堆石壩黏土料心墻工程性能及應(yīng)用研究

張芳芝

(青海省民和縣水利局，青海 民和 810800)

1 概 述

水庫在運行過程中所發(fā)生的坍塌、失穩(wěn)事件屢見不鮮，給社會造成的經(jīng)濟損失和人員傷亡不容忽視。為了保證大壩的整體穩(wěn)定性，提高大壩心墻的施工質(zhì)量與良好的運行狀況尤為重要[1-2]。

大壩心墻通常為填筑施工，而填筑材料的強度與物理特性直接影響心墻的穩(wěn)定性。接觸黏土料作為一種用于土石壩工程中的材料，通常是在易發(fā)生應(yīng)力集中的部位使用，常作為大壩心墻的填筑材料。由于接觸黏土料自身較強的可塑性、緩沖性與柔韌性，可以把它視為一種“緩沖劑”去協(xié)調(diào)變形，尤其可在不同硬度之間的介質(zhì)中使用[3-4]。正是由于接觸黏土料的這種特性，常用于大壩各部位的相接部分，包括心墻與岸坡或者防滲墻的接觸面。但是這些部位容易發(fā)生較大的剪切變形，隨之而來的便是接觸黏土料的滲透性會因剪切變形的影響而降低[5-7]。

現(xiàn)有研究多是從大壩心墻破壞原因角度展開分析，缺乏對接觸黏土料工程力學性能的試驗研究。為了確保接觸黏土料的物理力學特性達到工程要求，有必要通過現(xiàn)場試驗分析其在上述情況下的滲透穩(wěn)定性。因此，本文基于現(xiàn)場碾壓試驗和室內(nèi)壓縮試驗，對接觸黏土料在堆石壩心墻建設(shè)中的應(yīng)用進行研究。

2 試 驗

2.1 試驗設(shè)計

本次研究旨在通過現(xiàn)場碾壓試驗，驗證黏土料含水率、壓實度以及干密度隨碾壓遍數(shù)變化所受到的影響；同時確定設(shè)計參數(shù)的可行性、準確性，設(shè)計方案是否符合規(guī)范中的要求；最后根據(jù)試驗中得到的結(jié)果，計算分析數(shù)據(jù)，確定合適的碾壓參數(shù)與最佳碾壓方法，從而選擇恰當?shù)氖┕ぴO(shè)備、碾壓遍數(shù)、鋪料厚度等。

本次接觸黏土料現(xiàn)場碾壓試驗參照碾壓試驗標準展開[8-9]。試驗場地設(shè)置在大壩下游圍堰，場地長40 m、寬25 m，按25、30、35 cm鋪料厚度分為3塊，各塊均為12 m×12 m，過渡帶寬2.5 m，見圖1。采用的設(shè)備為YZK18自行振動碾，碾擊振力為400 kN，碾輪寬度為2.12 m，頻率為35 Hz，振幅為1.9 mm，碾壓方式為靜碾，振動碾壓兩遍后采用水準儀測量計算沉降量。

圖1 黏土料現(xiàn)場碾壓場地布置圖

2.2 試驗流程

2.2.1 物理參數(shù)測定

在開始碾壓試驗前,測定黏土料的各種物理力學性能，結(jié)果見表1。

表1 接觸黏土料物理參數(shù)測定結(jié)果

2.2.2 高程測量

為了得到鋪料場地的起始高程，采用水準儀測量各測點高程，記錄各測點坐標。

2.2.3 鋪 料

在此次現(xiàn)場試驗中，各場地通過人工撒白灰劃分場地，采用自卸車運輸，同時采用裝載機與人工共用方式進行黏土料鋪料。在場地開闊部分，采用裝載機使用后退法鋪料，在范圍偏小、裝載機不易行駛的部分，采用人工的方式進行鋪料、整平。鋪料完成后，在場地四周設(shè)置測點，采用全站儀測量鋪料頂面高程，以此得到鋪料的平均厚度。

2.2.4 含水率測定

在鋪料過程中，測量黏土料的含水率，并在碾壓試驗全程都要監(jiān)測其含水率的變化。此外，在雨天時要提前在土料上覆蓋防水膜，防止土料含水率變化過大。

2.2.5 碾 壓

第一場碾壓試驗中，碾壓方式均為靜碾，檢測項目有含水率和最大干密度，具體情況見表2。根據(jù)第一場碾壓試驗的結(jié)果選出最優(yōu)含水率，第二場試驗采用ωop-2%、ωop、ωop+2%進行。

