固原黃土筑壩材料試驗研究

李明福，周明

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222；2.寧夏水務投資集團有限公司，寧夏銀川750002）

固原黃土筑壩材料試驗研究

李明福1，周明2

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222；2.寧夏水務投資集團有限公司，寧夏銀川750002）

以固原馬蘭黃土作為對象，系統研究工程特性及處理應用，為均質土壩設計、施工和安全運行提供科學依據。通過對原狀黃土和人工制備的黃土進行試驗、測試和分析，揭示不同狀態下黃土力學性質的差異、特性指標隨環境的變化規律及影響因素，對黃土筑壩材料的處理及適用性等問題進行了分析總結。實踐表明，采取行之有效的處理措施，可以消除或抑制黃土料產生對大壩工程不利的變形、穩定影響。

壓縮系數；主應力差；重塑黃土；壓實度

1 引言

晚更新世后期，固原地區氣候干旱，空中大量粉砂質塵土加速由西北向東南搬來降落在地面上，大地變成黃土塬。后又經風化、侵蝕、搬運、堆積形成山地、黃土丘陵、山間河谷階地。

寧夏中南部城鄉飲水安全工程引水線路末端的中莊水庫為本工程的主調節水庫，總庫容2 564萬m3，壩線總長960 m，最大壩高57.1 m，采用碾壓式均質土壩。筑壩土料采用壩址及周邊的馬蘭黃土和部分壤土填筑，填筑總量453萬m3。

工程勘察期間，在固原南郊的雙泉村、中莊水庫及周邊黃土地層中采集不同深度的Q3馬蘭黃土原狀樣品940余組和擾動樣品1 450余組，先后對黃土的物理力學及水理性質進行了全指標測試，重點研究了馬蘭黃土筑壩料的工程特性、處理及應用。

2 原狀馬蘭黃土的物理力學性質

對現場采集的原狀土樣進行了室內試驗獲得的主要物理性質指標見表1，而主要試驗成果分述于后。

表1 黃土物理性質指標統計

2.1 粒組成分

據顆粒分析成果統計，固原馬蘭黃土粒組成分以粗—中粒粉土為主，粉土含量在71.4%～85.9%，平均值為78.9%；砂粒含量很少，含量小于3%，且均為極細砂或細砂；黏粒含量較低，含量介于10.7%～38.8%，平均值為20.8%。從黃土的顆粒組成比較看，工程區黃土的巖性較均一，在水平方向和垂直方向變化幅度不大。固原馬蘭黃土的粒組成分總體分布趨勢，如圖1所示。

試驗成果表明，在一定顆粒含量范圍內，黃土的最大干密度和最優含水率與黃土中的黏粒含量具有一定相關性，最優含水率表現為隨著黏粒含量的增大而增高趨勢，如圖2所示，而最大干密度則表現為隨著黏粒含量的增大（或粉砂含量減少）而降低趨勢。

圖1 黃土粒組成分分布曲線

圖2 黃土最優含水率隨不同黏粒含量變化

2.2 含水率ω、孔隙比e

中莊水庫大壩采用黃土填筑壩身時，土的含水率對于碾壓層的壓實度起關鍵作用，如果含水率過小則壩體填筑壓實度就達不到設計要求，而含水率過大則碾壓層會出現“彈簧土”現象。

根據試驗成果統計，中莊馬蘭黃土的含水率在9.8%～28.6%，平均值為18.0%。試驗結果表明，在土層深度20 m以內，含水率呈現隨深度逐漸增大趨勢，如圖3所示。而深度超過20 m以后的含水率大致趨于穩定，一般在19.5%～24.1%，多在20%上下。另外，土層深度超過14 m以后，土樣飽和度一般大于90%，并趨于100%。

圖3 黃土含水率隨埋深變化趨勢

固原馬蘭黃土的孔隙比或因受到其上覆土的自重壓力影響，與埋藏深度關系較密切。在土層深度8 m以內，孔隙比一般大于1.00，最大達1.20。而隨著埋藏深度的增加，孔隙比逐漸減小。

當土層深度超過8 m以后，孔隙比在0.459～0.904，平均值為0.601，離散度并不高。黃土孔隙比隨埋深變化趨勢，如圖4所示。

圖4 黃土孔隙比隨埋深變化趨勢

另外，試驗結果表明，深度超過8 m以后，黃土孔隙比與含水率具有較好的相關性，呈線性關系，如圖5所示，這也間接反映了深部黃土的濕度趨于飽和狀態。

圖5 深度8 m以下黃土含水率與孔隙比關系曲線

2.3 壓縮性

在不同壓力范圍下天然原狀黃土的壓縮性指標，見表2。

表2 不同壓力范圍下黃土壓縮性指標平均值

據試驗結果，固原馬蘭黃土的天然狀態下的壓縮系數值在0.02～1.27 MPa-1，平均值為0.30 MPa-1；壓縮模量（Es）在1.7～39.7 MPa，平均值為11.0 MPa，可以看出兩者變異性均較大。

