關(guān)于粗粒土壓實(shí)施工中的加水問題

駱勇軍，楊 蓓

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江同方房產(chǎn)開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310020）

關(guān)于粗粒土壓實(shí)施工中的加水問題

駱勇軍1，楊 蓓2

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江同方房產(chǎn)開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310020）

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)資料，以及若干工程施工實(shí)例，分析土石壩工程中粗粒土加水壓實(shí)的條件和加水量的控制，以期在提高壓實(shí)度的同時(shí)，盡量節(jié)約外加水量，降低施工成本。

粗粒土；加水；壓實(shí)度；土石壩

1 問題的提出

由于粗粒土在自然界分布廣泛，儲(chǔ)量十分豐富，且各種工程性能良好，價(jià)廉、施工速度快、力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，是土石壩工程的主體材料。自20世紀(jì)50年代以后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，及各種大型土石方施工機(jī)械的問世，推動(dòng)了土石壩工程的大發(fā)展，使100 m以上高壩建設(shè)成為可能，并在港工、高速公路、機(jī)場(chǎng)等大型工程中得到廣泛應(yīng)用。

粗粒土加水壓實(shí)是土石壩工程中長(zhǎng)期沿用的施工方法，根據(jù)土石壩施工經(jīng)驗(yàn)砂礫料加水量為30% ～ 40%，堆石壩加水量為30% ～ 50%（以鋪料分層體積計(jì)）。但是，國(guó)內(nèi)外施工實(shí)際及試驗(yàn)資料分析表明，加水壓密并非土石壩施工作業(yè)的必要條件，因?yàn)榇至Ｍ恋膸r性和級(jí)配、風(fēng)化程度等因素，情況比較復(fù)雜，應(yīng)有針對(duì)性地控制應(yīng)用。

2 砂礫石料加水對(duì)壓實(shí)密度的影響

為了研究外加水在砂礫石料壓實(shí)中的作用，特選用浙江省陳蔡水庫(kù)3組級(jí)配料的試驗(yàn)成果為例［1］。試驗(yàn)條件為：試料粗粒含量分別是p5= 79.0%、p5= 68.6%、p5= 50.0%；最大粒徑dmax= 10 cm，D/dmax= 5，容積桶尺寸50 cm×55 cm（直徑D×高H）徑之比。試驗(yàn)時(shí)將容積桶置于混凝土振動(dòng)臺(tái)上，分3層進(jìn)行振動(dòng)密實(shí)，模擬現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)碾壓施工的作用。外加水量按試料干重的2%，4%，6%，8%，10%及12%分次計(jì)量加入桶內(nèi)，最后得到圖1（a）中各種含水率條件下的最大干密度值ρdmax。

圖1(a)表示最大干密度與含水率的關(guān)系曲線，圖中曲線上A、B、C三個(gè)點(diǎn)，代表3種級(jí)配狀態(tài)在不同含水率條件下的壓密特性。A點(diǎn)為風(fēng)干狀態(tài)的密度，B點(diǎn)處于曲線的谷點(diǎn)，即最不利的含水狀態(tài)，C點(diǎn)為接近飽和狀態(tài)的密度值。在不同級(jí)配情況下，由于含水率變化，改變了試料表面的摩擦力狀態(tài)，因此有的A點(diǎn)密度大于C點(diǎn)，有的A點(diǎn)密度小于C點(diǎn)。

砂礫料是由河道上游和兩岸崩坍巖塊經(jīng)水力沖擊、搬運(yùn)沉積于河床的天然建筑材料，材質(zhì)堅(jiān)硬，表面光滑圓潤(rùn)，所以在振動(dòng)荷載作用下干燥的時(shí)候粒間阻力最小，粗細(xì)顆粒能自由移動(dòng)相互填充孔隙，可獲得較大的干密度值；如試料處于潮濕狀態(tài)，因顆粒表面水分子作用產(chǎn)生假凝聚力，阻止顆粒自由移動(dòng)，潮濕時(shí)的阻力最大，在相同動(dòng)荷載作用條件下，干密度值偏?。浑S著含水率增大，表面水膜增厚，粒間阻力減小，干密度也隨之增大，當(dāng)含水率增至飽和度90.0%左右，相當(dāng)于黏性土最優(yōu)含水率狀態(tài)，干密度達(dá)最大值。

