紅魚洞筑壩堆石料現(xiàn)場(chǎng)碾壓及相對(duì)密度試驗(yàn)研究

王中良，唐婉秋，黃仁龍，楊玉生，趙劍明，呂 軍

(1.四川省紅魚洞水庫(kù)建設(shè)管理局，四川 巴中 636600；2.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；3.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810000)

堆石料取材方便，壓實(shí)性能好，沉陷變形小，填筑密度大，承載力高[1]，被廣泛應(yīng)用于堆石壩、路堤建設(shè)等工程中，尤其是在堆石壩中，堆石料用量占有非常大的比重[2- 3]。當(dāng)前，我國(guó)堆石壩的建設(shè)面臨著從 200 m 級(jí)到 300 m 級(jí)的突破[4- 5]，壩體的變形控制是特高壩設(shè)計(jì)階段需要首要考慮的因素[6]。

在實(shí)際工程中，堆石料最大粒徑常常能達(dá)到600～800 mm，甚至800～1600 mm[7]。對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)，相關(guān)規(guī)范[8]規(guī)定試驗(yàn)土料的顆粒直徑應(yīng)小于1/5～1/6的試樣直徑。對(duì)室內(nèi)常用的直徑30cm、高度60 cm的大型三軸試樣，允許試驗(yàn)土料的最大粒徑為60mm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際最大粒徑600～1600mm相差甚遠(yuǎn)。因此，需要對(duì)超徑土料進(jìn)行縮尺處理，對(duì)縮尺級(jí)配開展試驗(yàn)，但是縮尺效應(yīng)的影響，室內(nèi)試驗(yàn)得到土料的變形和強(qiáng)度特性與原型土料的真實(shí)性質(zhì)存在一定的差異[9- 10]。堆石壩通過分層碾壓進(jìn)行填筑，為了準(zhǔn)確獲得堆石料的碾壓參數(shù)，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，本文針對(duì)四川省紅魚洞水利樞紐工程兩種筑壩堆石料—滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r和孔明洞料場(chǎng)白云巖開展現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，研究碾壓遍數(shù)、是否灑水對(duì)碾壓效果的影響。

目前，在我國(guó)土石壩相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)砂礫料，填筑標(biāo)準(zhǔn)的控制指標(biāo)采用相對(duì)密度表示，對(duì)堆石料填筑標(biāo)準(zhǔn)則以孔隙率來表示[11- 12，14]。粗粒土的孔隙率對(duì)其力學(xué)性質(zhì)有很大的影響，但不同級(jí)配的粗粒土，即使孔隙率相同，其力學(xué)性質(zhì)也不盡相同，孔隙率不能表示粗粒土顆粒間的緊密程度。如朱晟等[13]通過側(cè)限壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于不同級(jí)配的堆石料，雖然能夠達(dá)到相同的壓實(shí)孔隙率，但其力學(xué)性質(zhì)仍然有很大差異，只使用孔隙率指標(biāo)難以控制大壩的變形性能，建議采用孔隙率和相對(duì)密度雙控指標(biāo)。

通過開展筑壩堆石料現(xiàn)場(chǎng)大型相對(duì)密度試驗(yàn)，研究確定筑壩堆石料的最大、最小干密度，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，確定碾壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度值。

1 碾壓試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

針對(duì)滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r堆石料和孔明洞料場(chǎng)白云巖堆石料兩種筑壩堆石料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，對(duì)于灰?guī)r堆石料按照一種攤鋪厚度(98cm)、一種碾壓遍數(shù)(12遍)、不灑水的工況進(jìn)行試驗(yàn)；對(duì)于白云巖堆石料按照一種攤鋪厚度(80cm)、三種碾壓遍數(shù)(14、16、18遍)、灑水(5%含水率)和不灑水的工況進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 主要試驗(yàn)設(shè)備

26t振動(dòng)碾(具體參數(shù)見表1)，全站儀，直徑2m的取樣鋼環(huán)，級(jí)配篩，300kg臺(tái)秤，烘箱，電子天平。

表1 振動(dòng)碾?yún)?shù)

1.3 試驗(yàn)過程

(1)使用推土機(jī)和挖掘機(jī)將試驗(yàn)場(chǎng)地整平，同時(shí)使用全站儀對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地的平整度進(jìn)行控制。整平完成后，使用26t振動(dòng)碾按照3km/h的速度對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行碾壓，直到碾壓2遍后全場(chǎng)的平均沉降量不超過2mm。

(2)碾壓完成后，開始對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行劃線、上料和攤鋪。上料采用進(jìn)占法的方式進(jìn)行。在攤鋪過程中，使用全站儀測(cè)量和控制試驗(yàn)土料的攤鋪厚度。

