礫石土擊實特性影響因素及現場質量控制研究

李 朝 政

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 概述

粘土作為土石壩防滲料具有悠久的歷史。在我國土石壩筑壩歷史中，從當初亞洲第一的云南會澤縣毛家村土石壩到糯扎渡超高心墻堆石壩[1]防滲土料經歷了很大的變化：20世紀60年代～70年代以防滲良好的細粒粘土為代表，到現在以礫石粘土或摻礫粘土為代表，礫石粘土作為防滲土料得到廣泛的應用并繼續發展[2，3]。粗粒礫質土作為防滲體有相當的優勢[4，5]，因此得到快速發展和推廣。

堆石壩施工中，摻礫粘土作為心墻防滲體一般以室內擊實試驗成果作為參考，經過現場碾壓試驗確定碾壓參數，以此控制工程施工質量。關于礫石類土擊實特性相關的研究較多[6-8]，在前人研究的基礎上，本文擬以兩河口水電站為工程背景研究擊實沖量、擊實儀器尺寸、粒徑、擊實功能等因素影響，并為現場碾壓機械選擇和控制提供參考。

2 研究背景及試驗過程

2.1 工程介紹

兩河口水電站位于四川省甘孜藏族自治州雅江縣境內的雅礱江干流上，壩址位于雅礱江干流與支流鮮水河的匯合口下游約2 km河段。電站裝機容量300萬kW，多年平均年發電量為110×108kW·h。樞紐主要建筑物包括礫石土心墻堆石壩、引水發電系統、洞式溢洪道、深孔泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞，工程為一等大(1)型工程。

礫石土心墻堆石壩最大壩高295 m，壩頂高程2 875 m，屬超高型大壩，其中礫石土心墻防滲料填筑量約441.14×104m3。礫石土心墻料主要采用西地、蘋果園、亞中、瓜里、普巴絨等土料場作為土料來源，其料源分散，性狀不均一，實際上壩施工中需要根據料場P5含量不同而摻礫改性[9]。

2.2 試驗礫石土

擊實研究的礫石土取自兩河口心墻土料場，土粒比重試驗采用虹吸桶+比重瓶法，顆粒分析采用篩析法+密度計法完成，摻礫土料物理性試驗成果見表1。

2.3 試驗方案

根據以往研究，擊實成果主要受擊實功能、顆粒級配、含水率等影響，而對于擊實儀器尺寸、擊錘沖量、顆粒最大粒徑與儀器相互關系等研究較少，鑒于此，根據行業標準[10-12]和研究目的，采用擊實儀規格及擬定試驗方案見表2。

表1 料場土料物理性試驗成果

表2 擊實儀規格及礫石土擊實試驗方案

3 試驗成果

3.1 擊實試驗

經過系統性擊實試驗，試驗成果如表3，表4所示。

表3 <5 mm及<20 mm顆粒土料擊實試驗成果

表4 <60 mm土料擊實試驗成果

通過擊實試驗成果，可知：

分別對應<5 mm和<20 mm顆粒的擊實土料，φ300 mm擊實儀，在同一擊實功能下，雖沖量不同(3 kN·s/m2和7 kN·s/m2，下同)，但擊實最大干密度一致。φ102 mm,φ152 mm的擊實儀成果比較看，在同一擊實功能下，雖沖量和儀器尺寸不同，但擊實最大干密度基本相同。在595 kJ/m3擊實功能下，擊實筒尺寸為φ300 mm比φ102 mm,φ152 mm的最大擊實干密度增加約2%～3%。在2 690 kJ/m3擊實功能下，三種規格的擊實筒、不同沖量下，擊實最大干密度基本一致。

對于<60 mm擊實土料，φ300 mm擊實儀，在同一擊實功能下，雖沖量不同，但擊實最大干密度基本一致。

綜合表3,表4試驗成果，相同擊實功能下，隨著擊實土最大粒徑(即礫石含量)增大，干密度隨之增加。同一擊實功能下、同一直徑擊實筒，雖沖量不同，但擊實最大干密度基本一致。在2 690 kJ/m3擊實功能下，各種擊實儀下的最大干密度基本一致，尺寸效應對成果影響未體現。在595 kJ/m3擊實功能下，同一種擊實料，大尺寸的擊實儀比小尺寸的擊實儀所得最大干密度反而增大2%～3%，即隨著擊錘底徑的增加，干密度反而有所增加。

