沖擊碾壓法加固堰塞壩料的室內(nèi)模型試驗研究

占鑫杰 ，李文煒，楊守華，朱群峰，許小龍，黃慧興

(1. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029； 2. 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點試驗室，江蘇 南京210029； 3. 河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

堰塞壩是由滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)自然災(zāi)害形成，其構(gòu)成材料主要為成分復(fù)雜、級配較寬、整體松散的土石混合料[1]。由于地質(zhì)災(zāi)害持續(xù)時間較短，因此堰塞壩料通常在短時間迅速堆積，無法在土層重力作用下充分壓實，因此其天然密度較低，結(jié)構(gòu)松散，內(nèi)部存在較多的孔隙[2]。此類材料在天然狀態(tài)下缺陷明顯，但堆積體方量極大，例如2000 年發(fā)生的易貢大滑坡[3]，形成的堰塞體方量超過3 億m3；2008 年，由汶川地震引發(fā)的山體崩塌形成了方量約2 037 萬m3的唐家山堰塞體[4]；2010 年，特大暴雨導(dǎo)致甘肅舟曲發(fā)生山洪泥石流[5]，形成的堰塞體方量約140 萬m3。國內(nèi)外學(xué)者指出，對近期來水情況下整體穩(wěn)定的堰塞體，可開展堰塞壩開發(fā)利用的評估與設(shè)計，達到變廢為寶的效果。何寧等[6]研究了堰塞體的加固和開發(fā)，從環(huán)境、社會、經(jīng)濟三方面進行評估，建議采用密實加固、防滲加固、堰塞體加固與堰塞湖開發(fā)利用的銜接技術(shù)進行加固和開發(fā)。同時，我國云南紅石巖、重慶小南海、疊溪大海子堰塞體整治工程均取得了成功[7-8]，證明了堰塞體開發(fā)利用的可行性。

堰塞體的開發(fā)利用，首先要解決的是堰塞體的表層密實問題，以便后續(xù)施工設(shè)備進場和施工作業(yè)開展。但目前針對堰塞壩料的相關(guān)研究主要集中于力學(xué)強度、滲透及沖蝕特性等，有關(guān)密實特性的研究很少，更沒有考慮各密實加固工藝參數(shù)對材料密實性的影響，因此有必要研究傳統(tǒng)動力密實方法對堰塞壩料的改良效果。

沖擊碾壓是工程中常見的動力加固方法，該方法將沖擊和碾壓相結(jié)合，利用非圓形沖擊輪在運動過程中由于重心變化產(chǎn)生的沖擊力和自重產(chǎn)生的壓力對土體進行壓實，相比傳統(tǒng)的靜壓密實技術(shù)，加固深度更深，壓實效率提高3 倍以上。近年來，沖擊碾壓技術(shù)已廣泛應(yīng)用于公路、機場等工程的地基加固中，國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場試驗[9]和數(shù)值模擬[10-12]等手段對沖擊碾壓的加固機理和方案進行了有益探索。卞學(xué)良等[13]采用有限元法模擬三邊形沖擊壓路機的壓實過程，認為沖擊輪的外輪廓曲線形狀對其壓實效果有較明顯的影響；Kimk 等[14]通過有限元數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)沖擊碾壓的壓實效果與沖擊作用時的接觸及接觸應(yīng)力密切相關(guān)；王生新等[15]研究路基黃土在沖碾前后的微觀結(jié)構(gòu)和孔隙特征，表明淺層黃土的微結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，且小孔隙明顯增多；陳忠清等[16-17]采用研制的沖擊碾壓試驗設(shè)備，對影響砂土沖碾加固效果的因素及加固機制進行了研究，探討了沖擊輪質(zhì)量和牽引速度對加固效果的影響。