圖1（b）為不同級(jí)配情況的最大干密度變化規(guī)律，E、F點(diǎn)范圍內(nèi)，為加水壓實(shí)的有效區(qū)。上述成果表述了粗粒土不同級(jí)配條件下隨含水率變化的壓實(shí)密度的變化規(guī)律。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)碾壓施工起到很好的指導(dǎo)作用。

圖1 （a） 3組砂礫料密度ρdmax~ ω關(guān)系曲線圖

圖1 （b） 最大干密度~粗料含量Ps關(guān)系曲線圖

（1）彈簧土都集中在1區(qū)，含水飽和度st≥80.0%，含泥量ni≥8%，其它2、3、4區(qū)均屬正常。

（2）根據(jù)土體存在三相形態(tài)分析，彈簧土處于氣封閉狀態(tài)，填充在粗粒孔隙中的泥砂混合物呈滲透性很低的塑流狀況，土中氣泡被孔隙水分隔、孤立，因此反復(fù)碾壓土體只能產(chǎn)生形狀變形，不會(huì)產(chǎn)生體積縮小。所以橋墩水庫(kù)含泥砂礫石碾壓施工中發(fā)生的反?，F(xiàn)象，正是土體呈處氣封閉的必然結(jié)果。

（3）彈簧土病害對(duì)工程安全影響很大，因含泥量大而不能自由排水，土體存在孔隙壓力高而長(zhǎng)期不固結(jié)和抗剪強(qiáng)度低的后果，水庫(kù)蓄水后可能發(fā)生滑坡等工程危險(xiǎn)。所以工程上對(duì)彈簧土都采取挖除處理。

3 含泥砂礫料壓實(shí)的加水控制

圖2 彈簧土與非彈簧土分布圖

河床天然沉積砂礫石料中，一般都含有一定量的極細(xì)顆粒，其中小于0.100 mm顆粒稱泥，泥質(zhì)顆粒中含極細(xì)砂、粉砂和大于0.005 mm的黏土粒3種。根據(jù)3種顆粒含量大小，工程上有黏性泥和砂性泥之別。由室內(nèi)抗剪強(qiáng)度和滲透試驗(yàn)表明，含泥量＞10%時(shí)，抗剪強(qiáng)度明顯減小，滲透系數(shù)顯著減小，故在現(xiàn)行規(guī)范中，要求上壩砂礫料含泥量不大于10%。結(jié)合工程實(shí)例，說明黏性含泥砂礫料壓實(shí)施工中加水控制的重要性。

浙江省橋墩水庫(kù)位于溫州市南部地區(qū)，壩高45.7 m，原為黏土斜墻砂礫石壩，因某些壩段發(fā)生滲透變形，危及工程安全，遂于1984年第3季度開始進(jìn)行加固加高處理。在老壩上游側(cè)加建瀝青混凝土斜墻，并在老壩上游礫石壩體6.0 m范圍內(nèi)進(jìn)行開挖重新壓實(shí)措施。要求翻挖后新壩體相對(duì)密度達(dá)0.8。壩料用庫(kù)區(qū)河床沉積的天然砂礫石料，施工控制鋪料厚60 ～ 80 cm，用國(guó)產(chǎn)12.0 t振動(dòng)平碾噴水后壓6遍。但是施工過程中卻發(fā)生大面積的“彈簧土”。碾壓之初出現(xiàn)土面泥漿上涌，繼而發(fā)生填筑層土振動(dòng)碾前進(jìn)中呈彈性狀起伏，表面光滑濕潤(rùn)，干密度低。因此工程被逼停工處理。

