礫質(zhì)土料全料壓實度與細料壓實度關系研究

張 東 明，　方 德 揚，　劉 存 福

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司兩河口建設管理局，四川 雅江　627450)

礫質(zhì)土料全料壓實度與細料壓實度關系研究

張 東 明，方 德 揚，劉 存 福

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司兩河口建設管理局，四川 雅江627450)

摘要：在全料符合設計要求的壓實度時，通過計算對應的細料理論計算干密度，發(fā)現(xiàn)細料干密度與P20存在區(qū)間性變化規(guī)律，對不同區(qū)間應關注關鍵控制指標，有利于礫質(zhì)土料施工質(zhì)量管理，更有利于礫質(zhì)土料心墻防滲體填筑質(zhì)量控制。

關鍵詞：礫質(zhì)土；全料壓實度；細料壓實度；應用

0前言

隨著筑壩技術和施工機械的發(fā)展，土質(zhì)心墻堆石壩壩高也隨之增加，并逐漸成為世界上高壩建設的主流壩型之一。隨著壩高的增加，心墻土體將承受較大的應力，單純采用粘性土作為心墻防滲土料將無法滿足強度和壓縮性的要求。國內(nèi)外工程實踐經(jīng)驗表明，高土石壩采用礫質(zhì)土料作為防滲料已成為發(fā)展趨勢，世界上已建和在建的壩高200 m以上的高土質(zhì)心墻堆石壩中，基本上都以礫質(zhì)土作為心墻堆石壩；國內(nèi)近年來已建和在建的高心墻堆石壩均是如此。如已建成的瀑布溝、糯扎渡，在建的兩河口以及即將建設的雙江口等水電站大壩心墻均為礫質(zhì)土心墻堆石壩。

1亟待解決的問題

對于高心墻堆石壩而言，礫質(zhì)土是一種良好的心墻防滲土料，其在壓實方面兼有砂礫料和粘性土料的某些性質(zhì)。擊實試驗表明，當?shù)[石含量不大于第一特征含礫量(P5Ⅰ)時，礫石土干密度隨礫石含量的增加而增加，而且，礫質(zhì)土中的細料都可以壓實到最大干密度；當?shù)[石含量由第一特征含礫量(P5Ⅰ)向第二特征含礫量(P5Ⅱ)增加時，由于礫石的骨架作用和顆粒分布等因素，礫質(zhì)土的最大干密度不再與礫石的含量成比例關系；當?shù)[石含量增加至第二特征含礫量(P5Ⅱ)，礫質(zhì)土將會被擊實至最大干密度,這時礫質(zhì)土中的細料干密度逐漸變小。由于礫質(zhì)土這種擊實特性，如果僅用全料壓實度來控制礫質(zhì)土壓實質(zhì)量，那么就存在全料壓實度滿足設計要求時而礫質(zhì)土中的細料并沒有得到有效的壓實，導致礫質(zhì)土料防滲性能達不到設計要求，威脅大壩的安全。正因為如此，《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(DL/T5359-2007)規(guī)定“對于礫石土應按全料試驗求取最大干密度和最優(yōu)含水率，并復核細料干密度?！币虼?，礫質(zhì)土料心墻防滲體壓實質(zhì)量控制一般都提出了全料壓實度和細料(≤20 mm或≤5 mm)壓實度雙控指標。如糯扎渡、長河壩和兩河口等水電站礫質(zhì)土防滲體，其控制指標如表1。

現(xiàn)在的問題是，全料壓實度與細料壓實度控制指標是否匹配，與P20存在何種聯(lián)系，在大壩心墻填筑過程中，如何抓住關鍵控制指標等問題，都亟待研究，也是本文研究的重點。下面就這些問題進行探究。

表1　礫質(zhì)土防滲體壓實質(zhì)量控制標準

2全料壓實度和細料壓實度關系

礫質(zhì)土料在填筑過程中，為了確保碾壓質(zhì)量，其含水率通常均較最優(yōu)含水略偏濕，加上小于0.074 mm顆粒含量較高，致使礫質(zhì)土料中粒徑小于5 mm細料常結(jié)成團狀，濕篩不易通過5 mm篩網(wǎng)，因此，設計提出的細料壓實質(zhì)量通常采用≤20 mm顆粒的壓實度來控制，具有普遍性。如糯扎渡、兩河口等水電站礫質(zhì)土防滲體細料壓實質(zhì)量控制指標。因此，下文僅以細料(≤20 mm)為例，并簡稱為細料。經(jīng)分析，全料壓實度和細料壓實度關系研究有以下兩種模型：

模型Ⅰ：當細料壓實度滿足設計要求情況下，研究全料干密度變化規(guī)律，進而計算全料壓實度。技術方法是通過細料干密度[為細料最大干密度×細料壓實度(D細)]計算其中對應的全料理論干密度，再通過全料擊實試驗，得出全料最大干密度，由此計算全料壓實度。詳細推算過程見圖1。

圖1　細料壓實度推算全料壓實度模型

模型Ⅱ：當全料壓實度滿足設計要求情況下，研究細料干密度變化規(guī)律，進而計算細料壓實度。技術方法是通過全料干密度【為全料最大干密度×全料壓實度(D全)】計算其中對應的細料理論計算干密度，再通過細料擊實試驗，得出細料最大干密度，由此計算細料壓實度。詳細推算過程見圖2。

