礫石土防滲料壓實(shí)特性

周怡，彭振斌，何忠明，尹泉

(1.中南大學(xué)地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南長沙，410083；2.湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南益陽，413000；3.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南長沙，410114)

礫石土具有壓實(shí)性好、工后沉降小等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于高土石壩心墻防滲。由于這種土料顆粒級(jí)配范圍寬廣，且多具有不均勻、不穩(wěn)定、不連續(xù)的特點(diǎn)，其工程性質(zhì)的研究[1-5]一直是土石壩工程研究者的重點(diǎn)。隨著國內(nèi)外土石壩發(fā)展迅速，人們對礫石土作為防滲料進(jìn)行了大量研究[6-12]，如：陳志波等[6]對不同摻礫量的礫石土進(jìn)行了擊實(shí)試驗(yàn)，研究了礫石土在不同粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同結(jié)構(gòu)下的壓實(shí)特性，并對擊實(shí)作用下顆粒破碎規(guī)律進(jìn)行了分析；饒錫保等[7]結(jié)合水布埡工程實(shí)際研究了粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對礫石土壓實(shí)性、滲透性、壓縮性、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系參數(shù)的影響，認(rèn)為礫石土壓實(shí)性和滲透性除與粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)有關(guān)外，還與細(xì)料特性有關(guān)；史新等[8]通過試驗(yàn)探究了土體的細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、細(xì)粒物理特性、擊實(shí)功以及顆粒級(jí)配等多種因素對滲透系數(shù)的影響規(guī)律，并提出了以界限含水率和細(xì)粒料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為控制指標(biāo)的寬級(jí)配土防滲料的控制標(biāo)準(zhǔn)；高鵬等[9]通過試驗(yàn)研究認(rèn)為摻礫比為40%的心墻防滲料的變形和強(qiáng)度較高，臨界水力梯度最高，摻礫比為30%和40%的心墻防滲料滲透系數(shù)更接近規(guī)范要求。由于礫石土具有級(jí)配范圍廣、均勻性差的特殊性，其室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場壓實(shí)試驗(yàn)之間的對應(yīng)關(guān)系還不明確，僅僅依靠室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果難以反映實(shí)際填筑壩體的工程特性。現(xiàn)行的“土工試驗(yàn)規(guī)程”“碾壓式土石壩施工規(guī)范”等[13-14]都沒有明確其質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。為此，人們對尺寸效應(yīng)進(jìn)行了大量研究，如翁厚洋等[15-17]對粗粒料縮尺效應(yīng)影響因素進(jìn)行了系列研究，認(rèn)為縮尺后的試驗(yàn)級(jí)配料工程特性與原型級(jí)配料工程特性往往存在很大差異；保華富等[18]認(rèn)為對于相同P5(即粒徑大于5 mm 的顆粒)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和相同擊實(shí)功能，增大試驗(yàn)儀器尺寸可提高礫石土的最大干密度，特別是當(dāng)P5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高時(shí)更明顯，反映了土料級(jí)配縮尺效應(yīng)的影響。雖然人們積累了很多相關(guān)土石壩施工經(jīng)驗(yàn)，但由于土的種類等千差萬別，研究結(jié)果缺乏可比性，因此，在當(dāng)前實(shí)際工程狀況下，一些重大的水電站大壩[9,11-12,19]填筑工程依然需要通過現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)[20-23]來論證根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)成果確定的土料控制標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)前施工水平和工藝條件下的可靠性。本文作者圍繞土料的壓實(shí)性以及滲透性問題，在室內(nèi)試驗(yàn)基礎(chǔ)上選出具有代表性的礫石土防料進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，在碾壓過程中進(jìn)行含水率試驗(yàn)、灌砂法密度試驗(yàn)、雙環(huán)垂直滲透試驗(yàn)和取樣壓縮試驗(yàn)，探究不同碾壓方式下不同級(jí)配礫石土的壓實(shí)度、滲透系數(shù)和壓縮模量等壓實(shí)特性，選出礫石土最優(yōu)級(jí)配及其對應(yīng)的碾壓參數(shù)，以便為其他類似土石壩工程設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果篩選出具有代表性的3組不同級(jí)配土料進(jìn)行現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)。土樣顆粒級(jí)配組成見表1。表1中，土樣中顆粒粒徑均小于60 mm，其中粒徑小于5 mm 的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～55%，依據(jù)SL 234—2001“碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范”，土樣命名為礫石土。

利用重型擊實(shí)儀通過對不同含水率的土體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，測定各種狀態(tài)下土的含水率與干密度的關(guān)系，見圖1。由圖1得出3種級(jí)配土料(礫石土①、礫石土②和礫石土③)的最大干密度和最優(yōu)含水率。

表1 土料顆粒級(jí)配組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Grading compositions of soil particles %

