含水率和壓實度對筑壩土抗剪強度的影響研究
——以王慶坨水庫為例

楊麗萍，張偉鵬，程 強

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.天津市引灤工程黎河管理處，河北 遵化 064200；3.天津市水利科學研究院，天津 300061）

王慶坨水庫位于天津市武清區王慶坨鎮西部，是南水北調中線一期工程天津干線的配套工程，是天津市的在線調節水庫和備用水庫，總庫容2 000萬m3，擔負著干線事故備用任務。

抗剪強度是土體的一個重要力學性能指標，在計算承載力、評價土體穩定性時均會涉及。在土壩碾壓施工中，工程所關心的問題是筑壩土的承載能力與穩定性，而壩體的承載能力及穩定性是通過平碾或羊角碾碾壓來實現的，不同的含水率、壓實度會產生不同的壩體承載力及穩定性。鑒于王慶坨水庫的重要性，其失事后將對天津的供水和防洪安全造成巨大影響，需要在圍壩碾壓施工中嚴格控制質量，確保水庫大壩的安全。因此，在王慶坨水庫土壩碾壓施工中研究含水率、壓實度對土體抗剪強度的影響具有重要意義。

1 試驗準備

1.1 筑壩土材料

在調查的基礎上，根據料場土空間分布對庫區土取樣3組，分別代表王慶坨水庫0～2 200、2 200～4 400、4 400～6 500 m的筑壩土樣。由于取樣點均位于農田內，取土時先將表層30 cm厚的土體去除，取表層以下30 cm的粉土，然后用四分法取樣；每個取樣點取土200 kg，3個點共600 kg，將各組的土樣充分混合后，取足夠的土樣過5 mm篩，進行輕型擊實試驗，得到混合土樣的最大干密度和最優含水率，詳見表1。

表1 混合土樣輕型擊實試驗結果

1.2 試樣制備

將土樣風干、碾碎、過2 mm篩后，配制成目標含水率為最優含水率-2%、最優含水率-1%、最優含水率、最優含水率+1%、最優含水率+2%、最優含水率+3%的6種土料，在每種含水率下制備壓實度為98%、99%、100%3種試樣分別進行三軸試驗。試驗前一天進行備料，悶料時間大于8 h，試樣采用壓實法制備，具體方法按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123）進行。

1.3 三軸壓縮試驗

室內一般通過直接剪切試驗或三軸壓縮試驗獲取抗剪強度指標（黏聚力C、內摩擦角ψ），直接剪切試驗剪切面限定在上下盒之間的平面，而不是沿土樣最薄弱的面剪切破壞，且剪切面上剪應力分布不均勻，不能嚴格地控制排水，試驗結果不夠準確；而三軸壓縮試驗能夠嚴格控制排水且破壞面在最薄弱處，能夠較準確地模擬現場實際情況，結果比較準確，所以本次試驗采用三軸壓縮試驗。

試驗設備采用TSZ-3型應變控制式三軸儀，實現了全自動數據采集。試樣為直徑61.8mm、高125mm的圓柱體試件，試驗采用固結不排水的方式，土樣在施加圍壓作用下排水固結達到穩定，然后在不排水的條件下進行剪切試驗。

2 三軸壓縮試驗結果及分析

2.1 筑壩土黏聚力變化規律

按照上述試驗方法分別測定了15.2%、16.2%、17.2%（最優含水率）、18.2%、19.2%、20.2%6種含水率下98%、99%、100%3種壓實度的抗剪強度指標。

為了能較好地反映黏聚力與含水率、壓實度之間的關系，繪制了黏聚力隨含水率變化和隨壓實度變化的曲線，如圖1—2所示。

圖1 黏聚力隨含水率變化規律

圖2 黏聚力隨壓實度變化規律

從圖1可以看出，在相同壓實度條件下，黏聚力峰值出現在最優含水率附近，當含水率小于最優含水率時黏聚力隨著含水率的增加而增加，當含水率大于最優含水率時黏聚力隨含水率的增加而迅速降低；含水率小于最優含水率時的黏聚力增加速度要小于含水率大于最優含水率時的黏聚力降低速度，以壓實度K=98%為例，含水率從15.2%增加到17.2%時黏聚力從32.28 kPa增加到38.64 kPa，而含水率從17.2%增加到19.2%時黏聚力從38.64 kPa降低到21.99 kPa。由此可見，在最優含水率附近，同樣的含水率偏移量負偏移15.2%土樣的黏聚力要大于正偏移19.2%土樣的黏聚力。

