土石壩填筑砂礫料碾壓試驗分析

楊春偉

(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院,天津　300250)

0　引言

洋河水庫位于河北省秦皇島市撫寧縣北10 km,是一座大型水庫。1976年唐山地震使大壩(土石壩)多處出現(xiàn)裂縫,一直處于帶病運(yùn)行之中。整治采用在洋河水庫現(xiàn)大壩背水面貼坡的方案進(jìn)行加固。大壩填筑料為大壩下游料場的砂礫料以及非常溢洪道開挖的全風(fēng)化花崗巖棄渣。砂礫料用在大壩浸潤線以下,以便排水通暢;全風(fēng)化花崗巖碾壓后由于透水性較差,用在大壩浸潤線以上。

為了確定砂礫料在筑壩過程中的施工質(zhì)量控制指標(biāo),根據(jù)設(shè)計提出的壩體填筑技術(shù)要求(砂礫料壓實標(biāo)準(zhǔn)采用相對密度Dr≥0.7),對砂礫料進(jìn)行了碾壓試驗,以便確定現(xiàn)場施工設(shè)備條件下達(dá)到設(shè)計要求時的實際鋪料厚度、碾壓遍數(shù)及加水量等技術(shù)參數(shù)[1-2]。

1　碾壓試驗場地選擇和地基處理

碾壓試驗的場地面積為10 m×20 m。試驗場地為砂礫石地基,鋪料前進(jìn)行了場地平整、加水、碾壓處理(平碾一次,震動碾壓8次),經(jīng)水準(zhǔn)儀測量,場地地面高差控制在1～3 cm范圍內(nèi)。并在場地內(nèi)埋設(shè)了6個水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)以檢測壓實對地基變形的影響。

2　碾壓試驗參數(shù)選定

本次碾壓試驗采用洛陽建筑機(jī)械廠生產(chǎn)的YZ14B型震動壓路機(jī),碾重14 t,規(guī)格為激振力260 kN,標(biāo)準(zhǔn)功率37.58 kW,振動頻率30 Hz,碾壓速度采用Ⅰ檔2.0 km/h。

采用40 cm和50 cm兩種鋪料厚度。鋪料時采用推土機(jī)平整底層砂礫料,40 cm和50 cm鋪料厚度為經(jīng)推土機(jī)平整砂礫料后的實際厚度,鋪好后經(jīng)水準(zhǔn)儀測量,并記錄碾壓前的砂礫料高程。以后每碾壓一定遍數(shù)后,均測量記錄取樣點(diǎn)的高程。采用4、8、10及12遍共4種碾壓遍數(shù)。

從料場取來的砂礫料為潮濕狀態(tài),碾壓前進(jìn)行加水,加水量約為砂礫料體積的17%,并在碾壓過程中邊加水邊碾壓,總加水量為試樣體積的30%左右。

3　碾壓、取樣試驗質(zhì)量控制

為保證取樣的代表性,取樣位置距碾壓試驗場地周邊距離>2 m。碾壓試驗場地長度方向取樣間距為2 m,寬度方向取樣間距為1.5 m,這樣可以避免取樣點(diǎn)相互間的影響。在每次碾壓試驗完畢后,通過灌水法測試砂礫料的濕密度及干密度,計算精度為0.01 g/cm3,同時計算相應(yīng)含水量。將炒干的砂礫料過60 mm篩,計算出粒徑>60 mm顆粒的含量。試坑直徑為砂礫料最大粒徑的3～5倍,取樣數(shù)量一般在50 kg以上。

4　碾壓試驗結(jié)果

4.1　鋪土厚度40 cm

碾壓4、8遍時取樣10個,碾壓10、12遍時取樣8個,試驗成果見表1、圖1,碾壓遍數(shù)與試驗干密度的關(guān)系曲線見圖2。從表1及圖1、圖2中可以看出:碾壓4、8遍時,其中9個干密度大于設(shè)計要求的干密度(即合格率為90%),另1個小于設(shè)計干密度的樣品能滿足設(shè)計要求干密度的98%。碾壓10～12遍合格率為100%。

4.2　鋪土厚度50 cm

碾壓4、8遍時取樣11個,碾壓10、12遍時取樣7個,碾壓試驗成果見表1、圖3,碾壓遍數(shù)與試驗干密度的關(guān)系曲線見圖4。從表1及圖3、圖4中可以看出:碾壓4遍時,其中合格試樣為6個(合格率為85.7%),另1個不合格試樣的干密度為設(shè)計干密度的98%。碾壓8遍和8遍以上時合格率為100%。

