論輕型擊實試驗指導現代水利工程細粒土碾壓的適用性

王先忠，韓桃明，宋五朋

(河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450008)

水利工程粘性土碾壓使用的碾壓器具多為重型碾壓設備，其遠超規范要求碾壓機具重量，多篇論文提出：重型設備碾壓與規范輕型擊實標準的差異性是壓實度超百影響最大的因素，建議對標準最大干密度試驗方法進行相關調整。本文分析認為，水利工程粘性土碾壓過程中的壓實度是包含干密度和含水率雙重控制標準，根據合理功原理，重型碾壓器具不等于重型擊實，隨之調配的是碾壓遍數和壓實層厚度，輕型擊實試驗仍能指導現代水利工程細粒土的碾壓；土的指標離散性是碾壓檢測中壓實度超百的根本原因。

1 工程概況

河南省出山店水庫是一座大(1)型防洪控制工程。水庫總庫容12.51億m3，水庫正常蓄水水位為88.0m，校核水位98.12m，設計洪水位為95.78m，死水位84.0m，汛期限制水位86.0m，壩頂高程100.4m，在高程95m處設置戧臺或壓重平臺。出山店水庫大壩型式為混合壩型，包括土壩段和混凝土壩段，總長3.69km，其中土壩段長3.3km，混凝土壩段長0.4km。

土壩段壩型為粘土心墻砂殼壩，粘土心墻頂寬4m，邊坡比為1∶0.5，上游反濾層寬3m，下游為寬3m反濾層、寬2m排水帶、寬1m過渡帶，上游壩坡采用混凝土連鎖塊護砌、下游壩坡采用砼預制塊護砌。粘土心墻碾壓壓實度控制指標為99%。

2 粘土心墻碾壓施工中存在壓實度超百現象

出山店水庫施工1標采用壩前土料場粉質粘土作為土壩段粘土心墻填筑土料，壩基滲漏問題處理中，壩前500m范圍內表層土料作為天然水平鋪蓋增加滲徑的安全儲備不予取用，其運距為0.5～1km。勘測期間取土樣室內輕型擊實試驗[1]9組，最大干密度范圍為1.65～1.74g/cm3，平均值為1.68g/cm3；最大含水率范圍值為15.7%～20.8%，平均值為18.0%。

粘土心墻土方填筑碾壓試驗前進行了土料擊實試驗復核，最大干密度1.71g/cm3，最大含水率18.2%，壓實度按不小于99%控制。

現場碾壓試驗的目的[2]主要包括：選定合理的鋪土厚度、壓實方法和碾壓遍數等施工壓實參數，并檢查壓實機具的性能是否滿足施工要求。碾壓試驗選擇20t凸塊振動碾為主要壓實器具，選擇3個試驗場區，分別對應不同的含水率(16.2%、18.2%、21.2%)、不同的鋪土厚度(30cm、35cm、40cm)和碾壓遍數(4、6、8)分別進行試驗；試驗組合為碾壓遍數、鋪土厚度和不同含水率為組合方式，共27個試驗組合，試驗完成后每個試驗組合均取檢測樣品10點，共270個點。

不同鋪土厚碾壓試驗區平均干密度統計表見表1—3。根據表1—3綜合分析后，粘土心墻土方填筑施工主要采用：鋪土厚度為35cm，采用20t的凸塊振動碾先靜壓1遍，再強振振壓6遍；振動碾振壓時行駛速度不超過4km/h等參數。

表1 碾壓試驗區平均干密度統計表(鋪土30cm厚) 單位：g/cm3

表2 碾壓試驗區平均干密度統計表(鋪土35cm厚) g/cm3

施工過程中共檢測壓實度4592組，合格率為100%，壓實度超百組數320組，超百組數約占總檢測組數7%，超百百分點多為100.6%，少量101.2%。

由上引出疑問：粘土心墻細粒土碾壓施工[3]過程中出現超百現象原因是什么？20t凸塊振動碾的重量遠超SDJ213—83《碾壓式土石壩施工技術規范》要求的碾壓機具重量，這是碾壓壓實度超百的最大因素嗎？現場常規使用的碾壓壓實機具重量一般都較高，輕型擊實試驗是否還適用于指導水利工程細粒土現場碾壓？

表3 碾壓試驗區平均干密度統計表(鋪土40cm厚)