但目前沖擊碾壓加固效果的研究主要針對黃土、粉土、砂土等級配均勻的細粒土，未見對寬級配堰塞壩料的沖擊碾壓加固效果的研究報道。本文基于相似定律設(shè)計不同能量的堰塞壩料沖擊碾壓模型試驗，綜合宏-微觀分析手段，對沖擊碾壓過程中的動應(yīng)力發(fā)展傳播規(guī)律、位移變化特性、加固效果等進行系統(tǒng)研究。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 模型相似比設(shè)計

基于相似定律進行堰塞壩料沖擊碾壓模型試驗的設(shè)計，包括以下相似條件：（1）模型與原型幾何相似；（2）模型與原型系統(tǒng)應(yīng)是屬于同一種性質(zhì)的相似現(xiàn)象，可用同一個微分方程描述；（3）模型與原型的同類物理參數(shù)成比例，且比例為常數(shù)；（4）模型與原型的初始條件與邊界條件相似。

基于相似原理，試驗涉及的參數(shù)主要有：沖擊輪質(zhì)量m，沖擊輪密度ρ，沖擊輪直徑L，沖擊輪體積V，沖擊輪牽引力F，沖擊輪支持力T，滾動摩擦力f，滾動摩擦系數(shù)μ，沖擊輪速度v，沖擊輪作用時間t，沖擊輪作用距離s，沖碾遍數(shù)N，土的含水量w、干重度γd，有效加固深度H，用函數(shù)表示上述參數(shù)的關(guān)系為：

式（1）以沖擊輪質(zhì)量m和直徑L為獨立物理量，根據(jù)π定理對其余物理量進行量綱分析，得到各自的無量綱π數(shù)為：

因此方程（1）可以變?yōu)椋?/p>

根據(jù)相似第二定理，得到各相似指標為：

本次模型試驗中，根據(jù)試驗?zāi)康?、試驗材料的顆粒級配，進行了一些有針對性的物理量假定，認為模型和原型中堰塞壩料的密度和壓縮模量參數(shù)保持不變，即Cρ=1。

1.2 模型試驗方案

根據(jù)式（4）可知，只要確定沖擊輪直徑的相似系數(shù)CL，其他的相似系數(shù)便可確定，這樣可以保證模型與原型的相似。考慮到模型試驗箱的寬度應(yīng)大于沖擊輪寬度的5 倍，確定沖擊輪尺寸的相似系數(shù)為CL=12，密度相似系數(shù)Cρ=1，各相似系數(shù)如下：Cm=1 728，CL=12，Cv=3.46，Ct=3.46，CF=1 728。

采用以上相似比例系數(shù)，設(shè)計4 種不同參數(shù)的堰塞壩料沖擊碾壓模型試驗，原型參數(shù)與模型對照如表1 所示。

表1 沖擊碾壓試驗原型與模型參數(shù)對照Tab. 1 Comparison of parameters for inrolling dynamic compaction between prototype and model test

1.3 模型試驗裝置

堰塞壩（體）材料的沖擊碾壓模型試驗裝置示意圖及實物圖如圖1 所示，由模型箱、三邊形沖擊輪、牽引系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)，傳感器及數(shù)據(jù)采集裝置組成。模型箱的尺寸為250 cm×55 cm×70 cm（長×寬×高），模型箱內(nèi)部采用2 個隔板形成3 個區(qū)域空間，模型箱的實際有效距離為150 cm。模型箱整體固定在底盤支座上。兩側(cè)布置承臺，用于支撐初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)的模型沖擊輪。模型箱正面開設(shè)可視窗口，在視窗位置安裝1 cm 厚的鋼化玻璃，玻璃視窗的長度和高度分別為140 cm 和65 cm。通過該視窗可觀測土顆粒在沖擊碾壓作用的位移變化；同時結(jié)合圖像分析技術(shù)，可對其位移特征進行分析。在模型箱內(nèi)壁鋪設(shè)1~2 cm 厚的泡沫來消除可能的邊界反射波對試驗結(jié)果的影響。

