基于沉降率法的堆石壩碾壓試驗分析

孫紅義，劉 賀，馬 冰

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003)

0 前言

堆石壩主要是采用當(dāng)?shù)氐亩咽献鳛樘钪w，該壩型具有便于取材，碾壓性能較好，壓實度大，整體的沉降變形較小，且其承載力高的優(yōu)勢[1]，因此，大批國內(nèi)外相關(guān)科研學(xué)者以及工程技術(shù)人員對碾壓堆石壩進(jìn)行了各方面深入的研究。尤其是堆石壩碾壓過程中的壓實質(zhì)量的評價成為研究熱點。喬蘭等[2]、崔金平[3]、Gash等[4]、秦尚林等[5]、李樹勇等[6]通過對路基填筑、水庫堆石壩和抽水蓄能心墻壩等碾壓試驗進(jìn)行總結(jié)，探究了在對堆石體多次重壓過程中的施工工藝和碾壓質(zhì)量的關(guān)聯(lián)。Anderegg等[7]、Krishnamurthy等[8]通過公路路基的壓實規(guī)律，根據(jù)壓實料的干密度與壓路機的震動頻率的關(guān)系，推測出壓實料的壓實效果；朱家啟等[9]、黃金林等[10]通過對堆石體碾壓試驗研究，探討了堆石料的攤鋪厚度、干密度等重要物理力學(xué)參數(shù)以及碾壓遍數(shù)對堆石體壓實度的關(guān)系；部分學(xué)者[11-13]通過數(shù)值模擬方法研究了堆石壩的碾壓過程，其結(jié)果與現(xiàn)場碾壓試驗基本相符。

目前情況下，通過灌水法等大量的現(xiàn)場試驗來獲得碾壓料干密度的方式，是檢驗堆石料碾壓質(zhì)量的主要方法。但是，這類方式需要的工作量很大，占用較多的人材機成本和時間。同時，此方法受外界與人為因素干擾很大，存在較大的不確定性因素和誤差，致使獲取的成果具有較大的離散性，不能準(zhǔn)確反映實際情況。本文在某個在建的面板堆石壩堆石料的現(xiàn)場碾壓試驗的基礎(chǔ)上，采用沉降量和沉降率法來測定和評價該工程實施過程中堆石料的壓實質(zhì)量，并與傳統(tǒng)檢測技術(shù)對比，作為傳統(tǒng)檢測手法的補充，希望克服傳統(tǒng)檢測手法的不足。

1 堆石料現(xiàn)場碾壓試驗

1.1 工程概況

在建的某水庫位于黃河流域，是黃河的二級支流，主要由攔河大壩、溢洪洞、放空(引水)洞等組成，工程屬Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。其中，攔河大壩為混凝土面板堆石壩，其壩頂長約為295m，壩頂寬約為8.0m，大壩的上游設(shè)計壩坡為1∶1.4，下游設(shè)計壩坡為1∶1.3。

選用的堆石料場位于河谷右岸，壩軸線下游約600m處，有公路與壩址相連，交通較為便利。料場所在的山體雄厚，山坡和坡腳多基巖出露，基巖的巖性較為單一，為下震旦統(tǒng)石英片巖。

1.2 試驗方案

根據(jù)現(xiàn)場情況，本工程碾壓試驗在大壩次堆區(qū)下游較開闊場地進(jìn)行，試驗前進(jìn)行場地平整和壓實，消除基礎(chǔ)面沉降變形對試驗產(chǎn)生的不利影響。劃定的碾壓試驗范圍面積為B×L=42m×51m，場地內(nèi)和兩側(cè)設(shè)置過渡區(qū)域，根據(jù)堆石料不同的攤鋪厚度和碾壓遍數(shù)等條件，設(shè)置若干試驗單元每一試驗單元面積為B1×L1=9m×12m，每單元內(nèi)布置便于測量和取樣的3.0m×3.0m的方格網(wǎng)。為了便于碾壓前后的相對高程，設(shè)置1m×1m方格網(wǎng)測點，測點間距1.5～2.0m，且每個試驗單元測點數(shù)不少于20個。

試驗選用自行式振動碾進(jìn)行碾壓，行車速度≤2.4km/h。碾壓料的攤鋪厚度分別為80、100、120cm，在用選定噸位的振動碾靜壓2遍后，分別采取激振6、8、10遍的方式，根據(jù)不同的碾壓鋪料厚度、碾壓遍數(shù)共劃分為9個區(qū)，堆石料現(xiàn)場碾壓試驗場地布置情況如圖1所示。

