全長(zhǎng)200km，途經(jīng)鹿泉、石家莊、正定、藁城、晉州、辛集、深州、武強(qiáng)、泊頭等地。沿線勘察鉆孔揭露表明，在勘察深度45m范圍內(nèi)，土層均為第四系全新統(tǒng)地層，大部分由洪積及沖積形成，局部由湖沼積形成。由于土層的成因和時(shí)代相同，本工程區(qū)域內(nèi)的土類與其物理、力學(xué)指標(biāo)有一定的相互關(guān)系。

結(jié)合工程實(shí)際對(duì)以上問題進(jìn)行總結(jié)、分析。

1 土的定名

在舊堤防標(biāo)準(zhǔn)SL/T 188—96中，細(xì)粒土的分類依據(jù)SD128—84《土工試驗(yàn)規(guī)程》。土顆粒的劃分范圍是：小于0.005mm為粘粒，0.05～0.005mm為粉粒，大于0.05mm為砂粒，見圖1。

在新堤防標(biāo)準(zhǔn)SL188—2005中，土顆粒的劃分范圍是：小于0.005mm為粘粒，0.005～0.075mm為粉粒，大于0.075mm為砂粒，見圖2。

從圖1、圖2可以看出，兩個(gè)土的三角坐標(biāo)分類圖中有3處不同：①粉粒坐標(biāo)；②砂粒坐標(biāo)；③當(dāng)粘粒含量小于3%時(shí)，新標(biāo)準(zhǔn)中土的三角坐標(biāo)分類圖中去掉了“粉砂”類土（避免了和新標(biāo)準(zhǔn)中砂土分類中的粉砂產(chǎn)生混淆），除此之外，圖1、圖2無論從圖形結(jié)構(gòu)、土類數(shù)量、土類名稱及各土類的劃分區(qū)間均相同。表1列出了本工程部分兩種標(biāo)準(zhǔn)定名不同的土樣。

圖2 新堤防標(biāo)準(zhǔn)土的分類

表1 新、舊堤防標(biāo)準(zhǔn)土的定名對(duì)照 單位/mm

從表1中可知，同1組土樣，相同的顆粒組成，采用新、舊堤防標(biāo)準(zhǔn)，出現(xiàn)了土的定名（或土類）差異，其差別為在原舊標(biāo)準(zhǔn)所定的土名中加上“粉質(zhì)”兩字，使原來砂壤土、輕、中、重壤土感覺粘性增加了；而粘土加上“粉質(zhì)”兩字后反而感覺土的粘性降低了。其實(shí)土的物理力學(xué)性質(zhì)并未發(fā)生改變，只是因采用不同的規(guī)范定名發(fā)生了變化而已。表1中的數(shù)據(jù)只是部分代表性數(shù)據(jù)，沒有全部列出。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，2009年12月一期勘察共有原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)377組，新、舊標(biāo)準(zhǔn)定名不同的有57組，占總數(shù)的15%。如果局部區(qū)域新、舊標(biāo)準(zhǔn)對(duì)土的定名不同的數(shù)量較集中，就可能對(duì)土性的判斷產(chǎn)生偏差，因此應(yīng)引起有關(guān)人員對(duì)規(guī)程規(guī)范的采用給予高度重視。

2 WP、IP與WL的關(guān)系

影響界限含水率的因素主要有土顆粒組成、礦物成分、交換離子、水溶液的成分和濃度等，它和土的天然密度無關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果也不受采樣擾動(dòng)的影響。因此，同一地區(qū)時(shí)代、成因相同的土層，界限含水率指標(biāo)應(yīng)該具有很好的相關(guān)性。圖3是377組數(shù)據(jù)的匯總結(jié)果。從圖3可以看出，液限與塑限、塑性指數(shù)具有良好的線性關(guān)系。

如果把圖3中的IP與WL的關(guān)系式與規(guī)范——《土的分類標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ145—90）中的塑性圖A線比較后不難發(fā)現(xiàn)，圖3中的散點(diǎn)除了IP值小于10外，其余均在A線上方。因此，如按塑性圖分類，大部分土的定名為CL、CH，少部分土的定名為ML。

