昔格达土加筋三七灰土物理力学性质试验研究

张世贤，黄双华，彭雄志

(1.攀枝花学院土木工程学院，四川攀枝花 617000;2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610017)

依据攀枝花学院的总体规划，拟在学校图书馆(1230平台)和学校田径运动场(1197平台)之间修建一加筋(竹筋)土拱坝，拱坝高约40 m(含基础)，拱坝顶面弧长约180 m，位于攀枝花市公园后山与攀枝花学院之间的山谷地带。加筋(竹筋)土拱坝拟建处的坝背面全部是未经碾压的新填土，填土厚度约达40 m。如何解决这两个平台间的挡土问题，成了实现学校总体规划的关键问题。

经过多次考察、论证，课题组决定采用圆弧形加筋(竹筋)土拱坝挡土方案来解决两个平台间的挡土问题。但现场的土基本为昔格达土，力学性能较差，属湿陷性黄土。从节约建设投资出发，首选的是就地取材，采用昔格达土和当地盛产的凤尾竹来筑土拱坝，但国内外还没有用此材料筑如此高坝的先例。从安全出发必须先对竹筋、昔格达土及其复合土进行试验研究，充分了解其物理力学性质。

根据课题组研究计划，选取了昔格达重塑土、加筋重塑土、三七灰土和加筋(竹筋)三七灰土试样进行室内基本物理力学性质试验。

这些室内基本物理性质试验包括:天然含水率试验、界限含水率试验、密度试验、颗粒相对密度试验和击实试验。

室内力学性质试验包括:三轴压缩试验，固结试验。本次试验研究是以三轴试验及固结试验结果作为土样性能的主要评价指标，其余力学指标作为参考。具体试验内容见表1。本次试验以《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)为基本依据。

表1 试验内容和主要试验仪器

1 含水率试验

试验采用主要仪器为电热干燥箱。试验目的是测定重塑土及加筋三七灰土的含水率。其中重塑土和三七灰土是根据击实试验得出的最优含水率。含水率试验数据见表2。

2 密度试验

本次试验采用蜡封法，试验目的是测定原状土的密度，密度试验数据见表3。

表2 重塑土含水率数据

表3 原状土密度试验数据

3 液限、塑限试验

试验目的是测定重塑土及三七灰土的液限、塑限。取通过0.5 mm筛的代表性风干土样，分成3份，分别加入不同数量的纯水调成均匀土膏，密实地填入试样杯中并刮平，放在光电式液塑限联合测定仪上进行试验，记录圆锥下沉深度并测定含水率。以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标，绘制关系曲线，三点连成一直线如图1、图2。取圆锥下沉深度为17 mm所对应的含水率为液限，下沉深度为2 mm所对应的含水率为塑限，并采用搓条法塑限试验进行复核，测试结果见表4。

图1 重塑土圆锥下沉深度与含水率关系曲线

图2 加筋三七灰土圆锥下沉深度与含水率关系曲线

表4 液限、塑限联合测定法测定数据

4 击实试验

试验采用重型击实仪，重型击实试验单位体积击实功约为2 700 kJ/m3，测试结果见表5。

表5 重型击实试验标准技术参数

最优含水率与击实功有密切关系，击实功越大，最优含水率和最大干密度也越大。由于本次试验采用重型击实仪试验，因此最优含水率应该偏大。

用击实试验确定最优含水率。试验将准备好的加筋三七灰土试料分成了5份，每份5 kg，各份含水率在最优含水率附近。通过击实试验分别得出不同的含水率和干密度后，绘图确定最大干密度和最优含水率。干密度与含水率关系曲线如图3、图4。试验数据见表6和表7。

取最大干密度所对应的湿密度值计算重塑土的重度，重塑土的重度γ=ρdg=1.878×9.8=18.4 kN/m3。

取最大干密度所对应的湿密度值计算三七灰土的重度，三七灰土的重度γ=ρdg=1.963×9.8=19.2 kN/m3。

图3 重塑土ρd—ω关系曲线

图4 三七灰土ρd—ω关系曲线

表6 重塑土击实试验数据

表7 三七灰土击实试验数据

5 颗粒相对密度试验

本次试验目的是测定土的颗粒相对密度，试验采用量瓶法。试验数据见表8。

表8 颗粒相对密度试验数据

6 固结试验

试验目的是测定土的压缩系数av，压缩模量Es。本次试验采用标准固结试验，加压等级为100，200，300，400 kPa。固结模型试验配筋平面图如图5所示，试验结果见表9。