圖1 不同級(jí)配礫石土的干密度(ρd)與水質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω的關(guān)系Fig.1 Relationship between dry density and water mass fraction with different gradation gravelly soils

2 碾壓實(shí)驗(yàn)方案

采用18 t 振動(dòng)凸塊碾進(jìn)退錯(cuò)距法和25 kJ 三邊輪沖擊碾回轉(zhuǎn)法進(jìn)行碾壓，最后采用Z18光輪機(jī)平碾1遍，試驗(yàn)選取碾壓參數(shù)，如表2所示。

表2 碾壓試驗(yàn)主要參數(shù)Table 2 Main parameters of rolling test

結(jié)合礫石土防滲料特點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)康?，分A 區(qū)和B 區(qū)進(jìn)行碾壓實(shí)驗(yàn)，分別采用2 種碾壓方式對3種不同級(jí)配礫石土進(jìn)行試驗(yàn)。碾壓試驗(yàn)共設(shè)試驗(yàn)條塊數(shù)6個(gè)，在每個(gè)試驗(yàn)條塊分層壓實(shí)土體進(jìn)行現(xiàn)場密度試驗(yàn)、含水率試驗(yàn)、滲透試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)，分別在每一次碾壓后對各層土進(jìn)行上述試驗(yàn)，每種試驗(yàn)各進(jìn)行3次，在允許誤差范圍內(nèi)取各指標(biāo)的算術(shù)平均值，若指標(biāo)算術(shù)平均值超過允許值則補(bǔ)做1組。試驗(yàn)單元共432組，現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)分區(qū)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)分區(qū)Fig.2 Field rolling test area

3 碾壓試驗(yàn)結(jié)果與分析

對于礫石土心墻而言，重點(diǎn)考察的指標(biāo)為壓實(shí)度、滲透系數(shù)和壓縮模量，故選這3種指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 壓實(shí)度

礫石土的壓實(shí)效果直接影響土石壩的變形和穩(wěn)定，同時(shí)影響土料的防滲性能，而現(xiàn)場干密度是控制壓實(shí)度是否滿足設(shè)計(jì)要求的最直接指標(biāo)。本次采用灌砂法現(xiàn)場進(jìn)行干密度試驗(yàn)，對3種不同級(jí)配礫石土的含水率ωf和密實(shí)度進(jìn)行檢測，計(jì)算土料干密度ρdf，再由干密度ρdf與現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)所得最大干密度ρdmax的比值求出壓實(shí)度，不同碾壓條件下壓實(shí)度見表3～5。

從表3～5可知：整體上看，各級(jí)配礫石土在凸碾和沖碾試驗(yàn)中壓實(shí)度均在98%以上，滿足碾壓土石壩對壓實(shí)度的要求；礫石土①凸碾含水率為6.7%～7.7%，沖碾含水率為6.5%～7.5%；礫石土②凸碾含水率為7.1%～8.0%，沖碾含水率為6.7%～7.8%；礫石土③凸碾含水率為7.4%～8.3%，沖碾含水率為7.2%～8.3%。3 種礫石土含水率均在最優(yōu)含水率ωop±1%范圍內(nèi)，說明現(xiàn)場含水率控制得當(dāng)。

表3 礫石土①壓實(shí)度檢測結(jié)果Table 3 Compaction test results of gravel soil ①

表4 礫石土②壓實(shí)度檢測結(jié)果Table 4 Compaction test results of gravel soil ②

表5 礫石土③壓實(shí)度檢測結(jié)果Table 5 Compaction test results of gravel soil ③

從表3～5還可看出：各礫石土分層碾壓測出的壓實(shí)度非常接近，上下層之間差別甚小，其原因可能是土料顆粒級(jí)配組成良好，土體中細(xì)顆粒將大顆粒中的孔隙填滿，土體顆粒之間的距離接近于雙電層的厚度[24]。由于雙電層的斥力作用，難以進(jìn)一步壓實(shí)，因此，土體孔隙結(jié)構(gòu)、壓實(shí)度趨于穩(wěn)定。

3.2 滲透系數(shù)

作為防滲料，在保證壓實(shí)度的同時(shí)，其滲透性也必須得到保證，防止管涌等情況發(fā)生，“碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范”對礫石土防滲料滲透系數(shù)的要求小于1.0×10-5cm/s。采用雙環(huán)法進(jìn)行現(xiàn)場垂直滲透試驗(yàn)，加水后測量滲透速度，當(dāng)滲透穩(wěn)定后，在1 h 內(nèi)測量滲入量5～6 次，計(jì)算平均滲透系數(shù)。3種不同級(jí)配礫石土在凸碾和沖碾振動(dòng)壓實(shí)后的滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 凸碾滲透試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Penetration test results of convex roller