模型解釋與比較。模型Ⅰ解釋為：相當于把礫石料隨機嵌入細料中，嵌入過程中沒有消耗擊實功。實際情況是礫石在礫石土料擊實過程中會發(fā)生位移或破碎而消耗擊實功，這使得計算理論全料干密度比實際全料干密度偏大，導致壓實度偏高。因此，模型Ⅰ在設計上存在一定的缺陷，與實際所受工況存在差異。模型Ⅱ是由全料推算細料，該模型考慮了礫石在礫石土料中消耗擊實功問題，與實際工況近似。因此，模型Ⅱ比模型Ⅰ優(yōu)，后文應用實例采用模型Ⅱ進行推算。

3礫石土的應用

糯扎渡水電站擋水建筑物為心墻堆石壩，最大壩高為261.5 m。防滲心墻采用人工摻礫土料，設計要求見表1。

摻礫用碎石取自摻礫料加工系統(tǒng)，按設計摻礫碎石中間級配進行配料，摻礫碎石視比重為2.59，級配參數(shù)詳見表2；試驗用混合土料取至農(nóng)場土料場開采混合土料共進行了3組混合土料顆粒級配試驗，顆分成果見表3。擊實成果見表4與圖2。

圖2　全料壓實度推算細料壓實度模型

粒徑/mm分級質(zhì)量百分比/%小于某級質(zhì)量百分比/%100～120510080～1007.595.060～8015.7587.540～6027.5571.7520～4021.744.210～208.022.55～104.514.5<510.010.0

表3　實測顆粒級配

表4　擊實成果及細料理論計算干密度成果表

注：表中備注欄①中數(shù)據(jù)采用公式(2)計算得出；摻礫碎石視比重為2.59。

圖3　細料(<20 mm)理論計算干密度與p20關系

圖4　細料理論計算干密度值的變化

為了敘述方便，本文定義P20Ⅰ為P20第一特征值， P20Ⅱ為P20第二特征值。

通過圖表分析可知，細料理論計算干密度值呈現(xiàn)區(qū)間性變化，見圖4：

A區(qū)間：當P20小于P20Ⅰ時，細料理論計算干密度隨P20增加而增加，這時全料、細料都能得到充分的壓實。在該范圍內(nèi)如果僅用壓實度和滲透系數(shù)來控制心墻礫石土質(zhì)量是不夠的，還必須同時控制礫石土料中P20，否則心墻防滲體的強度和壓縮性指標可能不能滿足設計要求；

B區(qū)間：當P20處在P20Ⅰ～P20Ⅱ范圍時，細料理論計算干密度基本保持不變，這時全料、細料都能得到壓實。在該范圍內(nèi)用全料或細料壓實度以及滲透系數(shù)來控制心墻礫質(zhì)土質(zhì)量是可行的；

C區(qū)間：當P20含量大于P20Ⅱ時，細料理論計算干密度隨P20增加而降低，這時細料壓實質(zhì)量不一定能滿足設計要求。在該范圍須用細料壓實度和滲透系數(shù)來控制心墻礫質(zhì)土壓實質(zhì)量。

實例表明，在全料符合設計要求的壓實度時，通過公式(2)計算對應的細料理論計算干密度，發(fā)現(xiàn)細料干密度與P20存在區(qū)間性變化規(guī)律，對不同區(qū)間應關注關鍵控制指標，有利于礫質(zhì)土料施工質(zhì)量管理。

4結(jié)語

礫質(zhì)土料心墻防滲體全料壓實度與細料壓實度相互推算公式，填補了當前業(yè)界確定礫質(zhì)土料心墻防滲體全料壓實度和細料壓實度指標理論計

算的空白。根據(jù)礫質(zhì)土料的擊實特性，對P20進行了特征區(qū)間的劃分，并指出了礫質(zhì)土料心墻防滲體填筑時重點控制指標，相對于當前采用固定控制指標，更有利于礫質(zhì)土料心墻防滲體填筑質(zhì)量控制。

參考文獻:

[1]寧占金等，糯扎渡心墻堆石壩超大粒徑摻礫土料壓實特性研究與應用，年度水力發(fā)電科學技術獎獲獎項目，2013

[2]碾壓式土石壩設計規(guī)范(DL/T5395-2007)

收稿日期:2016-05-26

中圖分類號:P619.22+8；P619.23+1；TV541+.1

文獻標識碼:B

文章編號:1001-2184(2016)03-0120-04

作者簡介:

張東明(1979-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾盟人，碩士，雅礱江公司兩河口建設管理局技術一部高級工程師，現(xiàn)從事水利水電建筑工程管理工作；

方德?lián)P(1970-)，男，江西安義人，學士，雅礱江公司兩河口建設管理局技術一部高級工程師，現(xiàn)從事土工、混凝土以及原材料試驗檢測管理工作；

劉存福(1969-)，男，四川邛崍人，雅礱江公司兩河口建設管理局副總工程師，從事土石壩工程施工管理工作.

(責任編輯：卓政昌)