圖1 碾壓現(xiàn)場布置情況

1.3 壓實質(zhì)量檢測試驗

完成確定的碾壓參數(shù)后，對不同組合的試驗區(qū)，進(jìn)行壓實質(zhì)量的檢測。沉降變化分別進(jìn)行碾壓前、碾壓中和碾壓后測量，按前節(jié)劃分方式分別測定各網(wǎng)點的相對高程變化，從而得出各攤鋪料區(qū)碾壓前后的沉降量變化，再根據(jù)沉降率法判定壓實質(zhì)量。堆石料碾壓后的密度采用灌水法獲得，每個試驗單元有效數(shù)據(jù)不少于3個，試坑直徑80cm，可根據(jù)最大粒徑大小進(jìn)行調(diào)整，開挖深度穿透攤鋪層厚度。

2 沉降率法分析

沉降率法為檢測堆料體在實施過程中的壓實質(zhì)量提供了一種便捷、省事的方法。因此，本文通過室內(nèi)外試驗研究，建立沉降量、沉降率與干密度的關(guān)系，進(jìn)一步驗證表面沉降法作為大壩堆石料壓實質(zhì)量控制方法的可靠性。

2.1 沉降率與密度的理論關(guān)系

本文根據(jù)周娟[15]介紹的沉降量與密度的理論關(guān)系進(jìn)行分析。采用獲取碾壓堆石料的總體積和總質(zhì)量的方式，進(jìn)而求得堆石料碾壓過程中的壓實密度。鑒于攤鋪料的總質(zhì)量是不因壓實而變化的，因此只需要測量碾壓后堆石料體積變化，便可得出其密度的變化，令碾壓開始前攤鋪料的初始密度為ρ0，則：

(1)

式中，W—碾壓層的總質(zhì)量；V0—碾壓層攤鋪后的總體積；A—碾壓層攤鋪后的面積；t—攤鋪料層的平均厚度。

設(shè)Sn為碾壓n次后的沉降量，則n次碾壓后的密度ρn為：

(2)

式中，An—碾壓n次后碾壓層的面積；tn—碾壓n次后碾壓層的厚度；εn—堆石料的沉降率，是堆石料沉降量Sn與其攤鋪鋪厚t的比值。

由于總質(zhì)量W一定，且面積An的變化可忽略不計，An≈A。結(jié)合公式(1)—(2)可得：

(3)

如果初始密度ρ0已知，則只需要測定沉降量Sn就可以立即計算出n次碾壓后的密度ρn。

設(shè)ρe為碾壓結(jié)束后的密度，可利用沉降量Sn與沉降速率εn的關(guān)系，按式(2)可得：

(4)

由(4)可得ρ0=ρe(1-εe)，將其代入(3)可得：

ρn=ρe(1-εe)(1+εn)

≈ρe(1-εe+εn)

(5)

由(5)式可知，若精確地獲取了某一時間點堆石料的密度和其他情況下的沉降量或沉降率，便可計算出該情況下堆石料的密度。

2.2 依據(jù)沉降量控制

在碾壓結(jié)束后，分別測定各網(wǎng)格點的相對高程，從而得到各個碾壓區(qū)在碾壓過程中的平均沉降值，進(jìn)而根據(jù)攤鋪厚度計算出碾壓堆石料的沉降率。碾壓堆石料的干密度可通過挖坑灌水法和室內(nèi)含水率檢測后獲得。

碾壓試驗前，根據(jù)灌水法首先測得堆石料的初始干密度，然后將初始干密度帶入公式(5)分別計算得碾壓6、8、10遍的干密度，再將通過現(xiàn)場試驗測得的干密度與理論公式計算獲得的干密度想比較，對比結(jié)果見表1，可知兩者獲得的密度基本相接近。如圖2所示，碾壓堆石料的沉降量與干密度關(guān)系可知，在獲得某一時刻的沉降量后，便可查得相應(yīng)的密度值，進(jìn)而可獲得其該攤鋪料的壓實度。