圖4 沖碾滲透試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Penetration test results of impact roller

從圖3可以看出：礫石土①的滲透系數(shù)為9.37×10-6～9.56×10-6cm/s，最上層滲透系數(shù)分別為9.37×10-6，9.56×10-6和9.37×10-6cm/s，第二層滲透系數(shù)為8.67×10-6和8.50×10-6cm/s，最下層滲透系數(shù)為8.40×10-6cm/s，下層土滲透系數(shù)比上層土的小，減小幅度達(dá)到10%以上，而相同土層檢測的滲透系數(shù)相近，相對幅值不超過5%；第二層滲透系數(shù)與底層土的滲透系數(shù)幾乎一致，相對幅值不超過1%。由此可見，第二層土為相對穩(wěn)定層，故本實(shí)驗(yàn)中取第二層土的滲透系數(shù)算術(shù)平均值來表征該級(jí)配的滲透性能，從而得出礫石土①的滲透系數(shù)為8.58×10-6cm/s。類似地，可得礫石土②的滲透系數(shù)為6.61×10-6cm/s，礫石土③的滲透系數(shù)為4.45×10-6cm/s。從圖4同理得出沖碾試驗(yàn)中礫石土①的滲透系數(shù)為7.72×10-6cm/s，礫石土②的滲透系數(shù)為5.60×10-6cm/s，礫石土③的滲透系數(shù)為3.30×10-6cm/s。由試驗(yàn)結(jié)果可知，滲透系數(shù)隨礫石土粒度中小于5 mm 顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而減小，礫石土細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)由45%增加到55%，凸碾試驗(yàn)滲透系數(shù)由8.58×10-6cm/s 減小至4.45×10-6cm/s，減小幅值為48.2%，沖碾試驗(yàn)滲透系數(shù)由7.72×10-6cm/s 減小至3.30×10-6cm/s，減小幅值為57.2%，但均未出現(xiàn)數(shù)量級(jí)變化。這是因?yàn)榈[質(zhì)土隨顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化呈現(xiàn)出懸浮-密實(shí)、密實(shí)-骨架和骨架-空隙3 種不同結(jié)構(gòu)，不同顆粒結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的壓實(shí)特性。本試驗(yàn)所選細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～55%的礫石土結(jié)構(gòu)為密實(shí)-骨架結(jié)構(gòu)，孔隙比維持在較高值。細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，孔隙的孔徑會(huì)越小，滲流路徑不如骨架孔隙結(jié)構(gòu)通暢，而是變得迂回曲折，所以，當(dāng)細(xì)粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加、粗粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小時(shí)，土體滲透系數(shù)有所增大，但不會(huì)呈數(shù)量級(jí)增大。

對比圖3和圖4還可發(fā)現(xiàn)：同一礫石土由于碾壓方式不同，所得滲透系數(shù)出現(xiàn)一定差異，同一級(jí)配礫石土凸碾滲透系數(shù)整體上大于沖碾滲透系數(shù)。例如，礫石土①凸碾滲透系數(shù)為8.58×10-6cm/s，沖碾滲透系數(shù)為7.72×10-6cm/s，相對差為10%；礫石土②凸碾滲透系數(shù)為6.61×10-6cm/s，沖碾滲透系數(shù)為5.60×10-6cm/s，相對差為15%。究其原因是影響礫石土滲透系數(shù)的因素除了土料性質(zhì)和土料結(jié)構(gòu)之外，壓實(shí)設(shè)備也有很大影響，主要包括壓實(shí)設(shè)備的振動(dòng)頻率、激振力等。試驗(yàn)中采用的2 種設(shè)備中，沖碾速度為10～12 km/s，比凸碾速度2～3 km/s高4～5倍。速度越快，振動(dòng)頻率越高，作用能越大，顆粒壓實(shí)更緊密，進(jìn)而使得滲透系數(shù)更小。綜合上述分析，本試驗(yàn)中對礫石土滲透系數(shù)而言，采用沖碾壓實(shí)的礫石土③滲透系數(shù)最小。

3.3 壓縮模量

采取現(xiàn)場取樣進(jìn)行快速固結(jié)壓縮試驗(yàn)，由固結(jié)壓縮試驗(yàn)得到的壓縮性指標(biāo)主要有壓縮系數(shù)和壓縮模量等。壓縮系數(shù)是評(píng)價(jià)土體壓縮性的主要參數(shù)，壓縮模量則用于計(jì)算沉降，是評(píng)價(jià)防滲料力學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)。本次試驗(yàn)檢測結(jié)果如圖5和圖6所示。