為了尋找發(fā)生“彈簧土”的原因，工地組織技術(shù)人員對(duì)原材料和施工技術(shù)進(jìn)行全面分析。原材料的物理性指標(biāo)為：粗粒含量P5＝60.0% ～ 80.0%，含泥量ni＝6% ～ 15%，含泥中黏粒含量32% ～ 45%，塑性指數(shù)＞10，泥的顆分試驗(yàn)分類屬粉質(zhì)黏土或黏土，整體材料屬黏性含泥砂礫石。此外現(xiàn)場(chǎng)加水比較亂，水加多加少未予規(guī)范控制，碾壓過程中有的發(fā)生彈簧土，有的沒有發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)提供的50多個(gè)干密度試驗(yàn)資料，進(jìn)一步揭示了含泥砂礫石料發(fā)生彈簧土的機(jī)理，根據(jù)每個(gè)試樣的含泥量、含水飽和度和目測(cè)是否發(fā)生彈簧土情況，匯集成圖2的變化規(guī)律，50多個(gè)點(diǎn)形成4個(gè)自然特征區(qū)［1］。由此得出以下幾點(diǎn)：

4 堆石料壓實(shí)加水問題

20世紀(jì)50年代以前，堆石筑壩大都采用拋填的施工方法。石料運(yùn)到壩面，借助岸坡、棧橋或索道從幾米至幾十米高處拋下，依靠塊石自重的沖擊力和高壓水的沖射作用，使堆石料得到一定程度的密實(shí)。該法要求塊石尺寸大，并限制細(xì)顆粒含量，因而拋石壩體的孔隙率可能達(dá)到30% ～40%，壩體沉陷量可達(dá)壩高的1% ～ 2%，容易引起防滲體開裂。自20世紀(jì)60年代以后，隨著振動(dòng)碾壓機(jī)的問世和級(jí)配料爆破技術(shù)的應(yīng)用，堆石筑壩工程普遍采用振動(dòng)壓實(shí)的施工方法，大大提高了堆石壩的質(zhì)量，孔隙率一般都能達(dá)到25% ～ 30%，甚至更小的水平［2］。

由于堆石料筑壩采用級(jí)配料薄層鋪土和振動(dòng)壓實(shí)的新工藝，工程質(zhì)量大為提高，所以國(guó)內(nèi)外堆石壩很多選用不加水壓實(shí)的施工方法。如建于1974 — 1980年的日本手提川心墻堆石壩，最大壩高153 m，壩殼用礫巖、片麻巖堆石，填筑中采用不加水壓實(shí)；建于1961 — 1965年的奧地利界伯奇心墻堆石壩，最大壩高153 m，壩殼料用粒狀片麻巖料，用8.5 t振動(dòng)碾壓實(shí)，碾壓時(shí)不加水；建于1967 — 1969年的美國(guó)卡爾臺(tái)爾心墻堆石壩，最大壩高141 m，壩殼為石英巖，層厚0.6 ～ 0.9 m，不加水用13.6 t振動(dòng)平碾壓6遍。

國(guó)內(nèi)也有多個(gè)堆石壩和砂礫壩不加水壓實(shí)的成功實(shí)例。如黃河小浪底黏土斜墻堆石壩，壩高154 m，壩殼料為硅質(zhì)砂巖，施工期間曾在1995年11月和1995年12月進(jìn)行了2次加水和不加水試驗(yàn)，堆石填筑層按1.0 m厚控制，每層用17.0 t自行式振動(dòng)碾壓6遍。加水量按填筑工程量50%控制，試驗(yàn)結(jié)果為：第1次試驗(yàn)加水碾壓實(shí)測(cè)干密度為2.12 g/m3，不加水碾壓干密度也為2.12 g/m3，相差為0；第2次試驗(yàn)不加水碾壓實(shí)測(cè)干密度為2.14 g /m3，加水碾壓干密度平均值為2.15 g /m3，兩者相差0.01 g/m3。沉降變形加水與不加水僅增加1 ～ 3 mm，說明加水效果甚微。