3 細粒土擊實試驗

研究土的壓實性能基本方法主要采用擊實試驗進行，試驗目的主要為：找出土的含水率、擊實功和干密度三者之間的關系和基本規律[4]，并考慮擊實土的結構、變形能力及強度等特征，從而選定工程需要的且合適的壓實土干密度和相應的含水率，用較小且合理的擊實功能獲得較好的壓實效果，即最好的壓實密度。

(1)最優含水率估算

試驗表明：細粒土的最優含水率與細粒土的性質有關，其大小隨土的性質而有所差異，約在塑限附近[5]，為液限的0.55～0.65倍。在最優含水率時，土中水分適中，因而顆粒表面水膜厚度相對比較適中，土顆粒的粒間阻力相對較弱，在擊實過程中更易于擊實，使土中的細顆粒緊密接觸，從而達到最大的干密度。

當含水率大于最優含水率時，細粒土結合水膜較厚，雖然因土顆粒的粒間阻力減小而土粒易于移動，但因細粒土的滲透性較小而導致細粒土中多余水分不宜排出，在其水分來不及滲出時，將產生一定的孔隙水壓力，在擊實碾壓過程中，需要克服一定的粒間孔隙水壓力，會消耗較大的擊實功能；也因其含水率較高，多余水分在未及時滲出時含水率變化較小，必然壓實干密度較小，甚至導致在擊實過程中土體被破壞出現“橡皮土”現象[6]。在細粒土含水率大于最優含水率時，該擊實土常具有分散結構特征，這種細粒土的可塑性大，雖適應變形能力強，但其具有強度低、干密度小等缺點。

當含水率小于最優含水率時，細粒土結合水膜較薄，細粒土粒間阻力較大，土粒不易移動，因需克服的粒間阻力較大而所需的擊實功較大，但在較大的擊實功能下能得到較大的干密度。當含水率小于最優含水率時，該擊實土常具有凝聚結構的特征，這種細粒土的可塑性小、較脆硬、適應變形能力弱，雖強度較高，但在浸水時容易產生附加沉降從而發生壩體裂縫等危害。

綜上所述，工況下壓實細粒土存在浸水過程的水利工程，其土的擊實試驗應以細粒土的液塑限值估算最優含水率，以此作為細粒土的擊實試驗含水率控制基值[7]。SL237—1999《土工試驗規程》規定的操作步驟中亦明確指出，在擊實試驗時，應先根據土的塑限來估算其最優含水率，并按估算的最優含水率相差2%含水率制備試樣，試樣個數大于等于5個為一組。

(2)合理功的選擇

當細粒土的含水率一定時，以較小的擊實功進行擊實，隨著擊實功的逐漸增大，土的干密度呈陡增大趨勢；之后，隨著擊實功增大，土的干密度卻呈緩增大趨勢；當達到一個轉折點后，即使擊實功的增大較大，而土的干密度亦呈近于水平線的微增長狀態，該轉折點對應的擊實功我們稱之為臨界功(如圖1所示)，用此功擊實細粒土能達到較好的效果。若用大于臨界功的擊實功擊實，雖擊實功的增大較大，但其最大干密度卻增加微小，難以達到較好的擊實效果。此臨界功亦稱為合理功。

圖1 含水率一定時細粒土的干密度與擊實功的關系曲線

關于細粒土合理功的選擇，各國及各行業標準規定采用某一擊實功作為其單位體積擊實功能。其中GB/T50123—1999《土工試驗方法標準》規定的擊實功為591.6kJ/m3，SL237—1999規定的擊實功為592.2kJ/m3，適用于粒徑小于5mm的粘性土。

綜上所述，SL237—1999中輕型擊實試驗所求得的細粒土最大干密度是適宜的，適用于指導工況下壓實細粒土存在浸水過程的水利工程現場碾壓試驗。

4 現場碾壓試驗

振動凸塊碾是粘性土碾壓實的適用器具，根據振動凸塊碾單位壓實功計算公式[8](式1)，選定壓實器具及其技術參數后，細粒土合理功一定下，確定合理的施工壓實參數是碾壓試驗的目的，以期用較小且合理的擊實功能獲得最好的壓實效果。

Es=(2δs+δk)fAN/(vh)

(1)

式中，Es—單位壓實功能，tm/m3；δs—靜態線壓力，t/m；δk—動態線壓力，t/m；f—振動頻率，HZ；A—振幅，m;N—累計碾壓遍數(4、6、8、10……)；v—行駛速度，m/s；h—壓實層厚度，m。

