礫質(zhì)土料全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度關(guān)系研究

張 東 明，　方 德 揚(yáng)，　劉 存 福

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司兩河口建設(shè)管理局，四川 雅江　627450)

礫質(zhì)土料全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度關(guān)系研究

張 東 明，方 德 揚(yáng)，劉 存 福

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司兩河口建設(shè)管理局，四川 雅江627450)

摘要：在全料符合設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度時(shí)，通過計(jì)算對(duì)應(yīng)的細(xì)料理論計(jì)算干密度，發(fā)現(xiàn)細(xì)料干密度與P20存在區(qū)間性變化規(guī)律，對(duì)不同區(qū)間應(yīng)關(guān)注關(guān)鍵控制指標(biāo)，有利于礫質(zhì)土料施工質(zhì)量管理，更有利于礫質(zhì)土料心墻防滲體填筑質(zhì)量控制。

關(guān)鍵詞：礫質(zhì)土；全料壓實(shí)度；細(xì)料壓實(shí)度；應(yīng)用

0前言

隨著筑壩技術(shù)和施工機(jī)械的發(fā)展，土質(zhì)心墻堆石壩壩高也隨之增加，并逐漸成為世界上高壩建設(shè)的主流壩型之一。隨著壩高的增加，心墻土體將承受較大的應(yīng)力，單純采用粘性土作為心墻防滲土料將無法滿足強(qiáng)度和壓縮性的要求。國內(nèi)外工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，高土石壩采用礫質(zhì)土料作為防滲料已成為發(fā)展趨勢，世界上已建和在建的壩高200 m以上的高土質(zhì)心墻堆石壩中，基本上都以礫質(zhì)土作為心墻堆石壩；國內(nèi)近年來已建和在建的高心墻堆石壩均是如此。如已建成的瀑布溝、糯扎渡，在建的兩河口以及即將建設(shè)的雙江口等水電站大壩心墻均為礫質(zhì)土心墻堆石壩。

1亟待解決的問題

對(duì)于高心墻堆石壩而言，礫質(zhì)土是一種良好的心墻防滲土料，其在壓實(shí)方面兼有砂礫料和粘性土料的某些性質(zhì)。擊實(shí)試驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)[石含量不大于第一特征含礫量(P5Ⅰ)時(shí)，礫石土干密度隨礫石含量的增加而增加，而且，礫質(zhì)土中的細(xì)料都可以壓實(shí)到最大干密度；當(dāng)?shù)[石含量由第一特征含礫量(P5Ⅰ)向第二特征含礫量(P5Ⅱ)增加時(shí)，由于礫石的骨架作用和顆粒分布等因素，礫質(zhì)土的最大干密度不再與礫石的含量成比例關(guān)系；當(dāng)?shù)[石含量增加至第二特征含礫量(P5Ⅱ)，礫質(zhì)土將會(huì)被擊實(shí)至最大干密度,這時(shí)礫質(zhì)土中的細(xì)料干密度逐漸變小。由于礫質(zhì)土這種擊實(shí)特性，如果僅用全料壓實(shí)度來控制礫質(zhì)土壓實(shí)質(zhì)量，那么就存在全料壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)而礫質(zhì)土中的細(xì)料并沒有得到有效的壓實(shí)，導(dǎo)致礫質(zhì)土料防滲性能達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，威脅大壩的安全。正因?yàn)槿绱?，《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T5359-2007)規(guī)定“對(duì)于礫石土應(yīng)按全料試驗(yàn)求取最大干密度和最優(yōu)含水率，并復(fù)核細(xì)料干密度?！币虼?，礫質(zhì)土料心墻防滲體壓實(shí)質(zhì)量控制一般都提出了全料壓實(shí)度和細(xì)料(≤20 mm或≤5 mm)壓實(shí)度雙控指標(biāo)。如糯扎渡、長河壩和兩河口等水電站礫質(zhì)土防滲體，其控制指標(biāo)如表1。

現(xiàn)在的問題是，全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度控制指標(biāo)是否匹配，與P20存在何種聯(lián)系，在大壩心墻填筑過程中，如何抓住關(guān)鍵控制指標(biāo)等問題，都亟待研究，也是本文研究的重點(diǎn)。下面就這些問題進(jìn)行探究。