浙江省橫山水庫(kù)原為中型黏土心墻砂礫石壩，20世紀(jì)60年代建成，為了增加庫(kù)容，于80年代用混凝土面板堆石壩加高10 m，施工期間曾進(jìn)行1次對(duì)填筑料加水與不加水的碾壓對(duì)比試驗(yàn)，堆石料最大粒徑70 cm，填筑層厚80 cm，國(guó)產(chǎn)中型振動(dòng)碾壓機(jī)壓6遍。加水量為碾壓層體積的0%，10%，20%及40%，4種加水狀況的干密度值非常相近，只是沉降量相差1 ～ 2 mm。

上述工程實(shí)例表明，對(duì)硬質(zhì)堆石料加水在短期內(nèi)并沒有引起軟化棱角、降低壩料表面的摩擦力作用，說明用干碾壓密實(shí)壩體在使用上是有效合理的。

5 對(duì)軟巖和石渣料的加水壓實(shí)問題

堆石料和石渣料根據(jù)巖石的力學(xué)性質(zhì)有個(gè)區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)：凡是吸水率小于2%、軟化系數(shù)大于0.7，飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于30 MPa的巖石，軟弱顆粒含量小于15%，稱為堆石料。反之，凡吸水率大于2%，軟化系數(shù)小于0.7，飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于30 MPa的巖石，統(tǒng)稱石渣料。由于石渣料來自軟質(zhì)巖，工程地基或邊坡修理開挖料，顆粒較細(xì)，并含有一定量的風(fēng)化成分,在填筑施工中需要進(jìn)行灑水或沖水，根據(jù)巖性和細(xì)粒含量多少，加水量為0.5% ～ 1.5%不等，幫助細(xì)料進(jìn)入粗料孔隙，軟化石料棱角，改善級(jí)配。通過碾壓工序可獲得較大的密度，還可以加速石渣料在施工期的沉陷。因堆石料與石渣料在物理力學(xué)性質(zhì)上有較大差異，土石壩設(shè)計(jì)要求該種料放在壩體的次要部位，如下游干燥區(qū)和壩頂不透水位置。

6 結(jié) 語(yǔ)

（1）本文探討了土石壩工程中多種粗粒土加水對(duì)提高壓實(shí)密度的作用，由此闡述對(duì)粗粒土在碾壓施工中控制加水的必要性。如砂礫石料粗粒含量大于60%時(shí)，接近保護(hù)狀態(tài)加水，可以有效提高干密度；黏性含泥砂礫料含泥量大于8%，飽和度大于80.0%，則容易產(chǎn)生彈簧土；風(fēng)化料筑壩，碾壓要充分加水，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)通過工地碾壓試驗(yàn)確定加水量。

（2）干碾壓是堆石壩工程發(fā)展進(jìn)程中的一項(xiàng)新創(chuàng)舉，可以簡(jiǎn)化施工環(huán)節(jié)，縮短工期，避免河道污染，具有直接經(jīng)濟(jì)價(jià)值，特別在寒冷地區(qū)和缺水環(huán)境下建造土石壩有重要的實(shí)用意義。

（3）四川大學(xué)屈智炯、何昌榮等老師［3］根據(jù)國(guó)內(nèi)一批石渣壩工程的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合四川地區(qū)幾個(gè)典型工程石渣料的筑壩特性進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究，并在石渣壩設(shè)計(jì)施工質(zhì)量和安全性等方面作了全面論述，對(duì)其它工程應(yīng)用軟巖和各種工程棄料有推廣和借鑒意義。

[1] 張克昌.無黏性土壓實(shí)與含水率的試驗(yàn)及分析[J].水利水電技術(shù)，1986(8)：35.

[2]郭慶國(guó).粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].河南：黃河水利出版社，1998.

[3]屈智炯，何昌榮，劉雙光，等.新型石渣壩－粗粒土筑壩的理論與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

[4]黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.SL 274 — 2001碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，2002.

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

TU41

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1008 - 701X(2017)03 - 0050 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.015

2016-12-14

駱勇軍(1978 - )，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程設(shè)計(jì)工作。