2.2.6 參數(shù)測定

測量碾壓后的各測點高程，計算鋪料的沉降量，同時測量鋪料的含水率，計算碾壓4、6、8、10次時的干密度。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)壓縮試驗

在實驗室中展開土的壓縮試驗，在試驗中對土料施加的最大壓力為2.5 MPa。試驗結(jié)果為：飽和狀態(tài)下，接觸黏土料的壓縮模量為5.7 MPa，壓縮系數(shù)為0.215 MPa-1；天然狀態(tài)下，接觸黏土料的壓縮模量為8.6 MPa，壓縮系數(shù)為0.147 MPa-1。以上結(jié)果均在0.1～0.2 MPa的壓力條件下所得，根據(jù)結(jié)果顯示，接觸黏土料屬于中壓縮性土。具體試驗結(jié)果見表2。

表2 室內(nèi)壓縮試驗結(jié)果

3.2 室內(nèi)三軸試驗

為了研究土料應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，在實驗室內(nèi)進行三軸試驗，分別采用飽和固結(jié)排水剪和飽和固結(jié)不排水剪兩種方式。在此試驗中，圍壓均保持為200～600 kPa，并由此條件測得土體的有效抗剪強度和總應(yīng)力抗剪強度，具體結(jié)果見表3、表4。

表3 三軸試驗結(jié)果(飽和固結(jié)排水剪)

表4 三軸試驗結(jié)果(飽和固結(jié)不排水剪)

綜上室內(nèi)研究成果可知，天然接觸黏土料的壓縮模量為8.6 MPa，壓縮系數(shù)為0.147 MPa-1，且其有效抗剪強度達到73 MPa，能夠滿足混凝土壩心墻建設(shè)要求。

3.3 現(xiàn)場碾壓試驗

不同碾壓厚度(25、30、35 cm)條件下接觸黏土料沉降率、壓實度和干密度隨碾壓遍數(shù)的關(guān)系見圖2。

圖2 接觸黏土料現(xiàn)場碾壓試驗結(jié)果

由圖2可知，在碾壓厚度相同的條件下，沉降率、壓實度與干密度與碾壓遍數(shù)呈正相關(guān)，隨著碾壓遍數(shù)的增長，沉降率、壓實度與干密度會增大；而在相同碾壓遍數(shù)的條件下，這三者均隨著碾壓厚度的增加而減?。划斈雺罕閿?shù)增大至一定限度后，曲線增長趨勢均漸漸平緩。這是因為剛開始土料內(nèi)部存在大量孔隙，孔隙中存在著大量的水與空氣，開始碾壓時，孔隙被壓縮，空氣與水被排出，因此土體體積減小，沉降率、壓實度、干密度均隨著土骨架的壓縮而顯著上升；之后隨著碾壓遍數(shù)的增大，土料內(nèi)大孔隙逐漸消失，剩下的一些小孔隙中氣體無法排出，其內(nèi)的壓強過大，無法被土顆粒填滿。此外，一些結(jié)合水吸附于土顆粒之上，由于黏著性較強，也無法被碾壓排出，因此土體的沉降率、壓實度、干密度無法進一步增加，導致曲線趨于平緩或者保持水平。

4 結(jié) 論

本次研究基于現(xiàn)場碾壓試驗和室內(nèi)壓縮試驗對接觸黏土料在堆石壩心墻建設(shè)中的應(yīng)用展開了深入研究，主要結(jié)論如下：

1)隨著碾壓次數(shù)的增加，接觸粘土料的沉降、干密度及壓實度呈現(xiàn)出先快速增長后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。當碾壓次數(shù)大于4次時，不同鋪料厚度下接觸黏土料均能滿足堆石壩心墻設(shè)計要求

2)當鋪料厚度為30 cm、碾壓次數(shù)為8次時，接觸黏土料工程性能最佳，此時干密度為1.67 g/cm3, 壓實度達98.76%。

3)本次研究缺乏實際建設(shè)工程應(yīng)用中的驗證，下一步應(yīng)當投入現(xiàn)場應(yīng)用并深入探討。