南水北調(diào)中線工程寬級配砂礫石料碾壓試驗

朱太山 張文峰 馬慧敏 李慶亮

摘?要：南水北調(diào)中線工程某段約4 km的總干渠渠道砂卵石渠基破壞嚴重，擬采用全部清除擾動渠基并回填開挖棄料摻拌土砂混合料的措施處理，該回填料為粒徑小于150 mm的卵石、砂礫石、砂及土的寬級配砂礫料，顆粒級配不良。對于寬級配砂礫料作為堤基填筑料目前沒有相應(yīng)的規(guī)范規(guī)程可循，也無類似的工程經(jīng)驗可以借鑒。通過開展現(xiàn)場碾壓試驗，研究了顆粒級配不良的寬級配砂礫料能否作為填筑料，以及細顆粒含量（小于5 mm的顆粒）不同的寬級配砂礫料的壓實性能、壓實質(zhì)量控制指標(biāo)、壓實控制標(biāo)準和達到設(shè)計要求相對應(yīng)的施工參數(shù)。指出：顆粒級配不良的寬級配砂礫料當(dāng)細顆粒含量不少于30%時可作為填筑料使用（不考慮防滲作用）;對于該寬級配砂礫石填筑料，當(dāng)細顆粒含量為35%時壓實性能最好，采用以干密度為主、孔隙率為輔，同時控制碾壓參數(shù)的現(xiàn)場質(zhì)量控制方法;不同細顆粒含量填筑料應(yīng)采用不同的壓實控制標(biāo)準，應(yīng)用20 t重型振動平碾機械，碾壓速度2～3 km/h，鋪土厚度50 cm，含水率控制在4.0%～5.5%，碾壓4～6遍。

關(guān)鍵詞：寬級配砂礫料;碾壓試驗;碾壓控制參數(shù);壓實控制指標(biāo);南水北調(diào)中線工程

中圖分類號：TV16文獻標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.030

Rolling Test of Wide Gradation Sand Gravel in the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion

ZHU Taishan， ZHANG Wenfeng， MA Huimin， LI Qingliang

（Henan Provincial Water Conservancy Research Institute， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： The sand gravel canal foundation ofthe main channel project about 4km in the Middle Route of the South-to-North Water Transfer Project is badly damaged. Measures for removing all the disturbance channel foundation and backfilling excavation and mixing soil sand mixture will be adopted. The backfill is a mixture of pebble， gravel， sand and soil with a particle size less than 150 mm（the following is generally called wide gradation gravel）and the particle gradation is poorly graded. There is no corresponding standard regulation for the wide gradation sand gravel as the embankment foundation filling material and no similar engineering experience can be used for reference. The following studies were carried out through field rolling test： Whether the wide gradation sand gravel materials of poor particle grading could be used as filling materials; The compaction performance， compaction quality control indicators and construction parameters corresponding to the design requirements of the wide gradation sand gravel materials with different content of fine particles （particles smaller than 5 mm）. The research points out that for the wide gradation sand gravel materials， the compaction performance is the best when the fine particle content is 35%; A field quality control method based on dry density and porosity is adopted to control roller compaction parameters， the rolling parameters are 20 t heavy vibration grinding machine， with a rolling speed of 2-3 km/h， a thickness of 50 cm， a moisture content of about 4.0%-5.5% and a rolling pass of 4-6 times.

Key words： wide gradation sand gravel materials; rolling test; roller control parameters; compaction control indicators; Middle Route Project of South-to-North Water Transfer

壓實后不應(yīng)出現(xiàn)骨料堆積、漏壓、虛鋪層、干松土、彈簧土、剪力破壞和光面等不良現(xiàn)象。

（5）分層取樣開展試驗。每場碾壓層數(shù)為4層，每層填筑料碾壓8遍，當(dāng)碾壓累計遍數(shù)達到3遍時停止碾壓，取6種細顆粒含量的試驗樣按要求的試驗內(nèi)容進行試驗。不同碾壓遍數(shù)的密度試驗取樣點應(yīng)保持一定距離和均勻性。檢測內(nèi)容為試樣的濕密度、含水率、干密度、密度、孔隙率和壓實度;監(jiān)測內(nèi)容為每遍碾壓過后的填筑層的壓縮量[7]。