(3)攤鋪厚度滿足要求后，使用振動(dòng)碾對(duì)試驗(yàn)區(qū)域靜碾兩遍，然后用白石灰標(biāo)記不同試驗(yàn)區(qū)。對(duì)于白云巖灑水工況，使用灑水車在靜碾兩遍后的試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行灑水。振動(dòng)碾壓采用進(jìn)退錯(cuò)距法方式進(jìn)行，在同一個(gè)碾壓條帶進(jìn)退一個(gè)來回計(jì)為碾壓2遍，在碾壓下一條帶時(shí)，需要與前一條帶進(jìn)行搭接，搭接寬度控制在20cm左右。振動(dòng)碾壓行車速率控制在2～3km/h，振幅采用1.9mm，振動(dòng)頻率采用28Hz，振動(dòng)力采用430kN。

(4)每碾壓2遍，使用全站儀對(duì)布置在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行一次沉降測(cè)量。

(5)碾壓完成后，在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)選擇相對(duì)平整的區(qū)域作為試坑開挖點(diǎn)。使用直徑2m的取樣鋼環(huán)，找平并固定好，然后在環(huán)內(nèi)鋪一層塑料薄膜，將稱過質(zhì)量的水倒進(jìn)環(huán)內(nèi)，等水位穩(wěn)定之后，在鋼環(huán)標(biāo)記好的位置用角尺測(cè)記環(huán)內(nèi)水位的高度，完成后移除水和塑料布。

(6)在環(huán)內(nèi)開挖試坑，同時(shí)將挖出的土料進(jìn)行篩分。在開挖達(dá)到指定深度后，試坑內(nèi)放入塑料布，然后將稱過質(zhì)量的水倒入其中，調(diào)整加水量使水位與挖坑前標(biāo)記處量測(cè)的水位高度一致。

(7)將篩分出的各個(gè)粒組的土料進(jìn)行稱量，同時(shí)對(duì)每個(gè)粒組進(jìn)行取樣拿到試驗(yàn)室烘干測(cè)含水。

1.4 試驗(yàn)分析

不灑水工況滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r和孔明洞料場(chǎng)白云巖兩種堆石料累計(jì)沉降量與碾壓遍數(shù)之間的關(guān)系圖如圖1所示。從圖1中可以看到，對(duì)于兩種堆石料，累計(jì)沉降量均隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，但累計(jì)沉降量增加幅度逐漸減小。對(duì)于灰?guī)r堆石料，沉降量主要集中在碾壓遍數(shù)為2遍和4遍時(shí)，沉降量分別為9.33cm和2.69cm；碾壓遍數(shù)為6遍和8遍時(shí)，沉降量變化較小，分別為1.61cm和1.01cm；當(dāng)碾壓遍數(shù)為10遍和12遍時(shí)，沉降量分別為0.49cm和0.33cm，均小于0.5cm，已無明顯變化。對(duì)于白云巖堆石料，沉降量主要集中在碾壓遍數(shù)為6遍和8遍時(shí)，沉降量分別為5.77cm和2.42cm；碾壓遍數(shù)達(dá)到10遍時(shí)，沉降量為0.41cm；當(dāng)碾壓遍數(shù)達(dá)到12遍及12遍以上時(shí)，沉降量已無明顯變化。

圖1 不灑水工況累計(jì)沉降量與碾壓遍數(shù)的關(guān)系

為了檢測(cè)碾壓后顆粒破碎情況，碾壓前在碾壓區(qū)域選取試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行土料的顆粒篩分，碾壓結(jié)束后在相同位置進(jìn)行顆粒篩分試驗(yàn)。對(duì)于灰?guī)r堆石料選取三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，對(duì)于白云巖堆石料在不灑水區(qū)選取一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，在灑水區(qū)選取一個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)。

灰?guī)r堆石料三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)碾壓前、碾壓12遍后級(jí)配曲線如圖2—3所示。從圖2—3中可以看到，碾壓前后試驗(yàn)點(diǎn)的級(jí)配曲線均在包線范圍內(nèi)，碾壓前，三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)小于5mm含量變化范圍為1.95%～20%，平均值為11.6%；碾壓后，三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)小于5mm含量變化范圍為3.5%～20.7%，平均值為12.4%，可見，碾壓過程中有部分土料破碎，導(dǎo)致碾壓后小于5mm含量有所增加。

