大石峽高面板壩筑壩砂礫料現(xiàn)場大型相對密度試驗(yàn)

董承山，楊正權(quán)，王 龍，何 冰，劉瑩光

1.中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222 2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048 3.北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100055

0 引言

砂礫料以其本身壓實(shí)密度大、抗變形能力強(qiáng)和抗剪強(qiáng)度高等優(yōu)良工程特性，近年來在土石壩建設(shè)領(lǐng)域被廣泛使用。工程上通常采用相對密度指標(biāo)來衡量筑壩砂礫料碾壓后的密實(shí)程度[1-3]，它比壓實(shí)度更能體現(xiàn)粗粒土的密實(shí)程度[4-5]。砂礫料含礫量(P5)是指土中粒徑大于5 mm粒組土占總土的比例，不同級(jí)配或含礫量砂礫料的最大、最小干密度值是有差異的。當(dāng)前，確定不同級(jí)配(含礫量)砂礫料最大、最小干密度指標(biāo)，普遍采用的方法是室內(nèi)振動(dòng)臺(tái)相對密度試驗(yàn)方法。原型筑壩砂礫料的最大粒徑往往遠(yuǎn)超室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備的允許尺寸，通常都是對原型砂礫料按照一定規(guī)則縮尺得到實(shí)際試驗(yàn)用土料[6-11]，而且室內(nèi)試驗(yàn)所使用的振動(dòng)臺(tái)設(shè)備的擊實(shí)功能遠(yuǎn)低于現(xiàn)場實(shí)際碾壓設(shè)備，所以室內(nèi)相對密度試驗(yàn)不能很好地反映現(xiàn)場全級(jí)配砂礫料和施工碾壓的實(shí)際情況，經(jīng)常出現(xiàn)碾壓試驗(yàn)和現(xiàn)場施工檢測中相對密度大于1的不合理現(xiàn)象[12]?，F(xiàn)場大型相對密度試驗(yàn)是在工地現(xiàn)場，使用大型施工碾壓機(jī)械和相對密度桶對原始級(jí)配壩料進(jìn)行最大、最小干密度試驗(yàn)，這種方法很好地彌補(bǔ)了上述室內(nèi)試驗(yàn)成果受尺寸效應(yīng)影響和擊實(shí)功能不足的缺陷。

大石峽水利樞紐位于新疆阿克蘇市溫宿縣與烏什縣交界的阿克蘇河一級(jí)支流庫瑪拉克河上，工程為一等大(1)型工程，攔河壩為1級(jí)水工建筑物，最大壩高247 m，超過世界上已建成最高233 m的水布埡面板壩。隨著壩體高度的增加，壩體變形(施工期及運(yùn)行期)亦會(huì)增加，對混凝土面板及整個(gè)止水系統(tǒng)的影響會(huì)更大，因此對筑壩材料工程特性及壩體填筑標(biāo)準(zhǔn)有更高的要求。本文開展了大石峽面板壩筑壩砂礫料現(xiàn)場大型相對密度試驗(yàn)，研究砂礫料壓實(shí)特性，確定相對密度特性指標(biāo)，同時(shí)研究了強(qiáng)振碾壓對壩料顆粒破碎性態(tài)的影響，幫助工程人員充分認(rèn)識(shí)壩料的相對密度特性，以期為后續(xù)壩料碾壓試驗(yàn)和施工質(zhì)量檢測提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

砂礫料相對密度是指土料最疏松時(shí)孔隙比與現(xiàn)狀孔隙比的差值和最疏松時(shí)孔隙比與最密實(shí)時(shí)孔隙比的差值之比，表述如下：

(1)

式中：Dr是相對密度；emax為土體最疏松時(shí)的孔隙比；e為土體現(xiàn)狀孔隙比；emin為土體最密實(shí)時(shí)的孔隙比。

(2)

式中：ρdmax是最大干密度；ρdmin是最小干密度。

現(xiàn)場大型相對密度試驗(yàn)設(shè)備主要包括：碾壓機(jī)具為后續(xù)大壩碾壓施工采用的26 t振動(dòng)平碾；密度桶為帶底無蓋鋼桶，直徑120.0 cm，高80.0 cm，壁厚1.2 cm，該密度桶可以進(jìn)行壩料原始級(jí)配試驗(yàn)，基本消除了尺寸效應(yīng)的影響；粗粒土干密度檢測設(shè)備；配套施工機(jī)械和土料篩分設(shè)備等。

選定平整堅(jiān)實(shí)的場地作為相對密度試驗(yàn)場地。先用挖掘機(jī)挖一條寬2.5 m，長15.0 m，深1.2 m的溝槽，溝槽底部找平后用振動(dòng)碾壓實(shí)；將5個(gè)完全一樣的密度桶一排均勻布置在槽內(nèi)，密度桶周邊用和試驗(yàn)土料料性接近的土料填平后振動(dòng)碾壓，保證密度桶緊固于場地之中。安放完成后的密度桶和試驗(yàn)場地的總體情況如圖1所示。

