土石壩填筑砂礫料碾壓試驗分析

楊春偉

(河北省水利水電勘測設計研究院,天津　300250)

0　引言

洋河水庫位于河北省秦皇島市撫寧縣北10 km,是一座大型水庫。1976年唐山地震使大壩(土石壩)多處出現裂縫,一直處于帶病運行之中。整治采用在洋河水庫現大壩背水面貼坡的方案進行加固。大壩填筑料為大壩下游料場的砂礫料以及非常溢洪道開挖的全風化花崗巖棄渣。砂礫料用在大壩浸潤線以下,以便排水通暢;全風化花崗巖碾壓后由于透水性較差,用在大壩浸潤線以上。

為了確定砂礫料在筑壩過程中的施工質量控制指標,根據設計提出的壩體填筑技術要求(砂礫料壓實標準采用相對密度Dr≥0.7),對砂礫料進行了碾壓試驗,以便確定現場施工設備條件下達到設計要求時的實際鋪料厚度、碾壓遍數及加水量等技術參數[1-2]。

1　碾壓試驗場地選擇和地基處理

碾壓試驗的場地面積為10 m×20 m。試驗場地為砂礫石地基,鋪料前進行了場地平整、加水、碾壓處理(平碾一次,震動碾壓8次),經水準儀測量,場地地面高差控制在1～3 cm范圍內。并在場地內埋設了6個水準標點以檢測壓實對地基變形的影響。

2　碾壓試驗參數選定

本次碾壓試驗采用洛陽建筑機械廠生產的YZ14B型震動壓路機,碾重14 t,規格為激振力260 kN,標準功率37.58 kW,振動頻率30 Hz,碾壓速度采用Ⅰ檔2.0 km/h。

采用40 cm和50 cm兩種鋪料厚度。鋪料時采用推土機平整底層砂礫料,40 cm和50 cm鋪料厚度為經推土機平整砂礫料后的實際厚度,鋪好后經水準儀測量,并記錄碾壓前的砂礫料高程。以后每碾壓一定遍數后,均測量記錄取樣點的高程。采用4、8、10及12遍共4種碾壓遍數。

從料場取來的砂礫料為潮濕狀態,碾壓前進行加水,加水量約為砂礫料體積的17%,并在碾壓過程中邊加水邊碾壓,總加水量為試樣體積的30%左右。

3　碾壓、取樣試驗質量控制

為保證取樣的代表性,取樣位置距碾壓試驗場地周邊距離>2 m。碾壓試驗場地長度方向取樣間距為2 m,寬度方向取樣間距為1.5 m,這樣可以避免取樣點相互間的影響。在每次碾壓試驗完畢后,通過灌水法測試砂礫料的濕密度及干密度,計算精度為0.01 g/cm3,同時計算相應含水量。將炒干的砂礫料過60 mm篩,計算出粒徑>60 mm顆粒的含量。試坑直徑為砂礫料最大粒徑的3～5倍,取樣數量一般在50 kg以上。

4　碾壓試驗結果

4.1　鋪土厚度40 cm

碾壓4、8遍時取樣10個,碾壓10、12遍時取樣8個,試驗成果見表1、圖1,碾壓遍數與試驗干密度的關系曲線見圖2。從表1及圖1、圖2中可以看出:碾壓4、8遍時,其中9個干密度大于設計要求的干密度(即合格率為90%),另1個小于設計干密度的樣品能滿足設計要求干密度的98%。碾壓10～12遍合格率為100%。

4.2　鋪土厚度50 cm

碾壓4、8遍時取樣11個,碾壓10、12遍時取樣7個,碾壓試驗成果見表1、圖3,碾壓遍數與試驗干密度的關系曲線見圖4。從表1及圖3、圖4中可以看出:碾壓4遍時,其中合格試樣為6個(合格率為85.7%),另1個不合格試樣的干密度為設計干密度的98%。碾壓8遍和8遍以上時合格率為100%。

圖1　鋪料厚度40 cm試驗干密度與設計干密度對比圖

圖2　碾壓遍數與干密度曲線圖(鋪料厚度40 cm)

圖3　鋪料厚度50 cm試驗干密度與設計干密度對比圖

圖4　碾壓遍數與干密度曲線圖(鋪料厚度50 cm)

表1碾壓試驗成果表

Table 1Result table of compaction test

注：左側設計ρd=2.03 g/cm3(P=0時),鋪土厚度40 cm；右側設計ρd=1.895 g/cm3(P=0),鋪土厚度50 cm。

5　試驗成果分析及討論

5.1　料場砂礫料的不均一性

無粘性土的顆粒組成是反映其基本特性的主要依據,如壓實和滲流特性等。依據各粒徑組的含量繪制的分布曲線和累積曲線圖可辨別其均勻性,根據兩次所取試樣分析,應屬于級配不良的砂礫料。砂礫料缺乏中間粒徑,1.0～10.0 mm粒徑之間的顆粒含量只占全重的12%～25%;2.0～20 mm粒徑之間的顆粒含量只占全重的9%。這種砂礫料是經過多次沖(洪)積而形成的粗細兩種料的混合體。這種土的級配離散性很大,在同一坑內其深度分布亦是明顯不同的,不同探坑受當時沉積環境及條件影響其水平方向往往亦是差異很大,因而其壓實特性也不相同。這種不連續級配的土在中國多數上游河道中分布廣泛,而且在河北省分布亦極為廣泛,如密云、岳城、黃壁莊等地。

此次砂礫料場5個試樣的最大、最小干密度離散性很大,最小干密度為1.53～1.83 g/cm3,最大干密度為1.81～2.13 g/cm3,這樣就給如何確定設計Dr≥0.7時的干密度亦即壓實控制指標提出了一個問題,也必然給施工造成一定的困難。

5.2　相對密度 Dr≥0.7時最大干密度(ρdmax)與最小干密度(ρdmin)的確定

設計要求的相對密度(Dr)確定以后,如何合理地確定對應的砂礫料設計最小干密度是一個至關重要的問題。因為設計最小干密度的數值直接影響大壩質量和施工的難易,如果數值確定不合適甚至還有可能達不到要求。

結合料場的條件分析,從現場勘察及室內試驗成果看,可以將料場劃分為兩個區域:即以探坑TTK31、TTK34、TTK37為代表的較粗類砂礫料區(Ⅰ區)和以探坑TTK22、TTK25為代表的較細類砂礫料區(Ⅱ區)。

以上兩個區域粒徑<60 mm時的最大、最小干密度平均值分別為Ⅰ區:2.020 g/cm3、1.760 g/cm3,相應的Dr=0.7時的設計干密度為1.934 g/cm3。Ⅱ區:1.840 g/cm3、1.565 g/cm3;相應的Dr=0.7時的設計干密度為1.748 g/cm3。

6　結論

(1)采用YZ14B型(14 t)震動壓路機,鋪料厚度為40 cm,碾壓10遍可達到設計要求;鋪料厚度為50 cm,碾壓8遍,可以達到設計要求(Dr≥0.7)。

(2)因從料場開采來的砂礫料為潮濕狀態,建議碾壓前加水一次,然后邊加水邊碾壓,總加水量為所碾壓砂礫料體積的20%～35%。含水量控制在8%上下,碾壓效果較好。

參考文獻:

[1]SL237—1999,土工試驗規程[S].

[2]SDJ213—83,碾壓式土石壩施工技術規范[S].