圖3 WL與WP、IP關(guān)系

3 Ccq、φcq與IP的關(guān)系

塑性指數(shù)能夠綜合反映細(xì)粒土的礦物成分和顆粒組成，它的大小能夠很好地反映土的物理特性。但是，土的力性指標(biāo)Ccq、φcq除了與土類（IP）有關(guān)外，還與土的密度、飽和度、固結(jié)狀態(tài)和應(yīng)力歷史等主要因素有關(guān)。本次工程勘察試驗(yàn)數(shù)據(jù)的取得，由于采用了飽和、固結(jié)快剪方法，雖說不能完全等同土體的天然受力狀態(tài)，但最大限度地消除了除密度外其他因素對(duì)Ccq、φcq值的影響。

圖4由318組土的IP值與Ccq值一一對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)組成。從圖4中可以看出，隨著IP值的增大，Ccq值的變化區(qū)間也加大，也就是說，在其他條件相同的情況下，土質(zhì)越粘，其Ccq值受密度等其他因素變化的影響越大，反之越小。

圖4 Ccq與IP關(guān)系散點(diǎn)圖

圖5是由318組土的IP值與φcq值一一對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)組成。從圖中可以看出，φcq（平均值）隨IP總的變化趨勢(shì)是：隨著IP值的增加，φcq值逐漸降低，當(dāng)IP值大于20時(shí)，φcq值趨于一個(gè)定值，不隨IP值變化。同一IP值，φcq值有一定的變化區(qū)間。在IP值小于20區(qū)段，變化區(qū)間為±7.6；在IP值大于20區(qū)段，變化區(qū)間為±4.38，也就是說，分別在φcq隨IP變化的兩個(gè)區(qū)段中，即使土類不同，φcq值受密度等其他因素影響的波動(dòng)范圍也是大體相同的。

圖5中有3條平行的直線。上下兩條線分別為散點(diǎn)的上限線和下限線，兩線之間包含了約97%的散點(diǎn)。中間一條線是前兩條線的中線，即平均線。如果估算此工程沿線某一土類的φcq值可以采用如下方法。

圖5 φcq與IP關(guān)系散點(diǎn)圖

當(dāng)IP≤20時(shí) φ平均=-0.825IP+35.2

φcq=φ平均+a （-7.6≤a≤7.6）

當(dāng)IP＞20時(shí) φ平均=15.63 φcq=φ平均+a（-4.38≤a≤4.38）式中 IP為土的塑性指數(shù)；φ平均為對(duì)應(yīng)IP的平均內(nèi)摩擦角；a為受其他因素影響的修正值；φcq為土的內(nèi)摩擦角。

4 ES與IP的關(guān)系

在影響ES值大小的因素中，土類是影響ES大小的主要因素之一，圖6是ES與IP的散點(diǎn)關(guān)系圖。

圖6 ES0.1～0.2與IP關(guān)系圖

從圖6可以看出，ES隨IP值的增加，總趨勢(shì)減小，而且，IP值越小，對(duì)ES的影響越大。當(dāng)IP值大于20后，ES值的變化趨于平緩，IP對(duì)ES的影響程度逐漸降低。

5 結(jié)語

（1）新堤防標(biāo)準(zhǔn)中細(xì)粒土的分類仍采用三角坐標(biāo)圖法，但是劃分粉粒區(qū)間的上限值發(fā)生了變化，由過去的0.05mm改成了0.075mm，這樣，部分顆粒組成相同的土，新、舊標(biāo)準(zhǔn)定名的土類可能不一致，容易對(duì)土性評(píng)判產(chǎn)生偏差。

（2）土類對(duì)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響各不相同，總趨勢(shì)是：Ccq值隨土的粘性增加而增加，且Ccq值隨土的粘性增加而受其他因素影響程度越高，其值波動(dòng)越大；φcq值隨土的粘性增加而降低，當(dāng)IP值大于20時(shí)，φcq趨于定值。

（3）土類對(duì)壓縮模量ES的影響總趨勢(shì)是：隨土類的粘性增加而降低。IP值越小，ES值的波動(dòng)越大，說明其他因素對(duì)ES的影響越大。

［1］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.河北省南水北調(diào)配套工程石津灌區(qū)工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.2009.

［2］SL188—2005，堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程［S］.

［3］SL188/T—96，堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程［S］.

［4］SD128—84，土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］GBJ145—90，土的分類［S］.

［6］常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）［K］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.