圖1 模型裝置示意及實物Fig. 1 Schematic diagram of model device

試驗采用三邊形模型沖擊輪，根據(jù)模型沖擊輪的幾何相似分析（幾何相似系數(shù)CL=12，Cm=1 728），模型沖擊輪的外接圓直徑為175 mm，輪寬為108 mm，對應(yīng)于原型沖擊輪的直徑為2.1 m。模型試驗采用的沖擊輪質(zhì)量分別為4.22 和7.81 kg，可通過在其內(nèi)部更換質(zhì)量塊的方式來調(diào)節(jié)質(zhì)量大小，對應(yīng)于原型沖擊輪質(zhì)量分別為7.3 和13.5 t。試驗過程中可通過操作臺的參數(shù)設(shè)置調(diào)節(jié)電動卷線器的工作頻率來更改牽引力的大小，使沖擊輪具有不同的牽引速度。

1.4 材料及制備

本次模型試驗的堰塞壩料取自西藏波密易貢大滑坡舊址，為滑坡后殘存的堆積體。對現(xiàn)場取樣獲取的易貢堰塞壩料進行篩分試驗、密度及含水率測試等，其天然干密度為1.81 g/cm3，含水率為6%，不均勻系數(shù)為20.7，曲率系數(shù)為2.0。根據(jù)《土的工程分類》[18]，現(xiàn)場取樣堰塞壩料為級配良好礫。

考慮到堰塞壩料的寬級配特性，將試驗材料的最大粒徑控制為20 mm，采用等量替代的方法，保持顆粒粒徑小于5 mm 的含量不變，將大于2 cm 的超徑粒徑用5~20 mm 粒徑土體按比例等質(zhì)量替換，縮尺后的堰塞壩料級配如圖2 所示。

圖2 堰塞體原狀材料和試驗材料的級配曲線Fig. 2 Gradation curve of undisturbed material and test material of landslide dam

模型箱中堰塞壩料的制備采用落雨法，控制堰塞壩料的干密度為1.81 g/cm3。試驗前采用落雨法對堰塞壩料密度與落雨距離的關(guān)系進行標定，確定試驗的撒砂高度為10 cm。

1.5 量測設(shè)備

動應(yīng)力的量測采用微型動態(tài)應(yīng)變式土壓力盒，由于堰塞壩料的粒度分布范圍較廣，要求土壓力盒直徑盡可能大，使壓力盒的直徑大于堰塞壩料的最大直徑。為此選定的土壓力盒的尺寸為φ28 mm×9 mm，并在土壓力盒的周圍采用細砂保護，土壓力盒的布置見圖1。在模型堰塞壩料深度5、10、15、20、25、30 cm 共布置15 個土壓力盒，可獲取沖擊碾壓過程中地基不同深度的動土應(yīng)力變化。在堰塞體地基表面沖擊輪沖擊處放置有一枚與橡皮墊粘接的土壓力盒，以測試沖擊碾壓的接觸應(yīng)力。動土應(yīng)力和沖擊接觸應(yīng)力的數(shù)據(jù)由DH5922D 動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)自動采集，采集頻率為5 kHz，該頻率能夠準確監(jiān)測沖擊碾壓后堰塞壩料的動應(yīng)力變化。

圖形測試系統(tǒng)由照明裝置和相機組成。照明裝置采用LED 聚光燈，相機選用PowerShot G5 X 相機，該相機的圖像采集速度30 次/s，單次圖像采集像素達到2 000 萬，可通過藍牙將圖像上傳至計算機，記錄沖擊加固過程中顆粒的運動情況。顆粒運動采用粒子圖像測速法[19]（Particle Image Velocimetry，簡稱PIV）進行分析，首先對部分堰塞壩料進行染色，制作適宜分析的散斑，對沖擊碾壓過程中不同時間段的散斑變化圖片進行對比，記錄位移分布信息。