3.2 現場碾壓試驗

施工碾壓采用26 t振動凸塊碾，碾壓遍數10遍，碾壓檢測采用灌水法在填筑壩體上進行。現場共檢測93個點，檢測點內土料物理性試驗成果均值見表5。

表5 93個碾壓檢測點密度及顆粒含量統計

4 討論

4.1 擊實功能影響

擊實功能對干密度影響最明顯。從<5 mm土料至<60 mm土料，不同粒徑土料，不同擊實儀器內徑，隨著擊實功能增加擊實干密度均顯著增加。

4.2 擊實沖量影響

根據試驗方案完成了兩種不同沖量的試驗。試驗結果表明，<5 mm土料，<20 mm土料，<60 mm土料，擊實功能相同時，沖量的大小并不影響土料的擊實干密度。

4.3 擊實儀尺寸影響

在595 kJ/m3擊實功能下，隨著擊錘底直徑的增大，擊實干密度增大；隨著擊實功能提高到2 690 kJ/m3，則儀器尺寸的影響基本不大。從整個試驗成果看，儀器尺寸效應未對最大干密度體現明顯影響。原因可能在于：擊實儀內徑小時，土料顆粒也較小(<5 mm),當土顆粒粒徑較大時，擊實儀內徑與顆粒粒徑比值也在5以上，同時較大的擊實功能足以克服顆粒之間的咬合阻力。

4.4 上壩礫石土壓實控制標準及快速檢測

根據室內擊實試驗成果，擊實沖量并不影響擊實干密度，其主要與接受的壓實能量有關。對于施工中采用不同噸位的碾壓機械，在碾壓機械足以對所鋪厚度土傳導能量的情況下，噸位大小并不占主要作用。不同噸位機械控制好總的碾壓能量，小噸位碾壓機械增加碾壓遍數依然可以達到相同效果。

從現場上壩礫石土碾壓試驗檢測結果看，全料干密度范圍2.11 g/cm3～2.25 g/cm3，均值2.19 g/cm3，<20 mm土料部分干密度范圍1.95 g/cm3～2.10 g/cm3，均值2.04 g/cm3?，F場碾壓檢測成果與室內采用<20 mm土料相應的擊實成果最為接近，從方便快速檢測和保證工程質量、經濟性等方面考慮，采用<20 mm土料的擊實成果作為碾壓控制標準最佳。

5 結語

經過較為系統性的室內擊實比對試驗和現場碾壓檢測，總結出以下觀點：

1)土料擊實干密度主要受擊實功能影響，不同儀器尺寸、不同沖量、不同粒徑土料都表明擊實能量的吸收極大地影響擊實干密度。

2)低擊實功能的情況下，擊實儀內徑尺寸的大小一定程度上影響擊實干密度，隨著擊錘底徑的增大，干密度有所增大。當提高擊實功能后，擊實儀內徑尺寸對干密度基本無影響；為更好研究相關關系，在下步工作中還需增加其他擊實功能的擊實成果。

3)擊實沖量并不影響擊實干密度，其主要受壓實能量影響。因此，施工中采用不同噸位的碾壓機械，在碾壓機械足以對所鋪厚度土傳導能量的情況下，不同噸位碾壓機械控制好總的碾壓能量，小噸位碾壓機械增加碾壓遍數依然可以達到相同效果。

4)現場施工檢測中，現場碾壓檢測成果與室內采用<20 mm土料相應的擊實成果最為接近，采用<20 mm土料的擊實成果作為碾壓控制標準最佳。

5)關于采用設備型號：規范中要求擊實筒內徑102 mm用于粒徑小于5 mm的粘性土，且擊實功約為595 kJ/m3；擊實筒內徑152 mm用于粒徑小于20 mm的土，且擊實功約為2 690 kJ/m3。但目前很多工程上采用以小于20 mm的土在擊實功能595 kJ/m3下的室內最大干密度為基礎控制現場壓實效果，雖從試驗成果來看，擊實筒內徑102 mm和152 mm，在擊實功能595 kJ/m3下，最大干密度基本一致，但從規范中擊實儀尺寸對應最大粒徑的要求方面考慮，本文建議采用內徑152 mm的擊實筒。

而設計采用全料在2 690 kJ/m3擊實功能下進行復核，本文建議按規范采用擊實筒內徑300 mm，擊錘質量為35.2 kg的試驗設備，與規范統一。

6)以上成果是在目前的試驗方案和試驗組數基礎上總結的，為更好地通過室內試驗指導現場碾壓施工，特別是在高土石壩填筑過程中快速、準確地檢測還需更多的努力。