乐滩水库引水灌区二期工程土工物理力学性能试验分析

吴俣萍，黄小兵

（广西水利科学研究院 广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023）

0 引言

桂中旱片是广西三大旱片之一，属典型的干旱区，春秋季节旱灾频发，区内岩溶发育、土层薄、保水性差，水利基础设施薄弱，缺水骨干水源工程，导致灌区灌溉保证率较低，秋冬季节乡镇供水和农村人畜饮水较为困难。解决桂中旱片的干旱缺水问题一直是广西水利工作的重要任务之一。乐滩水库引水灌区二期工程于2014 年列为国务院部署加快推进的172 项节水供水重大水利工程之一，概算总投资30.38亿元，设计引水流量34 m3/s，建设内容包括3条干渠和19条支渠，以及隧洞、渡槽、闸门等附属建筑物，其中干渠总长121 km，支渠总长166 km。该工程所在区域工程地质条件复杂，土质多变。本文通过常规土工物理力学性能试验，并分析土的常规指标特点及相互指标间的相关性，为桂中治旱乐滩水库引水灌区二期工程的设计提供依据。

1 土的常规物理性能指标分析

1.1 土的密度、比重、含水率

土的物理性能指标多，其中土的密度、比重、含水率是最基础的3 个指标。通过测定土的密度，可有效地了解土的疏密状态；比重则是划分土颗粒、土中水和土中气各自体积占比的重要依据；而测定土的含水率，可充分了解土的工程特性。在这3 个基础指标中，比重数值是相对稳定的，它取决于土的矿物成分，同一地区同一类型土的比重基本相同，可按经验值选用；土的含水率则是3个指标中最不稳定的，不同的土含水率可能不一样，由于土层的不均匀、取样不标准、取土器和筒壁的挤压、土样在运输和存放期间保护不当等因素都会影响其结果的准确性；土的密度虽然是一个变化的值，不同的土样密度值不同，但对于某一个土样来说，它的值较稳定和比较容易测准的[1]。

乐滩水库引水灌区二期工程所取土样测得密度为1.79～1.90 g/cm3、比重为2.65～2.70、含水率15.3%～20.3%[2]，通过这3 个基础指标使用相关公式计算出土的干密度为1.50～1.64 g/cm3、孔隙比为0.616～0.780、饱和度为63%～71%。

由试验所得数据及换算数据分析，乐滩水库引水灌区二期工程土样比重较大，均值为2.665，含水率、孔隙比和饱和度较小，均值分别为17.9%、0.709和67%。孔隙比小于1，饱和度小于90%，属于不饱和土。

1.2 土的液限、塑限

液限是土呈可塑状态的上限含水率；塑限是土呈可塑状态的下限含水率。液性指数是表征土的稠度状态的指标，用来评价土的软硬状态；塑性指数是液限与塑限的差值，用来评价土的塑性，并且能综合反映影响粘性土特征的重要因素。土的界限含水率和土的机械组成、矿物成分、活动性、吸附水的表面电荷强度、颗粒的比表面积等有关，一般颗粒越细，液限和塑限也越高，即液限、塑限随粘粒含量的增加而增大[3]。

乐滩水库引水灌区二期工程所取土样测得液限为27.6%～40.3%、塑限为17.5%～20.1%，由液限、塑限求得塑性指数为10.1～22.8，液性指数-0.21～0.28。

乐滩水库引水灌区二期工程土样液限、塑限、塑性指数及液性指数均较小，液限均值为35.4%，塑限均值为18.9%，塑性指数均值为16.5。液性指数低，表示土样处于比较干硬的物理状态；塑性指数较低，表明土样具有活性的胶体粘粒较少，塑性较差。

1.3 土的颗粒分析

土的颗粒分析试验是土工试验中最重要的部分之一，用于测定土中各粒径组成的颗粒占总质量的比例，根据所得数据给土命名和分类。土粒径的大小与土的矿物组成、力学性质、形成环境等有直接联系，通过颗粒分析试验测出土的颗粒大小、级配、粒组在干土中所占比例，是土的工程分类的重要依据[4]。

乐滩水库引水灌区二期工程所测土样颗粒分析结果:巨粒组占总质量0～10.5%；粗粒组占总质量53.4%～62.9%，砾粒组占粗粒组质量56.4%～92.3%；细粒土占总质量36.1%～46.1%，粘粒占细粒土质量46.3%～55.7%，粉粒占细粒土质量44.3%～53.7%。

