條帶狀大理巖堆石料碾壓試驗(yàn)特性研究

陳建勝，何瑞良，周 湘，王國(guó)陽(yáng)，于新華，宋立新

(1.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；2.華電金沙江上游水電開(kāi)發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

堆石料碾壓是混凝土面板堆石壩控制施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序[1-3]，堆石壩正式填筑前通常會(huì)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，以校核堆石體填筑標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化施工參數(shù)(碾壓噸位、鋪填厚度、灑水率等)，驗(yàn)證并核實(shí)填筑料的碾壓施工參數(shù)、設(shè)計(jì)填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，以及檢驗(yàn)所選用的碾壓機(jī)械的適應(yīng)性和可靠性等。我國(guó)堆石壩的建設(shè)面臨著200 m級(jí)向300 m級(jí)的突破，變形控制是高堆石壩設(shè)計(jì)施工所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題[4]。對(duì)堆石體填筑層進(jìn)行高強(qiáng)度的振動(dòng)碾壓，是目前高堆石壩控制沉降變形的重要施工方法[5]。朱晟等[6]在溧陽(yáng)抽水蓄能工程中采用動(dòng)力測(cè)試技術(shù)通過(guò)原位振動(dòng)碾壓試驗(yàn)，研究了壓實(shí)過(guò)程中堆石體內(nèi)部的應(yīng)力變形特性和能量輸入機(jī)制，并確定了凝灰?guī)r碾壓堆石料的最大干密度。從高堆石壩設(shè)計(jì)的角度來(lái)講，堆石體填筑層振動(dòng)碾壓試驗(yàn)特性，是人們關(guān)注的核心內(nèi)容。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用料均取自④號(hào)路K1+200～300段條帶狀大理巖洞挖料。根據(jù)碾壓場(chǎng)次試驗(yàn)單元檢測(cè)的要求，場(chǎng)地尺寸取為40 m×26 m，經(jīng)32 t振動(dòng)碾按2～3 km/h的速度碾壓42遍后，最終每碾壓2遍后全場(chǎng)平均沉降量不大于2 mm。整場(chǎng)高差小于20 cm(圖1)且局部起伏差小于5 cm。兩側(cè)邊試驗(yàn)單元周邊應(yīng)有足夠?qū)挾?，可供施工機(jī)械與重車(chē)行走、回車(chē)錯(cuò)道，試驗(yàn)單元邊緣應(yīng)具有足夠的側(cè)壓力。碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地堅(jiān)實(shí)平整且滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖1 試驗(yàn)前碾壓場(chǎng)地高程等值線云圖(單位：m)

依次開(kāi)展碾具比選、鋪厚比選、灑水率比選及復(fù)核場(chǎng)次碾壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中主要采用32 t和27 t這2種不同噸位的振動(dòng)碾進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，碾壓機(jī)具的主要參數(shù)如表1所示。堆石料鋪填厚度按60 cm和80 cm這2種鋪厚進(jìn)行比選；加水量按0、5%、10%、15%進(jìn)行比選，優(yōu)選出合理的灑水量。

表1 碾壓機(jī)具選型及主要參數(shù)

每試驗(yàn)單元碾壓前后沉降觀測(cè)，并記錄不同碾壓遍數(shù)后的沉降量，每個(gè)試驗(yàn)單元測(cè)點(diǎn)數(shù)應(yīng)不少于20個(gè)；每一試驗(yàn)單元碾后干密度有效數(shù)據(jù)應(yīng)不少于5個(gè)，每個(gè)試驗(yàn)單元內(nèi)滲透系數(shù)有效數(shù)據(jù)應(yīng)不少于3個(gè)；在試驗(yàn)單元的密度坑(圖2)內(nèi)取樣，進(jìn)行全料顆粒分析試驗(yàn)。

圖2 密度環(huán)及大理巖堆石料

2 基本理論

依據(jù)粗粒土土體三相圖理論(見(jiàn)圖3)，計(jì)算碾壓堆石體干密度、孔隙率，即

圖3 土體三相理論示意

(1)

(2)

式中，ρd為堆石體干密度，g/cm；ms為坑內(nèi)石料烘干或炒干后質(zhì)量，g；n為堆石體孔隙率，%；GS為石料各粒徑組加權(quán)比重；ρw的密度，g/cm3。

3 試驗(yàn)成果討論

3.1 顆粒級(jí)配特性

碾壓前大理巖洞挖料粒徑級(jí)配曲線如圖4所示，由圖4可知，粗粒部分基本位于上、下包線范圍之內(nèi)，細(xì)粒部分位于下包線之外；粒徑30～150 mm之間部分超過(guò)50%。碾壓8遍后大理巖洞挖料級(jí)配曲線如圖5所示，由圖5可知，隨著碾壓遍數(shù)的增加，顆粒級(jí)配曲線向上包線方向發(fā)生偏移。碾壓8～14遍后各粒徑組合較碾前都有顯著增加，其中增加趨勢(shì)最為明顯的是<100 mm的顆粒；碾壓14遍后堆石料<5 mm含量為3.51%。隨著碾壓遍數(shù)的增加，平均破碎率基本呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；碾壓8～14遍后，試驗(yàn)區(qū)的平均破碎率為14.21%～17.04%，碾壓8～14遍后堆石料的不均勻系數(shù)Cu均大于5，平均值為8.75；曲率系數(shù)Cc基本在0.79～1.22之間，平均值為1.0，級(jí)配較為優(yōu)良。