在0.1～0.2 MPa 壓強(qiáng)下，礫石土的壓縮模量ES1-2一般都在50 MPa 以上，壓縮性較低，這是由礫石土的顆粒組成決定的。由圖5可看出：礫石土①，②和③壓縮模量分別為77.98～82.64，72.56～77.58和63.37～67.06 MPa。由圖6可看出：礫石土①，②和③壓縮模量分別為80.32～85.12，76.01～79.93和69.71～74.43 MPa。從檢測結(jié)果可知：在2種碾壓方式下，壓縮模量由大至小的礫石土依次為礫石土①、礫石土②和礫石土③，這與礫石土P5質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定的相關(guān)性；隨礫石土P5質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，壓縮模量增大，3 種礫石土顆粒級(jí)配中，礫石土①中P5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，壓縮模量也相應(yīng)最大。

圖5 凸碾壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of convex rolling compression

圖6 沖碾壓縮試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of impact rolling and compression

從圖5和圖6可見：同一級(jí)配礫石土、同樣的鋪土厚度分層碾壓后所測得的壓縮模量不同，以圖4中礫石土②為例，上層土即1①，2①和3①壓縮模量分別為76.01，77.06 和77.90 MPa，中間層土2 ②和3 ②壓縮模量分別為79.19 MPa 和79.84 MPa，底層土3③壓縮模量為79.93 MPa。由此可見，分層碾壓礫石土壓縮模量上層較小，中間層次之，底層較大；底層與中間層壓縮模量相差很小，且各平行層之間壓縮模量相差不大。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是當(dāng)碾壓沖擊力足夠大時(shí)，碾壓有效應(yīng)力使得上層粗顆粒受到擠壓滑移往下擠，再擠密下層的細(xì)顆粒，從而出現(xiàn)在同一礫石土、同樣鋪土厚度下，下層土壓縮模量比上層土壓縮模量大的現(xiàn)象。而最下層土與第二層土的壓縮模量極相近，是因?yàn)槟芰康膫鬟f通過土顆粒之間作功，在第二層土已經(jīng)消耗殆盡，故底層土幾乎無法受到能量傳遞的影響，也就出現(xiàn)了第二層土與底層土壓縮模量幾乎無變化的試驗(yàn)結(jié)果。故本實(shí)驗(yàn)取相對穩(wěn)定的第二層土的壓縮模量算術(shù)平均值來表征該土樣的壓縮性能，由此得出：在A和B試驗(yàn)區(qū)，礫石土①的壓縮模量分別為81.84 MPa 和84.96 MPa，礫石土②的壓縮模量分別為77.35 MPa和79.52 MPa，礫石土③的壓縮模量分別為66.95 MPa和73.65 MPa。

由圖5和圖6還可看出：在2 種不同碾壓方式下，沖碾比凸碾壓縮模量普遍偏大。這是因?yàn)闆_碾振動(dòng)產(chǎn)生的作用能力比凸碾的大，沖擊碾振動(dòng)沖擊力產(chǎn)生振動(dòng)波使土顆粒重新排列呈更緊密的聯(lián)鎖狀態(tài)。經(jīng)綜合對比，采用沖碾壓實(shí)的礫石土①壓縮模量最大。

4 結(jié)論

1)礫石土①、礫石土②和礫石土③壓實(shí)度均大于98%，3種級(jí)配礫石土試驗(yàn)結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)場試驗(yàn)選用碾壓參數(shù)合理。

2)粒度小于5 mm的礫石土質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，滲透系數(shù)越小。粒度低于5 mm的礫石土①，②和③質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為45%，50%和55%。在現(xiàn)場A區(qū)凸碾滲透試驗(yàn)中，礫石土①，②和③的滲透系數(shù)分別為8.58×10-6，6.61×10-6和4.45×10-6cm/s，滲透系數(shù)最大減小幅度達(dá)48.2%；在B 區(qū)沖碾試驗(yàn)中，礫石土①，②和③的滲透系數(shù)分別為7.72×10-6，5.60×10-6和3.30×10-6cm/s，滲透系數(shù)最大減小幅度達(dá)57.2%。B 區(qū)沖碾壓實(shí)礫石土③滲透系數(shù)最小，為3.30×10-6cm/s。

3)礫石土中P5質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，壓縮模量越大。本場試驗(yàn)中，P5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)由大至小對應(yīng)的礫石土依次為礫石土①、礫石土②和礫石土③，壓縮模量由大至小對應(yīng)的礫石土依次為礫石土①、礫石土②和礫石土③。整體上，A區(qū)凸碾滲透系數(shù)小于B 區(qū)沖碾滲透系數(shù)；B 區(qū)礫石土①壓縮模量最大，為84.96 MPa。

4)綜合對比凸碾和沖碾這2種碾壓方式，兼顧滲透系數(shù)和壓縮模量這2個(gè)參數(shù)，認(rèn)為采用沖碾壓實(shí)的礫石土②級(jí)配最佳。