表1　礫質(zhì)土防滲體壓實(shí)質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)

2全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度關(guān)系

礫質(zhì)土料在填筑過程中，為了確保碾壓質(zhì)量，其含水率通常均較最優(yōu)含水略偏濕，加上小于0.074 mm顆粒含量較高，致使礫質(zhì)土料中粒徑小于5 mm細(xì)料常結(jié)成團(tuán)狀，濕篩不易通過5 mm篩網(wǎng)，因此，設(shè)計(jì)提出的細(xì)料壓實(shí)質(zhì)量通常采用≤20 mm顆粒的壓實(shí)度來控制，具有普遍性。如糯扎渡、兩河口等水電站礫質(zhì)土防滲體細(xì)料壓實(shí)質(zhì)量控制指標(biāo)。因此，下文僅以細(xì)料(≤20 mm)為例，并簡稱為細(xì)料。經(jīng)分析，全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度關(guān)系研究有以下兩種模型：

模型Ⅰ：當(dāng)細(xì)料壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求情況下，研究全料干密度變化規(guī)律，進(jìn)而計(jì)算全料壓實(shí)度。技術(shù)方法是通過細(xì)料干密度[為細(xì)料最大干密度×細(xì)料壓實(shí)度(D細(xì))]計(jì)算其中對(duì)應(yīng)的全料理論干密度，再通過全料擊實(shí)試驗(yàn)，得出全料最大干密度，由此計(jì)算全料壓實(shí)度。詳細(xì)推算過程見圖1。

圖1　細(xì)料壓實(shí)度推算全料壓實(shí)度模型

模型Ⅱ：當(dāng)全料壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求情況下，研究細(xì)料干密度變化規(guī)律，進(jìn)而計(jì)算細(xì)料壓實(shí)度。技術(shù)方法是通過全料干密度【為全料最大干密度×全料壓實(shí)度(D全)】計(jì)算其中對(duì)應(yīng)的細(xì)料理論計(jì)算干密度，再通過細(xì)料擊實(shí)試驗(yàn)，得出細(xì)料最大干密度，由此計(jì)算細(xì)料壓實(shí)度。詳細(xì)推算過程見圖2。

模型解釋與比較。模型Ⅰ解釋為：相當(dāng)于把礫石料隨機(jī)嵌入細(xì)料中，嵌入過程中沒有消耗擊實(shí)功。實(shí)際情況是礫石在礫石土料擊實(shí)過程中會(huì)發(fā)生位移或破碎而消耗擊實(shí)功，這使得計(jì)算理論全料干密度比實(shí)際全料干密度偏大，導(dǎo)致壓實(shí)度偏高。因此，模型Ⅰ在設(shè)計(jì)上存在一定的缺陷，與實(shí)際所受工況存在差異。模型Ⅱ是由全料推算細(xì)料，該模型考慮了礫石在礫石土料中消耗擊實(shí)功問題，與實(shí)際工況近似。因此，模型Ⅱ比模型Ⅰ優(yōu)，后文應(yīng)用實(shí)例采用模型Ⅱ進(jìn)行推算。

3礫石土的應(yīng)用

糯扎渡水電站擋水建筑物為心墻堆石壩，最大壩高為261.5 m。防滲心墻采用人工摻礫土料，設(shè)計(jì)要求見表1。

摻礫用碎石取自摻礫料加工系統(tǒng)，按設(shè)計(jì)摻礫碎石中間級(jí)配進(jìn)行配料，摻礫碎石視比重為2.59，級(jí)配參數(shù)詳見表2；試驗(yàn)用混合土料取至農(nóng)場土料場開采混合土料共進(jìn)行了3組混合土料顆粒級(jí)配試驗(yàn)，顆分成果見表3。擊實(shí)成果見表4與圖2。

圖2　全料壓實(shí)度推算細(xì)料壓實(shí)度模型

粒徑/mm分級(jí)質(zhì)量百分比/%小于某級(jí)質(zhì)量百分比/%100～120510080～1007.595.060～8015.7587.540～6027.5571.7520～4021.744.210～208.022.55～104.514.5<510.010.0