表1 堆石料碾壓遍數(shù)、沉降率與密度的關(guān)系

圖2 碾壓堆石料沉降量與干密度的關(guān)系圖

因此，在碾壓試驗開展過程中，只需要測得初始干密度或者碾壓完成后的干密度，而其他情況下只需要測量獲得攤鋪料的沉降量，就可以通過沉降率法來獲得不同條件下的干密度，該方法簡單易行，是一種有效控制填筑體壓實質(zhì)量的方法，進(jìn)而節(jié)約人力、物力和時間成本等。為了驗證檢測準(zhǔn)確性，可在檢測時選擇具有代表性的點對其進(jìn)行現(xiàn)場試驗對比和驗證。

同時，隨著堆石料碾壓遍數(shù)的增大，堆石料的沉降量也隨之增大，見表1、如圖3—4所示。因為堆石料在初始條件下相對稀松，經(jīng)過碾壓后比較容易密實，當(dāng)堆石料壓實度到達(dá)特定的程度后，很難再進(jìn)一步有較大程度的壓縮，因此，碾壓堆石料沉降量的增加量呈下降趨勢。其他施工條件相同的情形下，隨著堆石料的攤鋪厚度的增大，碾壓后的沉降量也就隨之增大，且碾壓遍數(shù)越多沉降量的差異也越大。

圖3 碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系圖

圖4 碾壓遍數(shù)與孔隙率的關(guān)系圖

堆石料不同攤鋪厚度的碾壓遍數(shù)對于干密度、孔隙率的影響較為明顯，孔隙率的變化隨著碾壓遍數(shù)的增進(jìn)而降低。

2.3 碾壓指標(biāo)選取

該工程混凝土面板堆石壩壩體的重要填筑設(shè)計指標(biāo)為：①對于主堆料，巖體飽和抗壓強度≥40MPa，軟化系數(shù)不低于0.6，孔隙率<19%，滲透系數(shù)≥10-1；②對于次堆料，巖體飽和抗壓強度≥30MPa，軟化系數(shù)不低于0.6，孔隙率<20%。

3種堆石料攤鋪厚度中厚度為80cm的情況下，在碾壓遍數(shù)為10遍時，比碾壓遍數(shù)為6遍和8遍時干密度、孔隙率更容易達(dá)到設(shè)計要求。碾壓8遍能夠100%達(dá)到下游次堆設(shè)計要求，碾壓10遍能夠100%達(dá)到主堆設(shè)計要求?？紤]為保證施工質(zhì)量的前提下，選用合理的施工參數(shù)，主堆石料、下游次堆石料碾壓遍數(shù)采用10遍。

層間結(jié)合情況，當(dāng)鋪料80cm、碾壓6遍時，層間碾壓不密實，結(jié)合良好，干密度及孔隙率不能達(dá)到主次堆石料設(shè)計要求，故不選用。當(dāng)堆石料的攤鋪厚度為100、120cm，碾壓遍數(shù)為6、8遍時，堆石料的干密度及孔隙率不能達(dá)到主、次堆石料設(shè)計要求。鋪料80cm碾壓8遍時，層間碾壓基本密實，結(jié)合良好，干密度及孔隙率100%達(dá)到次堆設(shè)計要求，但不能100%滿足主堆設(shè)計要求。

鋪料80、100cm，碾壓10遍時，層間碾壓密實，結(jié)合良好，干密度及孔隙率100%達(dá)到主次堆設(shè)計要求。因此為保證填筑質(zhì)量，主次堆選用堆石料攤鋪厚度為80cm，碾壓遍數(shù)為10遍。

3 結(jié)論

本文采用了沉降率法來控制某堆石壩碾壓堆石料的壓實質(zhì)量，分析了碾壓遍數(shù)、鋪料厚度對堆石料壓實質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：

(1)采用沉降率法與傳統(tǒng)灌水法所得到碾壓堆石料的密度相差不大，可以通過該方法計算出不同碾壓條件下的堆石料的干密度。

(2)堆石料碾壓過程中的沉降量、沉降率與碾壓遍數(shù)及鋪料厚度有較好的對應(yīng)關(guān)系，因此，可以通過碾壓堆石料的沉降量和沉降率來檢測壓實質(zhì)量。

(3)沉降率法簡單方便，精度相對較高，可以隨時檢測到碾壓堆石料的壓實程度與質(zhì)量。同時，為堆石體碾壓性狀的研究提供了新思路，也是一種較為有效的壓實質(zhì)量檢測方法。