從圖2可以看出，在相同含水率下，黏聚力隨著壓實度的增加呈減小趨勢，這是由于對于砂土或粉土來說，影響內摩擦角的主要因素是初始孔隙比，初始孔隙比越小（即土越緊密）則內摩擦角越大，反之則內摩擦角越小，在內摩擦角增大的同時黏聚力就會降低。對比6種不同含水率下的C-K曲線，同一壓實度下，最優含水率時黏聚力最大；另外，在相同壓實度下，黏聚力的大小關系為17.2%的土樣＞16.2%的土樣＞15.2%的土樣＞18.2%的土樣＞19.2%的土樣＞20.2%的土樣。

2.2 筑壩土內摩擦角變化規律

內摩擦角與含水率、壓實度之間的關系，如圖3—4所示。

圖3 內摩擦角隨壓實度變化規律

圖4 內摩擦角隨含水率變化規律

從圖3可以看出，在相同含水率下，內摩擦角隨著壓實度的增大而略微增大，基本上與X軸呈平行狀態，這主要是由于土樣壓實度都特別高，壓實度的提高都是以壓碎土體顆粒為代價的，而不是土粒結合更加緊密。

從圖4可以看出，在相同壓實度下，含水率為最優含水率時內摩擦角最大。在不同壓實度條件下，內摩擦角隨含水率變化較小，以98%壓實度為例，含水率從15.2%增加到17.2%時內摩擦角從29.11°增加到33.96°，增加幅度為16%；而含水率從17.2%增加到19.2%時內摩擦角從33.96°降低到28.15°，降低幅度為17%。相比黏聚力，含水率變化對內摩擦角的影響較小，從15.2%增加到17.2%的過程中，內摩擦角僅在很小的范圍內變化，這是由于土的內摩擦角與土的顆粒結構、大小及密實程度密切相關。王慶坨水庫筑壩土屬于粉土，粗粒含量較高，含水率變化不會引起其顆粒結構、大小及密實程度的顯著變化。由此可以得出，含水率對內摩擦角的影響作用較小。

2.3 筑壩土剪切峰值的變化規律

為了更好地對比6種含水率下土體的抗剪強度，筆者以98%壓實度為例，列出了6種不同含水率在不同圍壓下（100、300 kPa）剪切峰值，詳見表2。

表2 不同圍壓不同含水率下剪切峰值kPa

從表2可以看出，在100 kPa圍壓下，剪切峰值最大值出現在最優含水率附近，15.2%的土樣剪切峰值（最大主應力與最小主應力之差）為365.63 kPa，而19.2%的土樣剪切峰值為215.60 kPa，19.2%土樣的剪切峰值總比15.2%的要小，剪切峰值的大小關系為17.2%的土樣＞16.2%的土樣＞15.2%的土樣＞18.2%的土樣＞19.2%的土樣＞20.2%的土樣，與黏聚力變化規律基本相同；在300 kPa圍壓下，剪切峰值最大值也出現在最優含水率附近，15.2%的土樣剪切峰值為545.15 kPa，而19.2%的土樣剪切峰值為445.80 kPa，其變化規律與100 kPa圍壓的變化規律相同。由此可見，在相同含水率偏移下，負偏移土樣的抗剪強度要優于正偏移土樣的抗剪強度，土樣含水率在高于最優含水率時含水率對抗剪強度的影響較大，土體敏感性大。

3 結論

（1）黏聚力隨著含水率及壓實度的變化較敏感，而對內摩擦角的影響則相對較弱。在相同初始含水率下，黏聚力隨著壓實度的增加呈減小趨勢，同一壓實度下，黏聚力峰值出現在最優含水率附近，當含水率小于最優含水率時黏聚力隨著含水率的增加而增加，當含水率大于最優含水率時黏聚力隨含水率的增加迅速降低，且含水率小于最優含水率時的黏聚力增加速度要小于含水率大于最優含水率時的黏聚力降低速度，負偏移土樣的黏聚力要大于正偏移土樣的黏聚力。

（2）同一初始含水率下，內摩擦角隨著壓實度的增大而略微增大，基本上與X軸呈平行狀態。王慶坨水庫筑壩土屬于粉土，粗粒含量較高，含水率變化不會引起其顆粒結構、大小及密實程度的顯著變化，對內摩擦角的影響較小。

（3）在相同含水率偏移下，負偏移土樣的抗剪強度要優于正偏移土樣的抗剪強度，即當含水率大于最優含水率時土體的性能變化較大，敏感性較強。

（4）根據設計文件以及室內研究成果綜合分析，建議王慶坨水庫上壩土的含水率控制在最優含水率的-2%～+1%，壓實度控制在98%以上。