論南水北調穿黃工程低液限粘土三軸剪切試驗

葛明明 杜 冰

0 引言

南水北調中線穿黃工程位于鄭州市以西約30 km的孤柏灣處。該工程為Ⅰ等工程,其主要建筑物穿黃隧洞及其進出口、退水閘(洞)、南岸連接渠道、北岸明渠和新老蟒河倒虹吸及其他交叉建筑物等為1級建筑物。穿黃主體建筑物(含隧洞及其進出口建筑物)設計洪水標準為300年一遇,校核洪水標準為1000年一遇,主要建筑物地震設計烈度為7度,因此,穿黃工程的設計和施工責任重大。為了查明穿黃工程南岸黃土(低液限粘土)本身的工程性質,研究不同工況下黃土邊坡的穩定性,并為后續渠道開挖方案的確定提供設計和施工依據,迫切需要了解該區黃土的力學指標。

1 試驗原理和試驗目的

三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度的一種方法,它通常用3個～4個圓柱形試樣,分別在不同恒定周圍壓力(即小主應力σ3)下施加軸向壓力(即產生主應力差(σ1-σ3))至土樣剪切破壞,然后根據摩爾—庫侖理論,求得抗剪強度參數c,φ。摩爾—庫侖破壞準則表達式為:

其中,σ1,σ3分別為大、小主應力,kPa;c為土的凝聚力,kPa;φ為土的內摩擦角,(°)。

本文借助室內三軸壓縮儀對南水北調穿黃工程南岸低液限粘土進行了不固結不排水(UU)和固結排水(CD)三軸剪切試驗,其主要試驗目的是為了獲得該地區低液限粘土不固結不排水抗剪強度參數cu,φu和固結排水抗剪強度參數cd,φd。通過對抗剪強度參數的特殊統計計算得出統計抗剪強度指標作為設計、施工參數,為穿黃工程的設計和施工提供了依據。

2 試樣的制備與試驗方案

原狀土樣均取自穿黃工程三個地點(9①,9夾,9②)的低液限粘土,具體位置見圖1。土樣制備嚴格按水利部頒布的SL 237-028-1999土工試驗規程[6]執行。論文依據排水情況的不同,取具有典型代表的9②土樣進行不固結不排水剪切(快剪)及固結排水剪切(慢剪)試驗,測得不同試驗方法的抗剪強度參數,即不固結不排水剪切試驗的抗剪強度參數 cu,φu和固結排水剪切試驗的有效抗剪強度參數cd,φd。9②土樣的物理參數見表1。

表1 9②土樣的物理性質指標

3 試驗成果及分析

對9②地點采集的土樣分別進行三軸不固結不排水試驗(UU)和固結排水試驗(CD),對每個高程下的土體制作兩個試樣。三軸試驗的強度參數一般不宜簡單的采用各試樣強度參數的算術平均值,故以各級圍壓下的(σ1+σ3)f/2的平均值作為圓心,(σ1-σ3)f/2的平均值作為半徑來繪制強度包線,從而求出土體抗剪強度參數c,φ。9②地點土樣三軸試驗成果見表2。

表2 9②三軸剪切試驗成果

從表2中可以看出,9②點處三軸不固結不排水(UU)試驗的抗剪強度參數cu,φu范圍值分別為31.00 kPa～87.00 kPa,13.6°～23.5°。固結排水(CD)試驗的有效抗剪強度參數 cd,φd范圍值分別為14.00 kPa～24.00 kPa,26.5°～27.3°。統計三軸不固結不排水試驗所得到的抗剪強度參數 cu,φu分別為50.30 kPa,16.1°,統計有效抗剪強度參數 cd,φd分別為17.54 kPa,26.9°。

4 結語

1)在進行土的不固結不排水三軸剪切試驗時,對于飽和粘土,通常認為在不固結不排水條件下,由于土體體積不發生改變,圍壓的變化被孔隙水壓力的變化所抵消,試件的有效應力保持不變,故強度包絡線為水平直線,即抗剪強度參數φ為零。但對于非飽和的低液限粘土通常具有一定的φ值。其原因是在不飽和的低液限粘土進行不固結不排水試驗時,由于圍壓的作用導致土樣孔隙率減小,強度增加。當圍壓加到一定程度時,土樣接近飽和狀態,強度包絡線趨于水平,土體抗剪強度不再增加。2)室內三軸試驗表明,南水北調穿黃工程南岸低液限粘土的cu,φu統計值范圍分別為 21.13 kPa～ 50.30 kPa,16.1°～ 26.7°;cd,φd統計值范圍分別為13.44 kPa～17.54 kPa,27.4°～28.2°;土層 9②的cu值最大為50.30 kPa,φu最小為 16.1°。3)由于土體在不同的排水條件下受荷剪切,土體的抗剪強度參數有很大的差別,因此,采用三軸剪切試驗結果作為設計、施工參數時,應充分考慮地基土的滲透性、排水條件及不同工況,采用合理的抗剪強度指標。

[1]張品萃,胥建華.土三軸壓縮試驗試驗方法的對比探討[J].地質災害與環境保護,2003,14(1):60-67.

[2]楊 同,徐 川,王寶學,等.巖土三軸試驗中的粘聚力與內摩擦角[J].中國礦業,2007,16(12):104-107.

[3]楊金鐘,王艷宏.天津市上部地基土三軸剪切試驗強度的研究[J].天津理工大學學報,2005,21(3):86-88.

[4]李蘇春,蔣 剛.南京地區粉土的不排水三軸壓縮試驗[J].南京工業大學學報,2007,29(2):40-44.

[5]朱志鐸,劉松玉,邵光輝,等.粉土及其穩定土的三軸試驗研究[J].巖土力學,2005,26(12):1967-1970.

[6]SL 237-028-1999,土工試驗規程[S].