4?試驗結(jié)果分析

由現(xiàn)場碾壓效果可以看出，當(dāng)細顆粒含量為20%時，回填碾壓面大部分粗顆粒聚集，且粒間細顆粒充填料少，有粒間架空現(xiàn)象;當(dāng)細顆粒含量為25%時，回填碾壓面已沒有大部分粗顆粒匯聚現(xiàn)象，但大粒徑卵石較多且孔隙率大、不密實，有局部架空現(xiàn)象;當(dāng)細顆粒含量為30%時，細顆粒充填料已將粗顆粒間孔隙填滿，密實性較好，但存在局部顆粒級配不均、粗顆粒集中現(xiàn)象;當(dāng)細顆粒含量為35%時，細顆粒含量能完全充填粗顆粒間孔隙，密實度較好;當(dāng)細顆粒含量為40%及以上時，粗細顆粒經(jīng)過碾壓后相互膠結(jié)，密實性好。故初步分析回填料的細顆粒含量宜不小于30%，對于寬級配砂礫料的填筑特性、壓實控制指標(biāo)及其標(biāo)準等的研究應(yīng)根據(jù)碾壓試驗數(shù)據(jù)進行進一步分析。

（1）試驗數(shù)據(jù)分析。通過分析細顆粒含量不同時碾壓遍數(shù)與孔隙率之間的關(guān)系，相同碾壓功即同一遍數(shù)時細顆粒含量與孔隙率的關(guān)系，以及細顆粒含量不同時碾壓遍數(shù)與干密度之間的關(guān)系，得出寬級配砂礫料的填筑特性[4]：為了得到較好的填筑質(zhì)量和較小的孔隙率，細顆粒含量應(yīng)大于30%，最佳碾壓遍數(shù)為4～6遍。故選取細顆粒含量不小于30%的填筑料進行碾壓控制指標(biāo)和壓實標(biāo)準的研究。

對細顆粒含量為30%、35%、40%及50%的寬級配砂礫填筑料繪制碾壓遍數(shù)大于5遍、壓實度不小于98%的孔隙率與碾壓遍數(shù)試驗數(shù)據(jù)的散點圖，見圖2～圖5。

由圖2～圖5可知，孔隙率上包絡(luò)線為折線，取上包絡(luò)線上數(shù)據(jù)點的加權(quán)算術(shù)平均值作為壓實控制標(biāo)準，見表1。

對細顆粒含量為30%、35%、40%及50%的寬級配砂礫填筑料繪制碾壓遍數(shù)大于5遍、壓實度不小于98%時碾壓遍數(shù)與干密度試驗數(shù)據(jù)的散點圖，見圖6～圖9。

由圖6～圖9可知，當(dāng)碾壓遍數(shù)大于5遍、壓實度不小于98%時干密度的下包絡(luò)線為一直線，取下包絡(luò)線上數(shù)據(jù)點的加權(quán)算術(shù)平均值為干密度控制標(biāo)準，見表1。

由表1可以看出，當(dāng)細顆粒含量達到35%時，干密度最大、孔隙率最小、碾壓密實度最好。當(dāng)細顆粒含量不同時，壓實控制標(biāo)準也不同。

（2）質(zhì)量控制指標(biāo)選取。在實際工程中，孔隙率的測定比干密度要復(fù)雜，若能用干密度代替孔隙率作為寬級配砂礫料的填筑控制指標(biāo)，將為實際工程帶來方便。為此，對孔隙率和干密度兩個設(shè)計指標(biāo)進行相關(guān)性分析。分別對細顆粒含量為30%、35%、40%、50%的填筑料（碾壓遍數(shù)不小于5遍、壓實度不小于98%）進行孔隙率與干密度相關(guān)性分析，y為孔隙率，x為干密度：30%細顆粒含量時y=-39.86x+106.4，相關(guān)系數(shù)為0.62;35%細顆粒含量時y=-36.6x+98.77，相關(guān)系數(shù)為0.75;40%細顆粒含量時y=-37.97x+101.9，相關(guān)系數(shù)為0.80;50%細顆粒含量時y=-44.07x+115.6，相關(guān)系數(shù)為0.56。