图5 固结模型试验配筋平面图(单位:mm)

压缩系数是评价土压缩性高低的重要指标之一，它不是一个常数，因此，试验取工程实践中常采用的压力间隔由p1=100 kPa增加到p2=200 kPa时所得的压缩系数a1－2评定土的压缩性高低。

由表9可以看出，三七灰土及加筋三七灰土的压缩系数都＜0.1 MPa－1，属低压缩性土。当昔格达土中加入石灰和竹筋后，压缩系数显著下降。压缩模量又是土的压缩性指标的又一个表达形式，压缩模量与压缩系数成反比，当Es愈大，土的压缩性就会越低。

7 三轴试验

结合工程实际情况，试验采用不固结不排水剪切(UU)试验方法。试验时分别在100～400 kPa围压下，逐渐增加轴向压力，使试样内部产生剪应力直到试样破坏。不固结不排水剪切试验结果如表10所示。重塑土和加筋重塑土强度包络线见图6和图7。

以下是本次三轴试验7 d强度和28 d强度，见表11。

8 试验成果

依据课题要求，试验分别对昔格达重塑土，加筋重塑土，三七灰土及加筋三七灰土试样等四类土样进行

表9 标准固结试验结果(7 d强度)

表10 不固结不排水剪切试验结果(7 d强度)

图6 重塑土强度包络线

图7 加筋重塑土强度包络线

强度对比了天然含水率试验，密度试验，击实试验，颗粒相对密度试验，界限含水率试验，固结试验，三轴压缩试验等七类室内基本物理力学性质试验。经过试验，相关结果分析汇总如表12所示。

表11

9 结论

本试验采用攀西地区盛产的天然竹材作为拉筋材料，并对本地区广泛分布的“昔格达土”开展了加筋(竹筋)复合土(三七灰土)的三轴土工试验研究，经查新，属国内国际创新，填补了加筋土试验研究的空白，进一步丰富了加筋土力学特性研究的内容。三轴压缩试验结果表明:重塑土(昔格达土)的CU值、φU值较低，物理力学性质较差，但是重塑土(昔格达土)中加入石灰和竹筋进行复合后CU值、φU值均有较大程度的提高，物理力学性能大为改善。从破坏特点来说:重塑土(昔格达土)和三七灰土试样呈脆性破坏，并且破坏试样存在明显的剪切破坏面;加筋重塑土(昔格达土)和加筋三七灰土试样均略呈现塑性破坏。在以上试验研究的基础上，课题组在攀枝花学院修建了坝高约40 m(含基础)，拱坝顶面弧长约180 m的圆弧形加筋(竹筋)土拱坝，解决了学校的规划建设难题。加筋(竹筋)土坝实际应用近10年，效果良好，安全可靠，而且与同等支护高度和长度的其它支护结构相比较，造价仅为其30%左右，经济效益十分显著;并且本课题被攀枝花市列为重大科技攻关项目。这一研究成果对广大山区和“昔格达土”地区修建公路加筋(竹筋)土拱坝、高挡墙等土工构筑物提供了成功的范例，具有广泛的指导意义。

表12 试验成果一览

［1］韩晓雷，郅彬．灰土强度影响因素研究［J］．岩土工程学报，2002(6):32-34．

［2］伊书杰，杨运贵．旧城改造中的地基夯扩桩加固［J］．铁道建筑，2000(6):37-38．

［3］李广信．高等土力学［M］．北京:清华大学出版社，2004:3-10，138．

［4］龚晓南．土力学［M］．北京:中国建筑工业出版社，2002:77-82．

［5］姚仰平．土力学［M］．北京:高等教育出版社，2004:3-10．

［6］钱鸿缙．湿陷性黄土地基［M］．北京:中国建筑工业出版社，1985:39-60．

［7］裴章勤，刘卫东．湿陷性黄土地基处理［M］．北京:中国铁道出版社，1992:287-289．