試驗結果表明，在天然含水量狀態下馬蘭黃土的壓縮性具有如下特點：

（1）黃土結構強度相對較弱，其壓縮系數總體上隨壓力的增高而減少，見表2，而在中間（400～500 kPa）一度出現增大現象，以后基本趨于下降。

（2）不同埋深原狀土的壓縮系數差別較大，如圖6所示。在深度8.0 m以上的黃土壓縮系數多超過0.5，具較高的壓縮性；深度8 m以下的黃土壓縮系數一般在0.02～0.2，壓縮性較低。

圖6 黃土壓縮系數隨深度變化

（3）含水量對于黏性土壓縮性具重要影響，通常情況下隨著含水量增高壓縮性相應增大，但是本次天然試樣的含水率與壓縮系數相關性不強，而土樣飽和度Sr與壓縮性卻出現了相反情形，即隨著飽和度增高壓縮系數卻反而降低，如圖7所示。經初步分析發現，隨著土的埋深增加飽和度也逐漸增大，黃土已在自重作用下部分完成壓縮變形及濕陷變形，而壓縮性隨著埋深逐漸降低。

圖7 黃土飽和度與壓縮系數相關曲線

2.4 抗剪強度

本次試驗對于原狀土進行了直剪試驗，土樣采取深度為2.0～50.0 m，試樣剪切方式為天然快剪、飽和快剪和天然慢剪，試驗成果見表3。

表3 黃土直剪試驗統計結果

據試驗結果分析發現，原狀馬蘭黃土的抗剪強度具有如下特點：

（1）與天然狀態相比，飽和狀態的黃土黏聚力顯著減小，而對內摩擦角的影響不大；天然狀態下，與快剪相比，慢剪時的黏聚力明顯提高，而對內摩擦角的影響不明顯。

（2）在天然狀態下，含水量的變化對抗剪強度具有一定的影響，主要表現為：隨著含水量增高，內摩擦角呈現降低趨勢，如圖8所示。

圖8 黃土內摩擦角隨含水率變化趨勢

2.5 濕陷性

通過試驗統計，不同壓力下濕陷系數δs平均值變化曲線如圖9所示，不同壓力下黃土濕陷變形系數見表4。

圖9 黃土壓力與濕陷系數關系曲線

表4 黃土濕陷系數

試驗結果表明，馬蘭黃土的濕陷性具有如下特點：

（1）黃土濕陷系數先是隨壓力的增高而增大，在500 kPa附近出現最大值，以后趨于下降。

（2）在200 kPa壓力下，黃土的濕陷系數在0.001～0.155，平均值為0.023，濕陷性表現為輕微—強烈。在埋藏深度8.0 m以內的黃土濕陷系數平均值超過0.015，黃土具有濕陷性，且埋深5 m范圍內具有較強的濕陷性，如圖10所示。當埋藏深度超過10 m以后，濕陷系數平均值均小于0.015，按相關標準屬于非濕陷性黃土。

圖10 不同深度的黃土濕陷系數

（3）黃土孔隙比與濕陷系數具有一定相關性，孔隙比大濕陷系數也大，孔隙比小濕陷系數也小，如圖11所示。

圖11 黃土孔隙比與濕陷系數關系曲線

另據中莊水庫壩址黃土的濕陷程度試驗結果，從地表至埋深28.3 m范圍內，黃土的濕陷程度均表現為自重濕陷，且厚度越大自重壓力越高，濕陷程度也越嚴重，因此原狀黃土層不可直接作為壩基或壩肩利用。

3 人工制備黃土的物理力學性質

3.1 重塑黃土壓縮試驗

根據工程需要，為了查明土體沉降變形特性，以設計最大干密度乘0.98的壓實系數制備黃土試樣，分別在最優含水率與飽和狀態、分級荷載應力作用下進行壓縮試驗。按最優含水率制備重塑土的壓縮試驗成果見表5，飽和狀態重塑土的試驗成果見表6。

表5 非飽和（最優含水率）狀態重塑黃土壓縮試驗結果

表6 飽和狀態重塑黃土壓縮試驗結果

據試驗結果分析發現，重塑黃土的壓縮性具有如下特點：

（1）非飽和試樣在100～200 kPa壓力范圍下壓縮系數值在0.056～0.157 MPa-1，平均值為0.10 MPa-1，表現為較低的壓縮性，其變異系數為0.003，變異性很小；而壓縮模量在6.03～20.0 MPa，平均值為8.9 MPa，其變異系數為0.42，變異性很大。

（2）飽和試樣在100～200 kPa壓力范圍下的壓縮系數值在0.073～0.259 MPa-1，平均值為0.15 MPa-1，屬低—中壓縮性；而壓縮模量在3.87～21.9 MPa，平均值為7.0 MPa。兩者變異系數分別為0.4和0.67，變異性均很大。