可以看出，當(dāng)細顆粒含量為30%和50%時孔隙率與干密度的線性相關(guān)程度一般（0.50<相關(guān)系數(shù)<0.75），而當(dāng)細顆粒含量為35%和40%時孔隙率與干密度之間線性相關(guān)程度較高（0.75≤相關(guān)系數(shù)≤1.00）。因此，寬級配砂礫料作為填筑料時因其特殊的物理特性而不宜用干密度或孔隙率單一指標(biāo)作為其壓實控制指標(biāo)。

同時對不同的填筑料以孔隙率為因變量，以細顆粒含量、碾壓遍數(shù)、濕密度、含水率、最大干密度和密度為自變量進行逐步回歸分析。結(jié)果顯示：以孔隙率為因變量時，碾壓遍數(shù)和最大干密度為不顯著的自變量，應(yīng)剔除;濕密度、含水率、密度和細顆粒含量為顯著自變量?？紫堵实幕貧w方程為

y=27.960 2-35.809 6x1+0.811 06x2+

25.701 7x3-0.478 4x4

式中：y為孔隙率;x1為濕密度;x2為含水率;x3為密度;x4為細顆粒含量。

擬合方程的相關(guān)系數(shù)為0.97，檢驗量F值為6 916.22，標(biāo)準差RMSE為0.2015，擬合效果良好。

干密度為濕密度和含水率的函數(shù)，回歸方程為

y=0.080 984+0.964 189x1-0.021 850 3x2

式中：y為干密度;x1為濕密度;x2為含水率。

擬合方程的相關(guān)系數(shù)為0.989，F(xiàn)值為38 520.4，RMSE為0.002 87，擬合效果良好。

由以上回歸方程可以看出，孔隙率能全面反映填筑料的壓實效果，與干密度（壓實度）有一定的線性相關(guān)性，故結(jié)合實際工程，提出以壓實度為主，孔隙率為輔（孔隙率復(fù)核試樣為壓實度試樣的20%），同時作為控制現(xiàn)場碾壓質(zhì)量的參數(shù)。

5?結(jié)?論

（1）該寬級配砂礫石料碾壓試驗方案設(shè)計合理，為后續(xù)工程施工提供了技術(shù)支撐。

（2）針對該段工程，采用細顆粒含量不小于30%的填筑料能得到較好的填筑質(zhì)量（不考慮防滲作用）。

（3）對于該填筑料，當(dāng)細顆粒含量達到35%時，干密度最大、孔隙率最小、碾壓密實度最好。

（4）對于該寬級配砂礫石填筑料，采用以干密度為主、孔隙率為輔（孔隙率復(fù)核試樣為干密度試樣的20%）同時作為控制現(xiàn)場碾壓質(zhì)量的參數(shù)是合適的;根據(jù)細顆粒含量不同選擇不同的設(shè)計控制標(biāo)準;采用散點圖中包絡(luò)線上數(shù)據(jù)點的加權(quán)算術(shù)平均值作為填筑標(biāo)準控制值較為合適。

（5）對于該寬級配砂礫石填筑料，推薦碾壓參數(shù)為：20 t重型振動平碾機械，碾壓速度2～3 km/h，鋪土厚度50 cm，含水率為4.0%～5.5%，碾壓遍數(shù)為4～6遍。

參考文獻：

[1]?翟淵軍，朱太山.南水北調(diào)中線一期工程總干渠黃河北—羑河北輝縣段、石門河段及新鄉(xiāng)和衛(wèi)輝段設(shè)計單元渠道河灘卵石地基處理設(shè)計變更報告[R].鄭州：河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，2009：10.

[2]?趙廷華，張文峰.南水北調(diào)中線一期工程輝縣段、石門河段砂卵石擾動渠段基礎(chǔ)處理設(shè)計變更報告[R].鄭州：河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，2011：2.

[3]?中國水利電力對外公司南水北調(diào)中線工程輝縣四標(biāo)項目部.南水北調(diào)中線一期工程總干渠黃河北—羑河北輝縣段第四施工標(biāo)段砂卵石擾動渠段渠道填筑施工方案[R].鄭州：河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，2010：34.

[4]?屈艷紅，張文峰.南水北調(diào)中線工程寬級配沙礫石料填筑特性[J].人民黃河，2012，34（8）：128-130.

【責(zé)任編輯?張華巖】