沖擊碾壓后，采用ZXL-12 型智能填土密實度檢測儀對堰塞壩料進行貫入試驗，獲取不同深度地基的比貫入阻力值。

1.6 試驗流程

堰塞壩料沖擊碾壓模型試驗的流程如下：（1）對堰塞壩料進行篩分，按照粒徑分為8 個粒組，每組分別放置于不同的裝樣桶；每次取樣前根據(jù)級配數(shù)據(jù)取樣混合配置相應(yīng)的試驗材料。（2）通過砂雨法制樣裝置將堰塞壩料按照固定落距裝入模型箱中。（3）在裝樣過程中進行傳感器的布置，傳感器間距由直尺測量，確保位置準確。（4）在裝樣完成后，在堰塞壩料表面鋪一層厚3 mm 的橡膠墊；在橡膠墊表面，找準沖擊作用位置布置1 個土壓力盒，直接粘貼在橡膠墊下面。（5）將模型沖擊輪放置在模型箱左側(cè)起始位置的承臺上，每遍碾壓時沖擊輪的起始位置固定，保證模型沖擊輪在試驗過程中能夠沿規(guī)定路線運動。（6）打開電機，通過牽引繩拉動牽引裝置，使沖擊輪按照設(shè)置的速度運動，當沖擊輪到達右側(cè)承臺后自動切斷電源。（7）開啟返回開關(guān)使沖擊輪返回左側(cè)起始承臺，放置于起始位置，視為1 遍碾壓結(jié)束。（8）試驗過程中共進行15 遍沖擊碾壓，每3 遍沖碾后在不同的沖擊處進行貫入試驗，測試深度為40 cm，貫入速度為5 mm/s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 沖擊接觸應(yīng)力

堰塞壩料模型試驗第9 遍碾壓時的沖擊接觸應(yīng)力測試結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可知，沖擊輪與地基表面接觸后，接觸應(yīng)力急劇增大，達到峰值后又迅速減小，曲線形態(tài)為類三角形，整個過程持續(xù)時間約為0.1 s，這說明沖擊碾壓過程中主要的有效加固過程為1 次脈沖沖擊。根據(jù)試驗參數(shù)，不同牽引速度和沖擊輪質(zhì)量組合下的沖擊應(yīng)力峰值分別為2.5、2.9、5.0、7.1 MPa，數(shù)值隨著牽引速度和沖擊輪質(zhì)量的增大而增大。同時可以發(fā)現(xiàn)沖擊接觸應(yīng)力時程曲線在前期存在一定的波動，這主要是因為堰塞壩料的結(jié)構(gòu)松散，顆粒容易發(fā)生錯動，導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)波動。

圖3 沖擊碾壓荷載作用下堰塞壩料的典型接觸應(yīng)力測試結(jié)果Fig. 3 Test results of typical contact stress of landslide dam material during rolling dynamic compaction

2.2 動土應(yīng)力發(fā)展及傳播規(guī)律

2.2.1 動土應(yīng)力隨沖擊遍數(shù)發(fā)展規(guī)律 沖擊碾壓后堰塞壩料地基不同深度（0.6、1.2、2.4、3.0 m）的動應(yīng)力峰值與碾壓遍數(shù)變化關(guān)系見圖4。從圖4 可見，沖擊碾壓引起的動土應(yīng)力整體上隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，且在前3 遍碾壓的增長幅度明顯大于后續(xù)的增長幅度，12 遍后數(shù)值基本穩(wěn)定。值得注意的是，當牽引速度或沖擊輪質(zhì)量較小時，動土應(yīng)力的增長幅度明顯較小，甚至在后期出現(xiàn)了持續(xù)下降。相同條件下，高牽引速度對較深（2.4、3.0 m）處堰塞壩料的加固效果提升明顯，較深處土體動應(yīng)力隨碾壓遍數(shù)有明顯增長，15 遍碾壓后數(shù)值提升了6~10 倍，這說明提高牽引速度有助于沖擊輪產(chǎn)生的沖擊荷載及碾壓效果向更深處傳遞。

