论南水北调穿黄工程低液限粘土三轴剪切试验

葛明明 杜 冰

0 引言

南水北调中线穿黄工程位于郑州市以西约30 km的孤柏湾处。该工程为Ⅰ等工程,其主要建筑物穿黄隧洞及其进出口、退水闸(洞)、南岸连接渠道、北岸明渠和新老蟒河倒虹吸及其他交叉建筑物等为1级建筑物。穿黄主体建筑物(含隧洞及其进出口建筑物)设计洪水标准为300年一遇,校核洪水标准为1000年一遇,主要建筑物地震设计烈度为7度,因此,穿黄工程的设计和施工责任重大。为了查明穿黄工程南岸黄土(低液限粘土)本身的工程性质,研究不同工况下黄土边坡的稳定性,并为后续渠道开挖方案的确定提供设计和施工依据,迫切需要了解该区黄土的力学指标。

1 试验原理和试验目的

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法,它通常用3个～4个圆柱形试样,分别在不同恒定周围压力(即小主应力σ3)下施加轴向压力(即产生主应力差(σ1-σ3))至土样剪切破坏,然后根据摩尔—库仑理论,求得抗剪强度参数c,φ。摩尔—库仑破坏准则表达式为:

其中,σ1,σ3分别为大、小主应力,kPa;c为土的凝聚力,kPa;φ为土的内摩擦角,(°)。

本文借助室内三轴压缩仪对南水北调穿黄工程南岸低液限粘土进行了不固结不排水(UU)和固结排水(CD)三轴剪切试验,其主要试验目的是为了获得该地区低液限粘土不固结不排水抗剪强度参数cu,φu和固结排水抗剪强度参数cd,φd。通过对抗剪强度参数的特殊统计计算得出统计抗剪强度指标作为设计、施工参数,为穿黄工程的设计和施工提供了依据。

2 试样的制备与试验方案

原状土样均取自穿黄工程三个地点(9①,9夹,9②)的低液限粘土,具体位置见图1。土样制备严格按水利部颁布的SL 237-028-1999土工试验规程[6]执行。论文依据排水情况的不同,取具有典型代表的9②土样进行不固结不排水剪切(快剪)及固结排水剪切(慢剪)试验,测得不同试验方法的抗剪强度参数,即不固结不排水剪切试验的抗剪强度参数 cu,φu和固结排水剪切试验的有效抗剪强度参数cd,φd。9②土样的物理参数见表1。

表1 9②土样的物理性质指标

3 试验成果及分析

对9②地点采集的土样分别进行三轴不固结不排水试验(UU)和固结排水试验(CD),对每个高程下的土体制作两个试样。三轴试验的强度参数一般不宜简单的采用各试样强度参数的算术平均值,故以各级围压下的(σ1+σ3)f/2的平均值作为圆心,(σ1-σ3)f/2的平均值作为半径来绘制强度包线,从而求出土体抗剪强度参数c,φ。9②地点土样三轴试验成果见表2。

表2 9②三轴剪切试验成果

从表2中可以看出,9②点处三轴不固结不排水(UU)试验的抗剪强度参数cu,φu范围值分别为31.00 kPa～87.00 kPa,13.6°～23.5°。固结排水(CD)试验的有效抗剪强度参数 cd,φd范围值分别为14.00 kPa～24.00 kPa,26.5°～27.3°。统计三轴不固结不排水试验所得到的抗剪强度参数 cu,φu分别为50.30 kPa,16.1°,统计有效抗剪强度参数 cd,φd分别为17.54 kPa,26.9°。

4 结语

1)在进行土的不固结不排水三轴剪切试验时,对于饱和粘土,通常认为在不固结不排水条件下,由于土体体积不发生改变,围压的变化被孔隙水压力的变化所抵消,试件的有效应力保持不变,故强度包络线为水平直线,即抗剪强度参数φ为零。但对于非饱和的低液限粘土通常具有一定的φ值。其原因是在不饱和的低液限粘土进行不固结不排水试验时,由于围压的作用导致土样孔隙率减小,强度增加。当围压加到一定程度时,土样接近饱和状态,强度包络线趋于水平,土体抗剪强度不再增加。2)室内三轴试验表明,南水北调穿黄工程南岸低液限粘土的cu,φu统计值范围分别为 21.13 kPa～ 50.30 kPa,16.1°～ 26.7°;cd,φd统计值范围分别为13.44 kPa～17.54 kPa,27.4°～28.2°;土层 9②的cu值最大为50.30 kPa,φu最小为 16.1°。3)由于土体在不同的排水条件下受荷剪切,土体的抗剪强度参数有很大的差别,因此,采用三轴剪切试验结果作为设计、施工参数时,应充分考虑地基土的渗透性、排水条件及不同工况,采用合理的抗剪强度指标。

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[6]SL 237-028-1999,土工试验规程[S].