鳳亭河水庫大壩土工物理力學性能試驗分析

熊 灣，黃小兵

（廣西壯族自治區水利科學研究院 廣西水工程材料與結構重點實驗室，南寧 530023）

1 工程概況

鳳亭河水庫位于廣西南寧市良慶區大塘鎮和上思縣東屏鄉境內，建于1958 年，大壩為碾壓式均質土壩，總庫容約5.07億m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發電、養殖、供水、旅游等綜合功能的大（2）型水庫。水庫庫區內植被良好、無污染源，水質較好，是南寧市城市備用飲用水主要供水水源之一。

2 試驗方法

按《土工試驗規程》（SL237-1999）對鳳亭河水庫大壩45 組原狀土樣進行土工試驗，試驗項目包括：含水率、密度、土粒比重、界限含水率、固結試驗、飽和固結快剪、三軸固結不排水剪、三軸固結不排水剪測孔壓、滲透系數、顆粒分析試驗。

2.1 含水率試驗

室內含水率試驗采用烘干法，溫度控制在105～110οC下烘到恒溫，烘干時間對黏土不少于8 h；進行2次平行測定，取其算術平均值，允許差值應符合含水率測定的允許平行差值（見表1），稱量準確至0.01 g。

表1 含水率測定的允許平行差值 %

2.2 密度試驗

采用環刀法，計算密度準確至0.01 g/cm3，本實驗需進行2次平行測定，取其平均值，其平行差值不得大于0.03 g/cm3。

2.3 比重試驗

采用比重瓶法，比重瓶（短頸，容積為100 ml），計算至0.001，進行2 次平行測定，其平行差值不得大于0.02，取其算術平均值。同時用溫度計測定瓶的水溫，準確至0.1℃。

2.4 界限含水率

界限含水率試驗采用液、塑限聯合測定法，儀器為數顯式土壤液塑限聯合測定儀（圓錐質量為76 g，錐角為30°，見圖1）；液塑限聯合測定應不少于3點，數據處理：以所測得的含水率為橫坐標，圓錐下沉入土深度為縱坐標，在雙對數坐標紙上繪制出關系曲線，3個點應在同一直線（見圖2）。從圖2可查得下沉深度為17 mm相對應的含水率為液限，查得所對應下沉深度為2 mm 的含水率為塑限，用百分數表示，準確至0.1%。

圖1 數顯式土壤液塑限聯合測定儀

圖2 圓錐下沉深度與含水率關系圖

2.5 固結試驗

固結試驗，又稱壓縮試驗，試驗方法有常規固結試驗、快速固結試驗、高壓固結試驗和連續加荷試驗，本次試驗采用快速固結試驗，試樣在各級壓力下的固結試驗時間為1 h，試驗除在最后一級壓力下記錄1 h的測表讀數外，待試驗穩定后，還應記錄壓縮穩定時的測表讀數。穩定標準為每小時讀數變化不大于0.005 mm。本試驗儀器采用全自動固結儀（見圖3）。

圖3 全部自動固結儀

2.6 三軸壓縮試驗

固結不排水剪和固結不排水測孔壓試驗，試樣應先在設定的某一周圍壓力作用下進行排水固結，逐漸增大軸向壓力，然后在保持不排水的情況下，直至破壞，據此可做出一個極限應力圓。儀器采用TSZ-2 全部自動三軸儀（見圖4），不同試驗方法的剪切應變速率按表2規定選擇。

圖4 TSZ-2全部自動三軸儀

表2 剪切應變速率表

2.7 滲透試驗

采用變水頭滲透試驗，儀器為TST-55 型滲透儀（見圖5），把以切好的土樣安裝好后，聯通裝有試樣的滲透容器與水頭裝置，通過利用供水瓶中的水充滿進水管，并注入滲透容器內（見圖6），在一定水頭的作用下靜置一段時間，等待出水口有水溢出后，開始用秒表計時進行試驗測定。

圖5 TST-55型滲透儀

圖6 滲透容器與水頭裝置

2.8 顆粒分析試驗

試驗采用篩析法及密度計法，儀器采用甲種密度計和量筒。甲種密度計：單位刻度以攝氏20℃時每1000 ml 懸液內所含土質量的克數表示，顯示刻度為-5～50，分度值為0.5；量筒：量筒高約45 cm，直徑約6 cm，容積1000 ml，刻度為0～1000 ml，分度值10 ml。