圖4 碾前大理巖洞挖料級(jí)配曲線

圖5 碾壓8遍后大理巖洞挖料級(jí)配曲線

3.2 振動(dòng)碾激振力的影響

條帶狀大理巖堆石料碾壓試驗(yàn)過(guò)程中主要采用2種不同噸位的振動(dòng)碾進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，2種不同振動(dòng)碾具的自身工作質(zhì)量大小相差18.5%，激振力大小相差18%，激振頻率與行走速度基本一致。振動(dòng)碾型號(hào)對(duì)條帶狀大理巖堆石料孔隙率與干密度影響關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，振動(dòng)碾的激振力越大，其對(duì)應(yīng)碾壓遍數(shù)的堆石料孔隙率越小、干密度越大；堆石料碾壓后孔隙率大小與振動(dòng)碾激振力負(fù)相關(guān)，干密度大小與振動(dòng)碾激振力正相關(guān)，符合一般線性相關(guān)規(guī)律性。因此，同等條件下，振動(dòng)碾的激振力越大，其碾壓后的堆石料密實(shí)程度越高。

圖6 振動(dòng)碾型號(hào)對(duì)孔隙率和干密度的影響關(guān)系曲線

3.3 鋪填厚度的影響

條帶狀大理巖堆石料碾壓試驗(yàn)鋪填厚度比選時(shí)，主要考慮了60、80 cm這2種不同鋪厚情況。不同鋪填厚度對(duì)條帶狀大理巖堆石料孔隙率與干密度影響關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，堆石料的鋪填厚度越大，其對(duì)應(yīng)碾壓遍數(shù)的堆石料孔隙率越大、干密度越??；堆石料碾壓后孔隙率大小與鋪填厚度正相關(guān)，干密度大小與鋪填厚度負(fù)相關(guān)，符合一般規(guī)律性。因此，在同等條件下，條帶狀大理巖堆石料的鋪填厚度越小，其碾壓后的堆石料密實(shí)程度越高。

圖7 鋪填厚度對(duì)孔隙率和干密度的影響關(guān)系曲線

3.4 灑水量的影響

堆石料等粗粒土的壓實(shí)性也與含水量有關(guān)，不過(guò)一般不存在特定的線性相關(guān)性；在某一灑水率區(qū)間范圍內(nèi)容易達(dá)到較好的壓實(shí)效果。施工過(guò)程中灑水對(duì)堆石料有濕潤(rùn)、潤(rùn)滑左右，有利于減少堆石料的顆粒移動(dòng)時(shí)顆粒間的摩擦力；同時(shí)施工過(guò)程中加水是實(shí)現(xiàn)堆石料濕化的主要措施，只有保證施工中的加水量，才能基本消除堆石料濕化對(duì)壩體變形的不利影響。

條帶狀大理巖堆石料碾壓灑水率比選時(shí)主要考慮了0、5%、10%、15%這4種不同灑水情況。不同灑水率對(duì)條帶狀大理巖堆石料孔隙率與干密度影響關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可知，堆石料的灑水率在10%～15%時(shí)，其對(duì)應(yīng)碾壓遍數(shù)的堆石料孔隙率越小、干密度越大，壓密程度較高；堆石料碾壓后孔隙率、干密度與灑水率基本呈拋物線型二次曲線相關(guān)的特性，10%～15%的灑水率為相對(duì)較優(yōu)的灑水率區(qū)間。因此，同等條件下，堆石料的灑水率在10%～15%時(shí)，其碾壓后的堆石料密實(shí)程度越高，試驗(yàn)成果表明10%～15%的灑水率條件下堆石料的振動(dòng)碾壓密實(shí)效果最佳。

圖8 灑水率對(duì)孔隙率和干密度的影響關(guān)系曲線

3.5 條帶狀大理巖堆石料碾壓參數(shù)推薦

依據(jù)激振力、鋪填厚度、灑水率等因素對(duì)堆石料碾壓效果的影響性分析，在采用32 t振動(dòng)碾、行走速度2.5 km/h、鋪填厚度80 cm、灑水率為15%的條件下，條帶狀大理巖洞挖料在不同碾壓遍數(shù)下其孔隙率及干密度指標(biāo)如表2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著碾壓遍數(shù)的不斷增加，堆石料不斷破碎并擠壓密實(shí)，干密度不斷增大，孔隙率不斷減小，滲透系數(shù)逐步降低，滲透系數(shù)基本位于100～10-1cm/s量級(jí)。

表2 推薦碾壓參數(shù)條件下條帶狀大理巖堆石料碾壓特性

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于不同類(lèi)型振動(dòng)碾來(lái)說(shuō)，振動(dòng)碾的激振力越大，其碾壓后的條帶狀大理巖堆石料密實(shí)程度越高。

(2)對(duì)于不同的鋪料厚度來(lái)說(shuō)，條帶狀大理巖堆石料鋪填厚度越小，其碾壓后的堆石料密實(shí)程度越高。

(3)同等條件下，條帶狀大理巖堆石料的灑水率在10%～15%時(shí)，其碾壓后的粗粒土的密實(shí)程度越高，現(xiàn)階段試驗(yàn)成果表明在灑水率為10%～15%的條件下，條帶狀大理巖堆石料的振動(dòng)碾壓密實(shí)效果最佳。

(4)采用32 t振動(dòng)碾、行走速度2.5 km/h、鋪填厚度80 cm、灑水率為15%的條件下，對(duì)條帶狀大理巖堆石料進(jìn)行碾壓試驗(yàn)條件下，碾壓12遍后平均干密度為2.193 g/cm3，平均孔隙率為19.04%，基本可以滿(mǎn)足下游堆石區(qū)設(shè)計(jì)孔隙率指標(biāo)的預(yù)期要求。