表3　實(shí)測顆粒級(jí)配

表4　擊實(shí)成果及細(xì)料理論計(jì)算干密度成果表

注：表中備注欄①中數(shù)據(jù)采用公式(2)計(jì)算得出；摻礫碎石視比重為2.59。

圖3　細(xì)料(<20 mm)理論計(jì)算干密度與p20關(guān)系

圖4　細(xì)料理論計(jì)算干密度值的變化

為了敘述方便，本文定義P20Ⅰ為P20第一特征值， P20Ⅱ?yàn)镻20第二特征值。

通過圖表分析可知，細(xì)料理論計(jì)算干密度值呈現(xiàn)區(qū)間性變化，見圖4：

A區(qū)間：當(dāng)P20小于P20Ⅰ時(shí)，細(xì)料理論計(jì)算干密度隨P20增加而增加，這時(shí)全料、細(xì)料都能得到充分的壓實(shí)。在該范圍內(nèi)如果僅用壓實(shí)度和滲透系數(shù)來控制心墻礫石土質(zhì)量是不夠的，還必須同時(shí)控制礫石土料中P20，否則心墻防滲體的強(qiáng)度和壓縮性指標(biāo)可能不能滿足設(shè)計(jì)要求；

B區(qū)間：當(dāng)P20處在P20Ⅰ～P20Ⅱ范圍時(shí)，細(xì)料理論計(jì)算干密度基本保持不變，這時(shí)全料、細(xì)料都能得到壓實(shí)。在該范圍內(nèi)用全料或細(xì)料壓實(shí)度以及滲透系數(shù)來控制心墻礫質(zhì)土質(zhì)量是可行的；

C區(qū)間：當(dāng)P20含量大于P20Ⅱ時(shí)，細(xì)料理論計(jì)算干密度隨P20增加而降低，這時(shí)細(xì)料壓實(shí)質(zhì)量不一定能滿足設(shè)計(jì)要求。在該范圍須用細(xì)料壓實(shí)度和滲透系數(shù)來控制心墻礫質(zhì)土壓實(shí)質(zhì)量。

實(shí)例表明，在全料符合設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度時(shí)，通過公式(2)計(jì)算對(duì)應(yīng)的細(xì)料理論計(jì)算干密度，發(fā)現(xiàn)細(xì)料干密度與P20存在區(qū)間性變化規(guī)律，對(duì)不同區(qū)間應(yīng)關(guān)注關(guān)鍵控制指標(biāo)，有利于礫質(zhì)土料施工質(zhì)量管理。

4結(jié)語

礫質(zhì)土料心墻防滲體全料壓實(shí)度與細(xì)料壓實(shí)度相互推算公式，填補(bǔ)了當(dāng)前業(yè)界確定礫質(zhì)土料心墻防滲體全料壓實(shí)度和細(xì)料壓實(shí)度指標(biāo)理論計(jì)

算的空白。根據(jù)礫質(zhì)土料的擊實(shí)特性，對(duì)P20進(jìn)行了特征區(qū)間的劃分，并指出了礫質(zhì)土料心墻防滲體填筑時(shí)重點(diǎn)控制指標(biāo)，相對(duì)于當(dāng)前采用固定控制指標(biāo)，更有利于礫質(zhì)土料心墻防滲體填筑質(zhì)量控制。

參考文獻(xiàn):

[1]寧占金等，糯扎渡心墻堆石壩超大粒徑摻礫土料壓實(shí)特性研究與應(yīng)用，年度水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)項(xiàng)目，2013

[2]碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5395-2007)

收稿日期:2016-05-26

中圖分類號(hào):P619.22+8；P619.23+1；TV541+.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

文章編號(hào):1001-2184(2016)03-0120-04

作者簡介:

張東明(1979-)，男，內(nèi)蒙古巴彥淖爾盟人，碩士，雅礱江公司兩河口建設(shè)管理局技術(shù)一部高級(jí)工程師，現(xiàn)從事水利水電建筑工程管理工作；

方德?lián)P(1970-)，男，江西安義人，學(xué)士，雅礱江公司兩河口建設(shè)管理局技術(shù)一部高級(jí)工程師，現(xiàn)從事土工、混凝土以及原材料試驗(yàn)檢測管理工作；

劉存福(1969-)，男，四川邛崍人，雅礱江公司兩河口建設(shè)管理局副總工程師，從事土石壩工程施工管理工作.

(責(zé)任編輯：卓政昌)