3 試驗結果分析

3.1 顆粒分析

對45 組顆粒分析結果進行統計（見圖7），結果顯示：碎石含量為0，礫粒為6.9%，砂礫為30.7%，粉粒為31.8%，黏粒為30.5%。大壩為均質土壩，45組土樣總體為褐色黏性土，含砂，少部分含風化石。

圖7 顆粒分析曲線圖

3.2 滲透試驗系數

對45組變水頭試驗（垂直方向）數據進行分析，結果表明：滲透系數范圍基本在10-4～10-6cm/s 之間，深度的變化與滲透系數關聯不大，與含水率關系較密切，當含水率大于20%時滲透系數大多數在10-4～10-5cm/s范圍。

3.3 物理力學性能指標分析

根據45組土樣試驗結果，對各物理力學性能指標進行統計，結果見表3。

表3 物理力學性能指標統計結果

3.4 深度與各物理力學性能指標的關系

根據45組土工試驗數據成果，繪制深度與各物理力學性能指標的相關關系圖（見圖8～圖19）。

（1）從圖8～圖10 可以看出，比重、濕密度、干密度隨深度變化不大，比重范圍在2.70～2.80 之間，濕密度在1.90 ～2.10 g/cm3之間，干密度基本上在1.50～1.80 g/cm3之間。

（2）從圖11～圖15 可以看出，深度與含水率、液限、塑限、液性指數之間關系不是很明顯，飽和度大部分在80%以上，含水率大部分在15%～25%之間，液性指數在-0.13～0.54 之間，平均值為0.16，大部分在0～0.25之間，呈硬塑狀態較多。

（3）從圖16～圖19 可以看出，深度與粘聚力、內摩擦角、壓縮系數之間關系不是很明顯，變化范圍比較大；深度與壓縮模量之間關系則有一定的規律，隨著深度增加，壓縮模量存在上升趨勢，說明深度增加，土質變硬。

圖8 深度與比重關系圖

圖9 深度與濕密度關系圖

圖10 深度與干密度關系圖

圖11 深度與含水率關系圖

圖12 深度與液限關系圖

圖13 深度與塑限關系圖

圖14 深度與液性指數關系圖

圖15 深度與飽和度關系圖

圖16 深度與粘聚力關系圖

圖17 深度與內摩擦角關系圖

圖18 深度與壓縮系數關系圖

圖19 深度與壓縮模量關系圖

3.5 各物理力學性能指標間的關系

根據45組土工試驗數據成果，繪制各物理力學性能指標間的相關關系圖。

（1）含水率與孔隙比呈正相關線性關系（見圖20），液限與塑性指數也是正相關線性關系（見圖21），含水率與干密度呈負相關線性關系（見圖22），線性關系均良好。

（2）從含水率與液性指數關系圖（見圖23）可以看出，隨著含水率變大，液性指數總體上是變大。

（3）粘聚力與壓縮模量之間關系不是很明顯（見圖24）；內摩擦角與壓縮模量關系圖見圖25，隨著內摩擦角增大，壓縮模量呈增大趨勢。

（4）含水率與粘聚力關系圖見圖26、含水率與內摩擦角關系圖見圖27，含水率與壓縮模量關系圖見圖28，從圖26～圖28可以看出，隨著含水量的增大，粘聚力、內摩擦角和壓縮模量總體上呈下降趨勢。

圖20 含水率與孔隙比關系圖

圖21 液限與塑性指數關系圖

圖22 含水率與干密度關系圖

圖23 含水率與液性指數關系圖

圖24 粘聚力與壓縮模量關系圖

圖25 內摩擦角與壓縮模量關系圖

圖26 含水率與粘聚力關系圖

圖27 含水率與內摩擦角力關系圖

圖28 含水率與壓縮模量關系圖

4 結語

在各類巖土工程設計勘察工作中，土工試驗是比較重要的一個環節，通過土工試驗，了解工程土體相關的物理力學性能指標，為設計提供依據。