圖2 灰?guī)r堆石料碾壓前級(jí)配曲線

圖3 灰?guī)r堆石料碾壓12遍后級(jí)配曲線

圖4 白云巖堆石料碾壓前級(jí)配曲線

圖5 白云巖堆石料碾壓18遍后級(jí)配曲線

白云巖堆石料兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)碾壓前、碾壓18遍后級(jí)配曲線如圖4—5所示。從圖4—5中可以看到，碾壓前后試驗(yàn)點(diǎn)的級(jí)配曲線均在包線范圍內(nèi)，碾壓前，不灑水、灑水試驗(yàn)點(diǎn)小于5mm含量分別為12.6%、4.7%；碾壓后，不灑水、灑水試驗(yàn)點(diǎn)小于5mm含量分別為13.1%、6.1%，可見，相對(duì)于不灑水工況，灑水工況碾壓后土料破碎程度較大。

根據(jù)式(1)—(3)，可以計(jì)算出試坑中土料干密度，再根據(jù)相應(yīng)其比重，可以算出對(duì)應(yīng)的孔隙率。

(1)

(2)

(3)

式中，M終了—達(dá)到初始水位高度時(shí)灌入試坑中水的質(zhì)量，g；M初始—初始找平時(shí)灌入水的質(zhì)量，g；ρw—水的密度，g/cm3；V—試坑體積，cm3；m—取自試坑內(nèi)土料的質(zhì)量，g；ρ—試坑濕密度，g/cm3；ρd—試坑干密度；ω—試坑中土料含水率，%。

灰?guī)r堆石料碾壓后的干密度與孔隙率見表2，可以看到對(duì)于虛鋪98cm、碾壓12遍，三個(gè)試坑的干密度值幾乎一致，對(duì)應(yīng)的孔隙率也相差不大，滿足設(shè)計(jì)干密度≥2.15g/cm3、孔隙率≤21%的要求。

表2 灰?guī)r堆石料碾壓后干密度與孔隙率

白云巖堆石料碾壓后的干密度與孔隙率見表3，從表3中可以看到，對(duì)于不灑水工況，碾壓14遍和碾壓16遍的干密度相同，碾壓18遍的干密度有所增大；對(duì)于灑水工況，隨著碾壓遍數(shù)的增加，干密度逐漸增大；碾壓遍數(shù)相同時(shí)，灑水工況相對(duì)于不灑水工況，干密度有所增大，但上述工況均滿足設(shè)計(jì)干密度≥2.13g/cm3，孔隙率≤24%的要求。

表3 白云巖堆石料碾壓后干密度與孔隙率

2 現(xiàn)場(chǎng)大型相對(duì)密度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[13]，粗粒土相對(duì)密度指的是：土料最疏松時(shí)孔隙比與現(xiàn)場(chǎng)土的孔隙比的差值和最疏松時(shí)的孔隙比與最緊密時(shí)的孔隙比的差值的比值，其表達(dá)式為：

(4)

式中，Dr—相對(duì)密度；emax—土料最疏松時(shí)的孔隙比，即最大孔隙比；e—現(xiàn)場(chǎng)土的孔隙比；emin—土料最密實(shí)時(shí)的孔隙比，即最小孔隙比。

(5)

式中，Dr—相對(duì)密度；ρdmax—最大干密度；ρd—現(xiàn)場(chǎng)土的干密度；ρdmin—最小干密度；ρs—土粒的密度。

由以上相對(duì)密度的定義可知，要得到粗粒土的相對(duì)密度首先要確定粗粒土的最大、最小干密度。

2.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)表4—5的級(jí)配曲線進(jìn)行滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r堆石料和孔明洞料場(chǎng)白云巖堆石料的相對(duì)密度試驗(yàn)，研究不同P5(粒徑小于5mm的顆粒含量，下同)含量下堆石料最大、最小干密度。

2.3 主要試驗(yàn)設(shè)備

密度桶：帶底無蓋鋼桶，直徑1800mm，高800mm，壁厚14mm。

為了和施工實(shí)際情況相匹配，對(duì)于滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r堆石料，采用26t振動(dòng)碾。對(duì)于孔明洞料場(chǎng)白云巖堆石料，采用33t振動(dòng)碾。

2.4 試驗(yàn)過程

最小干密度試驗(yàn)采用人工松填法，主要過程如下：從料場(chǎng)選定堆石料運(yùn)送至試驗(yàn)場(chǎng)地，進(jìn)行篩分；按照試驗(yàn)級(jí)配稱量出各粒組土的質(zhì)量，分四份攪拌均勻后輕緩地松填進(jìn)密度桶內(nèi)；填至桶頂后，采用平直工具將桶的頂面找平，根據(jù)裝填的總土重和密度桶的體積計(jì)算最小干密度。