（3）將非飽和試樣和飽和試樣的壓縮系數進行對比，看得出重塑黃土飽和試樣的壓縮性略有提高，但兩者之間的差值較小。

（4）與原狀土的壓縮性相比，按0.98的壓實系數制備的重塑黃土的壓縮性顯著降低，壓實效果明顯。

3.2 重塑黃土強度特性

選取庫區附近黃土，對不同密實度和飽和度的重塑黃土進行了強度特性試驗。

3.2.1 重塑黃土飽和、非飽和試樣的抗剪強度

試驗采用三軸儀測定重塑黃土的抗剪強度。根據工程特點，分別對非飽和試樣和飽和試樣采用固結不排水剪切試驗。試樣是在設計最大干密度乘0.98的壓實系數制備的。

通過三軸試驗所得中莊水庫重塑黃土的抗剪強度指標，見表7。圖12為黃土飽和試樣和非飽和試樣的三軸剪切強度包線。

表7 重塑黃土抗剪強度指標統計

據試驗結果分析，可以得出以下結論：

（1）重塑黃土試樣在剪切過程中，主應力差σ1-σ3均隨著圍壓σ3的增加而增加。非飽和試樣的Фcu值為24o～30o，Ccu值為37.1～78.7 kPa；飽和試樣的Фcu值為20o～26.5o，Ccu值為17.6～55.2 kPa。與原狀黃土相比，抗剪強度指標均明顯提高。

圖12 重塑黃土飽和、非飽和試樣三軸剪切強度包線

（2）試驗結果表明，含水量對黏聚力有很大的影響，與非飽和試樣相比，多數飽和試樣的黏聚力下降了29%～77%。而含水量對內摩擦角的影響相對較小，飽和試樣的內摩擦角比非飽和試樣僅下降了2%～26%。

3.2.2 壓實度對重塑黃土抗剪強度的影響程度及趨勢

試驗中的壓實系數η分別選取為0.98、0.95、0.92、0.89，采用飽和土試樣，以模擬水庫蓄水后壩體填土含水量狀態。三軸試驗中的圍壓為100、200、300、400 kPa，主應力差為試件破壞時的值。

通過試驗所得飽和重塑黃土的抗剪強度指標見表8，土體的峰值強度與壓實系數的關系曲線如圖13所示。

表8 不同密度下飽和土抗剪強度指標

從試驗結果，可以得出以下結論：

（1）密實度較高的重塑黃土在飽和狀態下仍具有較高的抗剪強度指標，而密實度較低時飽和重塑黃土抗剪強度指標顯著降低。

圖13 重塑黃土飽和試樣峰值強度與壓實系數關系曲線

（2）重塑黃土的水穩性較差，不同密實度的黃土遇水后軟化程度不同，壓實系數越低軟化現象越嚴重，尤其是壓實系數較低的重塑黃土極易變形破壞。

4 壩身填筑土檢驗

中莊水庫壩體填筑設計要求為：分層碾壓，每層填筑厚度為0.3 m，碾壓后的壓實度達到98%。施工期間對壩體填筑質量進行了檢測，壩體土物理力學性質、濕陷及滲透試驗成果見表9。

表9 壩身土物理力學性質指標

從壩身土主要物理力學指標與原狀土的指標對比看，壩身土的工程性能明顯得到改善。壩身土平均壓縮系數為0.076，屬低壓縮性土；在200和300 kPa壓力下濕陷系數平均值都是0.003，可以說因黃土濕陷性產生的不良影響已基本消除；原狀黃土多屬弱透水，部分微透水，而填筑壩身土的平均滲透系數為6.6×10-6，大部分呈現微透水性，且抗滲透破壞性能也得到改善。

5 結語

（1）固原馬蘭黃土對水的敏感性強，力學強度較低，具濕陷性和較高壓縮性。均質土壩工程中由于其濕陷變形大等不良工程特性，原狀黃土層不宜直接作為壩基、壩肩和壩體使用。

（2）原狀黃土的含水量對其強度指標的影響很大，飽和狀態土體的力學強度會急劇降低。

（3）與原狀土相比，按設計壓實度制備的試樣壓縮性顯著降低，且重塑土非飽和試樣和飽和試樣之間的壓縮系數差值較小，飽和試樣的壓縮性略高。

（4）按設計壓實度制備的非飽和試樣和飽和試樣與原狀黃土相比，抗剪強度指標均明顯提高；在飽和狀態下，密實度較高的重塑黃土仍具有較高的抗剪強度，而密實度較低時其抗剪強度指標顯著降低，水穩性很差，其強度難以維持堤壩結構穩定性。

（5）寧夏南部是我國黃土最集中的地區之一，許多水利工程遇到黃土應用和處理問題。在均質壩工程設計和建設中針對黃土不良工程特性及變化因素，采取行之有效的處理措施，黃土可作為均質壩填筑料，能夠消除或抑制其產生對大壩工程不利的變形影響，以保證工程的長期穩定和安全運行。

[1]王永焱，林在貫.中國黃土的結構特征及物理力學性質[M].北京：科學出版社，1990.

[2]林在貫，高大釗，顧寶和，等.巖土工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，1994.

[3]劉東生，張宗祜.中國黃土[J].地質學報，1962，42（3）：1-14.

TV41；TU411.6

：A

：1004-7328（2017）01-0042-06

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.01.013

2016—11—18

李明福（1958—），男，高級工程師，主要從事水利水電工程地質勘察工作。