圖4 不同深度動土應(yīng)力峰值隨沖擊碾壓遍數(shù)變化Fig. 4 Variation of dynamic stress peak value with number of passes at different depths

2.2.2 動土應(yīng)力隨深度的衰減規(guī)律 不同牽引速度及沖擊輪質(zhì)量組合下，動應(yīng)力峰值隨深度的衰減規(guī)律見圖5。從圖5 可知，沖擊碾壓引起的地基動土應(yīng)力峰值隨深度的增加不斷減小，且0~2.4 m 的衰減超過70%，這說明沖擊碾壓的加固效果主要集中于2.4 m 以上。同時可以發(fā)現(xiàn)，當牽引速度由1.73 m/s 提升至3.46 m/s 時，2.4~3.6 m 區(qū)間的曲線斜率明顯增大，且3.0 m 深度處動應(yīng)力峰值可在15 遍碾壓后達到100 kPa以上，這意味著有效加固深度從2.4 m 增大到3.6 m，同時表明牽引速度對加固效果的影響更大，牽引速度的提升有助于動土應(yīng)力向地基深層傳遞。

圖5 堰塞壩料地基中動應(yīng)力峰值隨深度的衰減規(guī)律曲線Fig. 5 Attenuation curve of dynamic stress peak value with depth in landslide dam material foundation

2.3 沖擊碾壓后地基的變形特性

每遍碾壓后，對碾壓路徑中心位置附近沖擊輪形成的沖擊坑的最大沉降進行了量測，多個沖擊坑取均值確定為每遍碾壓后的沉降。不同沖擊輪牽引速度和質(zhì)量條件下，堰塞壩料地基表面沉降與碾壓遍數(shù)的關(guān)系如圖6 所示。

圖6 堰塞壩料地基表面沉降與碾壓遍數(shù)的關(guān)系Fig. 6 Relationship between surface settlement of landslide dam material and number of passes

由圖6 可知，隨沖擊碾壓遍數(shù)的增加，地基表面沉降呈增長趨勢，且主要沉降發(fā)生在前7 遍碾壓，此后沉降的增加幅度減小，碾壓遍數(shù)超過12 遍后，表面沉降基本穩(wěn)定。如沖擊輪質(zhì)量為7.3 和13.5 t 時，7 遍沖擊碾壓后沉降分別為28 和36.2 cm，占15 遍碾壓后沉降的81.6%和78.4%。同時可以發(fā)現(xiàn)，沉降數(shù)值隨牽引速度的增加增長明顯，且數(shù)值穩(wěn)定所需的碾壓遍數(shù)相應(yīng)增加。這說明提高沖擊輪的牽引速度，有助于促進地基表面土體向下運動，促進土體密實。

2.4 沖擊碾壓后地基的強度特性

為評價不同沖擊輪牽引速度及質(zhì)量組合下的沖擊碾壓加固效果，試驗結(jié)束后采用小型貫入儀對多個沖擊坑中心位置的地基進行貫入試驗，取均值計算其貫入阻力，不同參數(shù)下的比貫入阻力與深度的關(guān)系如圖7 所示。

圖7 不同牽引速度下模型地基比貫入阻力與深度的關(guān)系Fig. 7 Relationships between specific penetration resistance and depth of model foundation under different traction speeds