最大干密度試驗(yàn)采用振動(dòng)碾壓法，主要過程如下：在上述最小干密度試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將余下的土料裝填并高出桶頂20cm左右；用選定的振動(dòng)碾按照行駛速度小于3km/h進(jìn)行碾壓，振動(dòng)碾壓26遍后，在每個(gè)密度桶范圍內(nèi)微動(dòng)進(jìn)退振動(dòng)碾壓15min；碾壓完成后，將桶頂以上多余的土料去除，桶頂找平，開挖并稱重。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

表6和圖6為滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r堆石料級(jí)配包線試驗(yàn)結(jié)果。由表6和圖6可知，在試驗(yàn)級(jí)配包線范圍內(nèi)，隨著P5含量的增大，最大、最小干密度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在平均線級(jí)配附近干密度最大，其對(duì)應(yīng)最大、最小干密度分別為2.337、1.818 g/cm3?？傮w上看，在P5含量81%～95%范圍內(nèi)，最大干密度在2.256～2.337 g/cm3之間變化，最小干密度在1.751～1.818 g/cm3之間變化。表7和圖7為孔明洞料場(chǎng)白云巖堆石料級(jí)配包線試驗(yàn)結(jié)果。由表7和圖7可知，總體上看，在上包線到平均線之間，即P5含量85.0%到90.0%之間，不同級(jí)配對(duì)最大、最小干密度的影響較小。下平均線級(jí)配和下包線級(jí)配，最大、最小干密度均呈現(xiàn)了較明顯的變化，對(duì)于下平均級(jí)配，最大、最小干密度分別為2.333、1.791g/cm3，對(duì)于下包線級(jí)配配，最大、最小干密度分別為2.249、1.726g/cm3。

表4 滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r堆石料相對(duì)密度試驗(yàn)級(jí)配表

表5 孔明洞料場(chǎng)白云巖堆石料相對(duì)密度試驗(yàn)級(jí)配表

表6 滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r堆石料級(jí)配包線試驗(yàn)結(jié)果

圖6 滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r堆石料干密度與P5含量關(guān)系

表7 孔明洞料場(chǎng)白云巖堆石料級(jí)配包線試驗(yàn)結(jié)果

圖7 孔明洞料場(chǎng)白云巖堆石料干密度與P5含量關(guān)系

3 碾壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度值

根據(jù)碾壓試驗(yàn)的篩分?jǐn)?shù)據(jù)可以得到每個(gè)試坑的P5含量，再結(jié)合上述相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果，可以計(jì)算出每個(gè)試坑的相對(duì)密度值。

灰?guī)r堆石料碾壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度值見表8，從表8中可以看到，由于試坑2的P5含量處于上均線和平均線之間，所以對(duì)應(yīng)的最大、最小干密度較大，從而與試坑1、3相比，雖然干密度幾乎一樣，但相對(duì)密度卻相差較大。

白云巖堆石料碾壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度值見表9，從表9中可以看到，由于6個(gè)試坑的P5含量相差不大，所以對(duì)應(yīng)的最大、最小干密度也沒有太大差別。不灑水區(qū)的三個(gè)試坑相對(duì)密度值為0.75～0.78，平均值為0.77；灑水區(qū)的三個(gè)試坑相對(duì)密度值為0.80～0.83，平均值為0.81，可見灑水工況相對(duì)于不灑水工況，相對(duì)密度值有所提高。

表8 灰?guī)r堆石料碾壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度值

表9 白云巖堆石料碾壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度值

4 結(jié)論

根據(jù)紅魚洞滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r和孔明洞料場(chǎng)白云巖兩種堆石料開展現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)和相對(duì)密度試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1)不灑水工況滴水巖料場(chǎng)灰?guī)r和孔明洞料場(chǎng)白云巖兩種堆石料累計(jì)沉降量均隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，但累計(jì)沉降量增加幅度逐漸減小。

(2)對(duì)于滴水巖料場(chǎng)和孔明洞料場(chǎng)，在試驗(yàn)級(jí)配包線范圍內(nèi)，隨著P5含量的增大，最大、最小干密度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，存在一個(gè)最優(yōu)P5含量。

(3)從灰?guī)r堆石料碾壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度值中可以看到，由于試坑2的P5含量處于灰?guī)r相對(duì)密度試驗(yàn)上均線和平均線之間，所以對(duì)應(yīng)的最大、最小干密度都比較大，從而和試坑1、3相比，雖然干密度幾乎一樣，但相對(duì)密度卻相差較大。從白云巖堆石料碾壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度值中可以看到，由于6個(gè)試坑的P5含量相差不大，所以對(duì)應(yīng)的最大、最小干密度也沒有太大差別。灑水工況相對(duì)于不灑水工況，相對(duì)密度值有所提高。