即：細粒土現場碾壓試驗在室內輕型擊實指導下，通過選擇適應市場且適宜的壓實機具以及合理的鋪土厚度和碾壓遍數等施工壓實參數，對細粒土合理功的合理分化。以壓實器具技術參數和施工壓實參數形式合理分化后的細粒土合理功進行施工碾壓，獲得最好的壓實密度。

建議碾壓器具選擇時，考慮以下原則。

碾壓器具：首先，重型碾壓器具不等于重型擊實，當碾壓器具重量加重時，隨之調配的是碾壓遍數和壓實層厚度。碾壓器具選擇時，第一，不宜過重，防止碾壓中造成碾壓器具沉陷以及土體被破壞出現“橡皮土”現象；第二，為防止欠壓、漏壓，碾壓遍數不會過度減小，碾壓器具過重時，多余的壓實功增加的最大干密度卻不多，不經濟適用。

振頻：根據土的共振物理原理，當碾壓器具碾壓時，其激振頻率接近或等于被碾壓土料的固有頻率時，獲得的壓實效果最好[9]。98%～100%壓實細粒土固有頻率在29～32HZ，96%～98%壓實細粒土的固有頻率在27～29HZ[10]。

振幅：對于厚度較薄的粘性土層，碾壓過程中若振幅過大，其過高的壓實功能并不會被碾壓材料吸收，反而會因振幅過大導致已壓實的薄層粘性土層重新變得松散，因此，對于厚度較薄的粘性土層，碾壓過程中應選用較小的振幅。

行駛速度：根據經驗，粘性土碾壓速度一般不超過4km/h，約為0.09f為最佳作業速度。

近幾年碾壓土石壩粘性土碾壓常用的碾壓器具為20t振動凸塊碾，雖遠大于SDJ213—83碾壓器具的重量要求，但施工過程中并未造成器具沉陷及土體破壞，碾壓遍數一般為6遍左右，鋪土厚度為35cm左右，提高了施工碾壓生產效率。

5 粘土心墻壓實度超百原因分析

土是巖石圈表層漫長地質年代中經受復雜物理化學作用所形成的松軟物質，具有性質復雜、空間分布不均勻、自然變異性等特性，同時具有成層特征，存在條件的不確知性和參數的不確定性，只能通過勘察查明，但又不可能完全查明。自然界的巖土，同一層內巖土的物質組成和結構、構造基本一致，但其性質也是存在有一定差別的，既存在規律性的各向相變，也存在無規律性的指標離散。由于土的指標離散特性，場區土的工程特性不能以單個土性指標來代表，必須對土樣的物理力學指標的試驗數據進行統計分析后，根據工程特點和地質條件確定其代表性[11]，所以規范明確規定了每一主要土層土樣試驗或原位測試均不能少于一定組(件)數。

綜上所述，勘測期間取土樣9組，室內輕型擊實試驗測得最大干密度為范圍值，即：1.65～1.74g/cm3，粘土心墻土方填筑碾壓試驗所采用的最大干密度為1.71g/cm3，壓實度按不小于99%控制進行碾壓，如此，從純數值理論上看，若粘土心墻土方填筑碾壓合格，則必然存在大于1.71而小于1.74數值的99%比值，即1.72g/cm3、1.73g/cm3，若碾壓壓實度為100%時，則存在1.74g/cm3。由此可知，若粘土心墻土方填筑碾壓合格，從土的指標離散性來講，土的壓實度超百現象存在是合理的。

總之，由于土的指標離散性，工程中所采用的土的最大干密度為代表值，其一般在檢測數值范圍之內，以該代表值99%為控制指標，必然存在大于代表值控制指標的檢測數值，故土的壓實度超百現象[12- 13]的存在是合理的。

6 結語

壓實細粒土存在浸水過程時，其土的擊實試驗應以細粒土的液塑限值估算最優含水率，作為細粒土的擊實試驗含水率控制基值。

若用大于合理功的擊實功擊實時，難以達到較好的擊實效果。

細粒土現場碾壓試驗是把合理功以壓實器具的技術參數和施工壓實參數的形式進行合理分化，進行施工碾壓，可獲得最好的壓實密度。

重型碾壓器具可適當調配碾壓遍數和壓實層厚度，以提高生產效率。重型碾壓器具的選擇原則以不造成器具沉陷及土體破壞為原則。

土的壓實度超百現象的存在是合理的，土的指標離散性是碾壓壓實度超百的根本原因。