從圖7 可知，沖擊碾壓后的比貫入阻力相較未處理時提升明顯，深度2.4 m 以上提升幅度超過200%，這說明沖擊碾壓對表層堰塞壩料的加固效果良好；同時比貫入阻力值隨著沖擊輪質(zhì)量增加而增大。值得注意的是當深度超過3.0 m 時，1.73 m/s 的牽引速度下，比貫入阻力數(shù)值差距較小，15 遍碾壓后地基強度增長幅度為16%和50%，但牽引速度提高至3.46 m/s 后，增幅則超過85%。這意味著當沖擊輪質(zhì)量一定時，提高牽引速度有助于提高影響深度；但是當堰塞壩料地基的強度提高后，繼續(xù)提高沖擊碾壓的遍數(shù)，加固效果不明顯。綜合不同方案的試驗結(jié)果可知，滿足易貢堰塞壩材料的沖擊碾壓參數(shù)：沖擊輪質(zhì)量為13.5 t，牽引速度為3.46 m/s，碾壓遍數(shù)為12 遍。

2.5 沖擊碾壓后地基內(nèi)部位移特性

為評價不同沖擊輪牽引速度及質(zhì)量組合下的堰塞壩料顆粒運動情況，對試驗中使用的堰塞壩料進行了染色（圖8），對沖擊輪碾壓前后堰塞壩料的散斑變化情況進行PIV 分析，得到顆粒運動分布。

圖8 堰塞壩料散斑的制作Fig. 8 Fabrication of material speckle in landslide dam material

沖擊碾壓荷載下堰塞壩料顆粒位移分布如圖9所示。從圖9 可知，沖擊碾壓引起的顆粒運動非對稱，運動方向前側(cè)的影響范圍更大。沖擊碾壓后堰塞壩料顆粒位移分布呈現(xiàn)明顯分區(qū)，沿沖擊輪運動方向可分擠壓區(qū)、沖擊區(qū)和波動影響區(qū)，其中沖擊區(qū)位移以豎向位移為主，數(shù)值隨著深度的增加而衰減，且在2 m 深度處數(shù)值明顯變小，說明豎向位移主要集中于2 m 范圍內(nèi)，這也與分析動土應(yīng)力得到的結(jié)論類似。波動影響區(qū)則以與沖擊輪運動方向平行的水平位移為主，主要集中在距離沖擊點中心2 m 范圍內(nèi)；擠壓區(qū)在表層大多出現(xiàn)向上的顆粒運動，位移主要集中在距離沖擊點中心1 m 范圍內(nèi)。

圖9 堰塞壩料強夯及沖擊碾壓加固顆粒運動情況Fig. 9 Movement of reinforcement particles of landslide dam material by rolling dynamic compaction

3 結(jié) 語

為深入研究沖擊碾壓法對堰塞壩料的加固效果和加固機理，通過設(shè)計4 種不同沖擊輪質(zhì)量及牽引速度的室內(nèi)沖擊碾壓模型試驗，系統(tǒng)研究了沖擊碾壓后地基的動應(yīng)力發(fā)展傳播規(guī)律、位移發(fā)展規(guī)律、顆粒運動和加固效果。主要結(jié)論如下：

（1）三邊形沖擊輪引起的沖擊荷載為脈沖荷載，持續(xù)時間約為0.1 s，到達峰值后迅速衰減，是動力加固的主要能量來源。沖碾產(chǎn)生的接觸應(yīng)力隨著牽引速度和沖擊輪質(zhì)量的增大而增大。沖擊碾壓對堰塞壩料地基表層加固效果良好，深度3.6 m 范圍內(nèi)的堰塞壩料密實度提升明顯。沖擊碾壓引起的動土應(yīng)力隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加，12 遍后數(shù)值基本穩(wěn)定。沖碾引起的地基動土應(yīng)力隨著深度迅速減小，0~2.4 m 深度處的動應(yīng)力衰減超過70%。

（2）動應(yīng)力、比貫入阻力、內(nèi)部位移試驗結(jié)果均表明提高沖擊輪的速度對加固效果的影響更大，更高的牽引速度可以有效提高沖擊動應(yīng)力，使沖碾加固效果向深層傳遞。堰塞壩料顆粒的運動呈現(xiàn)出分區(qū)特點，沿沖擊輪運動方向可分擠壓區(qū)、沖擊區(qū)和波動影響區(qū)。