設(shè)計(jì)采用的筑壩砂礫料特征級(jí)配曲線包括：平均級(jí)配線、上包級(jí)配線、下包級(jí)配線、上平均級(jí)配線和下平均級(jí)配線，這5種特征級(jí)配同時(shí)也表征了5種不同的含礫量。本次試驗(yàn)土料就是依據(jù)以上5種特征級(jí)配，在現(xiàn)場用原型砂礫料篩分后再經(jīng)人工配制而成。在對5種特征級(jí)配(含礫量)土料的試驗(yàn)完成后，還根據(jù)試驗(yàn)確定的最優(yōu)含礫量，再次配制最優(yōu)含礫量土料進(jìn)行復(fù)核試驗(yàn)。后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果表明，大石峽筑壩砂礫料的最優(yōu)(含礫量)級(jí)配線位于平均級(jí)配線和下平均級(jí)配線之間，故最大值復(fù)核試驗(yàn)土料級(jí)配根據(jù)平均級(jí)配線和下平均級(jí)配線采用內(nèi)插法確定。試驗(yàn)土料級(jí)配曲線如圖2所示。

先利用密度桶進(jìn)行最小干密度試驗(yàn)；在最小干密度試驗(yàn)完成后，再補(bǔ)充土料，采用施工實(shí)際碾壓機(jī)具對土料進(jìn)行振動(dòng)碾壓，確定土料的最大干密度。不管是最大干密度還是最小干密度，對特定級(jí)配土料都進(jìn)行兩次試驗(yàn)，取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，以減小偶然誤差。

圖1 相對密度試驗(yàn)場地Fig.1 Placement of the density buckets

最小干密度試驗(yàn)采用人工松填法進(jìn)行：將配制好的土料稱后均勻松填于密度桶中，裝填時(shí)將土料輕放入桶內(nèi)，防止沖擊和振動(dòng)，以盡量模擬土料的天然堆積狀態(tài)；土料松填至桶頂后，用剛性平直工具將桶的頂面找平，找平時(shí)應(yīng)盡量避免擾動(dòng)土樣；裝料完成后，記錄桶中填土的總質(zhì)量，根據(jù)裝填土重和桶的體積計(jì)算最小干密度。松填法裝樣過程如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)土料級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curves of soil

圖3 松填法進(jìn)行最小干密度測試Fig.3 Measurement of minimum dry density by loose filling method

最小干密度試驗(yàn)完成后，繼續(xù)進(jìn)行最大干密度試驗(yàn)：將最小干密度試驗(yàn)剩余土料攤鋪在密度桶表面及向四周一定范圍，攤鋪土料表面高出桶頂20 cm左右，保證土料攤鋪后的場地平整；振動(dòng)碾在場外起動(dòng)，行駛速率控制在2 km/h以內(nèi)，先在密度桶上部區(qū)域強(qiáng)振碾壓26遍后，再在每個(gè)密度桶范圍內(nèi)低速進(jìn)退強(qiáng)振碾壓15 min，碾壓過程中及時(shí)補(bǔ)充土料，使振動(dòng)碾不與密度桶直接接觸；強(qiáng)振碾壓完成后，將桶頂以上多余的土料去除找平；將桶內(nèi)土料全部挖出稱重，根據(jù)總土質(zhì)量和桶的體積計(jì)算最大干密度。筑壩砂礫料現(xiàn)場大型相對密度試驗(yàn)的填料、壓實(shí)機(jī)理如圖4所示。強(qiáng)振碾壓、密度桶找平后的情況如圖5所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果

先對5種不同級(jí)配(含礫量)的土料(對應(yīng)平均級(jí)配線、上包級(jí)配線、下包級(jí)配線、上平均級(jí)配線和下平均級(jí)配線)進(jìn)行了最大、最小干密度試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合確定最優(yōu)含礫量為78.0%。在確定最優(yōu)含礫量后，最大值復(fù)核試驗(yàn)土料級(jí)配根據(jù)平均級(jí)配線和下平均級(jí)配線采用內(nèi)插法確定。不同級(jí)配(含礫量)的土料最大、最小干密度測試結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，設(shè)計(jì)包線范圍內(nèi)，試驗(yàn)砂礫料的最大干密度為2.290～2.426 g/cm3；最小干密度為1.891～2.081 g/cm3。不管是最小干密度還是最大干密度，對應(yīng)最大壓實(shí)密度的最優(yōu)含礫量均是78.0%，介于平均級(jí)配和下平均級(jí)配之間。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制了大石峽面板壩筑壩砂礫料ρd-P5-Dr(干密度含礫量相對密度)三因素圖，如圖6所示。三因素圖中，體現(xiàn)了不同級(jí)配(含礫量)土料的最大、最小干密度值和不同相對密度對應(yīng)的絕對干密度值，可以作為評價(jià)筑壩砂礫料碾壓質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 最大干密度試驗(yàn)原理圖Fig.4 Principle diagram of maximum dry density test