圖1　鋪料厚度40 cm試驗干密度與設(shè)計干密度對比圖

圖2　碾壓遍數(shù)與干密度曲線圖(鋪料厚度40 cm)

圖3　鋪料厚度50 cm試驗干密度與設(shè)計干密度對比圖

圖4　碾壓遍數(shù)與干密度曲線圖(鋪料厚度50 cm)

表1碾壓試驗成果表

Table 1Result table of compaction test

注：左側(cè)設(shè)計ρd=2.03 g/cm3(P=0時),鋪土厚度40 cm；右側(cè)設(shè)計ρd=1.895 g/cm3(P=0),鋪土厚度50 cm。

5　試驗成果分析及討論

5.1　料場砂礫料的不均一性

無粘性土的顆粒組成是反映其基本特性的主要依據(jù),如壓實和滲流特性等。依據(jù)各粒徑組的含量繪制的分布曲線和累積曲線圖可辨別其均勻性,根據(jù)兩次所取試樣分析,應(yīng)屬于級配不良的砂礫料。砂礫料缺乏中間粒徑,1.0～10.0 mm粒徑之間的顆粒含量只占全重的12%～25%;2.0～20 mm粒徑之間的顆粒含量只占全重的9%。這種砂礫料是經(jīng)過多次沖(洪)積而形成的粗細(xì)兩種料的混合體。這種土的級配離散性很大,在同一坑內(nèi)其深度分布亦是明顯不同的,不同探坑受當(dāng)時沉積環(huán)境及條件影響其水平方向往往亦是差異很大,因而其壓實特性也不相同。這種不連續(xù)級配的土在中國多數(shù)上游河道中分布廣泛,而且在河北省分布亦極為廣泛,如密云、岳城、黃壁莊等地。

此次砂礫料場5個試樣的最大、最小干密度離散性很大,最小干密度為1.53～1.83 g/cm3,最大干密度為1.81～2.13 g/cm3,這樣就給如何確定設(shè)計Dr≥0.7時的干密度亦即壓實控制指標(biāo)提出了一個問題,也必然給施工造成一定的困難。

5.2　相對密度 Dr≥0.7時最大干密度(ρdmax)與最小干密度(ρdmin)的確定

設(shè)計要求的相對密度(Dr)確定以后,如何合理地確定對應(yīng)的砂礫料設(shè)計最小干密度是一個至關(guān)重要的問題。因為設(shè)計最小干密度的數(shù)值直接影響大壩質(zhì)量和施工的難易,如果數(shù)值確定不合適甚至還有可能達(dá)不到要求。

結(jié)合料場的條件分析,從現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗成果看,可以將料場劃分為兩個區(qū)域:即以探坑TTK31、TTK34、TTK37為代表的較粗類砂礫料區(qū)(Ⅰ區(qū))和以探坑TTK22、TTK25為代表的較細(xì)類砂礫料區(qū)(Ⅱ區(qū))。

以上兩個區(qū)域粒徑<60 mm時的最大、最小干密度平均值分別為Ⅰ區(qū):2.020 g/cm3、1.760 g/cm3,相應(yīng)的Dr=0.7時的設(shè)計干密度為1.934 g/cm3。Ⅱ區(qū):1.840 g/cm3、1.565 g/cm3;相應(yīng)的Dr=0.7時的設(shè)計干密度為1.748 g/cm3。

6　結(jié)論

(1)采用YZ14B型(14 t)震動壓路機(jī),鋪料厚度為40 cm,碾壓10遍可達(dá)到設(shè)計要求;鋪料厚度為50 cm,碾壓8遍,可以達(dá)到設(shè)計要求(Dr≥0.7)。

(2)因從料場開采來的砂礫料為潮濕狀態(tài),建議碾壓前加水一次,然后邊加水邊碾壓,總加水量為所碾壓砂礫料體積的20%～35%。含水量控制在8%上下,碾壓效果較好。

參考文獻(xiàn):

[1]SL237—1999,土工試驗規(guī)程[S].

[2]SDJ213—83,碾壓式土石壩施工技術(shù)規(guī)范[S].