由所测土样颗粒分析结果可知，巨粒组质量小于总质量的15%且粗粒组质量大于总质量的50%，土样为粗粒类土；在粗粒类土的基础上，砾粒组质量占粗粒类土质量50%以上，称为砾类土；在砾类土的基础上，同时细粒组质量占总质量的15%以上，且粘粒和粉粒几乎各占细粒组质量的50%，因此，所测工程土样是一种粘土和粉土兼有的砾类土。

2 土的常规力学性能指标分析

2.1 压缩模量、压缩系数

固结试验是土体在侧向不能膨胀的条件下，在荷载作用下土的孔隙体积减少、孔隙水排出从而导致土的体积缩小，测定试样在侧限与轴向排水条件下的变形与压力，或孔隙比和压力的关系，变形与时间的关系，计算压缩模量和压缩系数。压缩系数用于评价土的压缩性，压缩模量用于计算地基的沉降，是常用的土工指标[5]。

乐滩水库引水灌区二期工程所测土样压缩模量为3.338～9.048 MPa，压缩系数0.181～0.491。根据试验数据分析得出，压缩模量与压缩系数基本呈一个负相关的关系，土的压缩系数越高，压缩模量越低，土的强度就低，不适合做受力土层；反之，土的压缩性越低，压缩模量越高，土的强度和承载力就大，适合做建筑物的承力层。经数据拟合，土的压缩系数、压缩模量与孔隙比存在着一定的指数函数关系，孔隙比大，则压缩性低、压缩模量高，如图1、图2所示。

孔隙比与压缩模量关系式:y=(4.79976E-36)e-x/-0.00939+3.47187

孔隙比与压缩系数关系式:y=-0.00743e-x/-0.1829+0.73657

图1 孔隙比与压缩模量关系图

图2 孔隙比与压缩系数的关系图

2.2 内摩擦角和粘聚力

内摩擦角和粘聚力属抗剪强度参数，抗剪强度是指土体抵抗剪切破坏的能力，是土的重要力学性质之一，在计算承载力、评价地基稳定性、计算挡土墙土的压力时，均涉及到土的抗剪强度指标[5]。因此，准确地测出抗剪强度参数为工程设计提供依据显得尤为重要。直接剪切试验是测定土的抗剪强度的一种常用方法，通常采用4个试样，分别在不同的垂直压力下，施加水平剪切力进行剪切，求得破坏时的剪应力，然后根据库仑定律确定土的抗剪强度参数:内摩擦角和粘聚力。

乐滩水库引水灌区二期工程所测土样内摩擦角为21.8°～25.1°，粘聚力为24.31～28.62 kPa。内摩擦角和粘聚力均较小。土的内摩擦角较小，表明土的内摩擦力，包括土粒之间的表面摩擦力和由于土粒之间的连锁作用而产生的咬合力均较小；粘聚力小表明土颗粒间的各种物理化学作用力较小，土的胶结力较低。经数据拟合，含水率与均呈负的线性相关关系，随着含水率的增大，内摩擦角和粘聚力均呈线性下降的趋势，如图3、图4所示。

含水率有内摩擦角关系式:y=-0.67845x+35.46112

含水率与粘聚力关系式:y=-0.97821x+44.0451

图3 含水率与内摩擦角关系图

图4 含水率与粘聚力关系图

3 结语

（1）乐滩水库引水灌区二期工程土样比重较大，含水率、孔隙比和饱和度较小，孔隙比小于1，饱和度小于90%，属于不饱和土。

（2）工程土样液限、塑限、塑性指数均较小，土处于比较干硬的物理状态，具有活性的胶体粘粒较少，塑性较差。

（3）根据土样的颗粒分析结果可知，所测工程土样是一种粘土和粉土兼有的砾类土。

（4）压缩模量与压缩系数基本呈负相关关系。经数据拟合，土的压缩系数、压缩模量与孔隙比存在着一定的指数函数关系，孔隙比大，则压缩性低、压缩模量高。

（5）所测土样的内摩擦角和粘聚力均较小，土的胶结力和内摩擦力较低。经数据拟合，含水率与内摩擦角、粘聚力均呈负的线性相关关系，随着含水率的增大，内摩擦角和粘聚力均呈线性下降的趋势。