圖5 強(qiáng)振碾壓后密度桶表面找平Fig.5 Density buckets leveling afterthe strong vibration compaction

Table1Testresultsofmaximumandminimumdrydensityofsoilwithdifferentgradation

含礫量/%最大干密度/(g/cm3)最小干密度/(g/cm3)632.2901.891692.3561.980752.4172.054782.4262.081812.3962.064872.3201.992

圖6 大石峽筑壩砂礫料相對密度ρd-P5-Dr三因素圖Fig.6 Three factors chart of relative density ρd-P5-Dr of gravel soil of Dashixia dam

從表1和圖6可以看出：

1)從總體量值上看，比較工程特性類似土料的室內(nèi)試驗(yàn)成果[1]，本次現(xiàn)場試驗(yàn)最大干密度測試結(jié)果較室內(nèi)試驗(yàn)要高得多。室內(nèi)試驗(yàn)受試驗(yàn)設(shè)備(密度桶)尺寸和擊實(shí)設(shè)備功能影響，測試結(jié)果較實(shí)際低得多，若不進(jìn)行合理的外延處理，難以用于后續(xù)原型土料的壓實(shí)質(zhì)量評價(jià)?，F(xiàn)場試驗(yàn)克服了室內(nèi)試驗(yàn)材料縮尺和擊實(shí)功能不能反映現(xiàn)場實(shí)際的缺點(diǎn)，測試結(jié)果更加可靠。

2)砂礫料的最大、最小干密度值，均表現(xiàn)出隨著含礫量增加而先增加、后減小的變化趨勢，存在有最優(yōu)含礫量特征值。相同壓實(shí)功作用下，土料的干密度最大。

3)大石峽筑壩砂礫料壓實(shí)質(zhì)量最優(yōu)含礫量介于平均級(jí)配和下平均級(jí)配之間，很接近于平均級(jí)配線，這表明料場土料主體是處于最優(yōu)級(jí)配附近，壩料質(zhì)量較好，料源可利用率高。

3 強(qiáng)振碾壓對砂礫料顆粒組成特性的影響

對每一個(gè)相對密度桶中的砂礫石料，在完成了最大干密度試驗(yàn)后，均對挖出的土料進(jìn)行顆粒級(jí)配分析并與原始試驗(yàn)料級(jí)配進(jìn)行比對，以考察不同級(jí)配砂礫料經(jīng)歷強(qiáng)振碾壓(最大干密度試驗(yàn))后級(jí)配的變化情況，并用破碎率來表征土料的顆粒破碎情況?？梢哉J(rèn)為，最小干密度試驗(yàn)對砂礫料的擠壓作用很小，不會(huì)使得土顆粒發(fā)生破碎，造成土料級(jí)配的變化。強(qiáng)振碾壓(最大干密度試驗(yàn))前后，不同級(jí)配砂礫料的破碎情況如表2所示。

表2強(qiáng)振碾壓(最大干密度試驗(yàn))前后不同級(jí)配砂礫料破碎率對比

Table2Comparisonofcrushingrateofgravelsoilwithdifferentgradationbeforeandafterstrongvibrationcompaction(maximumdrydensitytest)

砂礫料特征級(jí)配含礫量/% 破碎料/%第一次試驗(yàn)第二次試驗(yàn)平均值/% 上包線63.02.31.82.0上平均線69.01.81.61.7平均線75.01.61.11.4最大值復(fù)核78.00.81.11.0下平均線81.02.51.92.2下包線87.02.51,82.2

由表2可知，強(qiáng)振碾壓使得砂礫料發(fā)生了不同程度的破碎現(xiàn)象。由于試驗(yàn)料碾壓以前呈現(xiàn)弱膠結(jié)狀態(tài)，膠結(jié)顆粒碾壓后易破碎，不同級(jí)配土料碾壓后細(xì)料(粒徑小于5 mm土料)增加了1.0%～2.2%，越是偏離最優(yōu)級(jí)配較遠(yuǎn)的土料，其顆粒破碎越嚴(yán)重。

4 結(jié)論

1) 比較室內(nèi)試驗(yàn)成果，現(xiàn)場試驗(yàn)確定砂礫料最大干密度值有較大提高。

2) 隨著含礫量的增加，砂礫料的最大、最小干密度值先增加、后減小，存在壓實(shí)密度最高的最優(yōu)含礫量特征值。

3) 強(qiáng)振碾壓使得弱膠結(jié)砂礫料產(chǎn)生不同程度的顆粒破碎效應(yīng)，強(qiáng)振碾壓后砂礫料中的細(xì)粒土顯著提升，顆粒破碎的程度和土料的原始級(jí)配特性相關(guān)聯(lián)。