風(fēng)積砂填筑標(biāo)準(zhǔn)及施工關(guān)鍵技術(shù)研究

蘇都都，張彥忠

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅水利機(jī)械化工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會進(jìn)一步發(fā)展以及西部大開發(fā)的深入推進(jìn)，沙漠地區(qū)各類工程項(xiàng)目日益增多。風(fēng)積砂作為一種特殊的工程材料，與沙壤土不同，其具有顆粒間無黏聚力、表面活性低、天然含水率小、保水性及整體性較差等特性。以風(fēng)積砂作為工程基礎(chǔ)，其壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)確定、施工方法研究是當(dāng)前沙漠地區(qū)工程建設(shè)亟待解決的問題。

黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池位于甘肅省古浪縣騰格里沙漠南緣，項(xiàng)目區(qū)屬典型的干旱型大陸性氣候，全年平均氣溫6.6℃，多年平均降水量207.7mm，多年平均蒸發(fā)量2807mm，多年平均日照時數(shù)2852.3h。黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池設(shè)計(jì)容積220萬m3，為半挖半填結(jié)構(gòu)，水池最大深度11.3m，基礎(chǔ)為風(fēng)積砂。

本文以甘肅省古浪縣黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池工程為例，對該區(qū)域風(fēng)積砂材料物理力學(xué)特性、調(diào)蓄水池池堤壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)、碾壓施工工藝進(jìn)行室內(nèi)和現(xiàn)場試驗(yàn)研究。可為沙漠地區(qū)調(diào)蓄水池、渠道等工程設(shè)計(jì)、施工等方面提供借鑒和參考。

1 風(fēng)積砂的物理特性

黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池工程區(qū)風(fēng)積細(xì)砂，天然密度1.50～1.69g/cm3，密實(shí)度不均一，不均勻系數(shù)1.85，曲率系數(shù)0.85。

根據(jù)SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定，對風(fēng)積砂料進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，顆粒分析的結(jié)果見表1，顆粒級配曲線如圖1所示。

表1 風(fēng)積砂篩分試驗(yàn)成果

圖1 風(fēng)積砂顆粒級配曲線

2 風(fēng)積砂室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

土的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)是通過模擬現(xiàn)場碾壓條件、方法，在標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)筒內(nèi)對土施加一定的擊實(shí)功能，確定該功能下土的最大干密度與相應(yīng)的最優(yōu)含水率。

根據(jù)相關(guān)研究，由于風(fēng)積砂比較松散，常規(guī)擊實(shí)試驗(yàn)方法，所得的試驗(yàn)結(jié)果比較凌亂，規(guī)律性比較差，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)效果相對較好。

本次根據(jù)SL237—1999，采用重型擊實(shí)儀進(jìn)行了室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)積砂最大干密度1.76g/cm3，最優(yōu)含水率擊實(shí)試驗(yàn)成果見表2，室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)曲線如圖2所示。

表2 風(fēng)積砂室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)成果

圖2 風(fēng)積砂室內(nèi)擊實(shí)曲線

從室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)曲線可以看出，與黏性土和砂類土擊實(shí)曲線特征不同，風(fēng)積砂壓實(shí)曲線具有獨(dú)特之處：①風(fēng)積砂壓實(shí)曲線存在兩個峰值點(diǎn)，含水率在3%～4%之間時，干密度較小，隨著含水率的增大或減小，干密度均增大。②風(fēng)積砂含水率為0時，干密度值較大，說明其具備干壓實(shí)的可能。

3 風(fēng)積砂填筑標(biāo)準(zhǔn)

3.1 我國現(xiàn)行規(guī)范體系壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)

目前我國現(xiàn)行規(guī)范體系中，對無黏性土的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)主要有相對密度和壓實(shí)度兩種，主要規(guī)范的壓實(shí)控制指標(biāo)見表3。

3.2 國外規(guī)范體系壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)

美國水道試驗(yàn)站(WSE)建議，細(xì)粒土(<0.075mm)含量超過5%時，應(yīng)分別進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)和相對密度試驗(yàn)，當(dāng)擊實(shí)試驗(yàn)所得的最大干密度的85%比相對密度85%時的相應(yīng)干密度大時，則用擊實(shí)試驗(yàn)。美國墾務(wù)局規(guī)定，如細(xì)粒土(<0.075mm)含量超過12%時分別作相對密度和標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)，當(dāng)70%相對密度時的相應(yīng)干密度小于擊實(shí)最大干密度的95%，則應(yīng)用擊實(shí)試驗(yàn)，否則采用相對密度控制。

可以看出，美國水道試驗(yàn)站和美國墾務(wù)局對風(fēng)積砂填筑標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定亦存在不同之處。

表3 無黏性土填筑設(shè)計(jì)控制指標(biāo)

3.3 兩種控制指標(biāo)的對比分析

根據(jù)顆分成果，黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池工程細(xì)粒土(<0.075mm)含量在10%～15%之間，其填筑標(biāo)準(zhǔn)采用相對密度還是壓實(shí)度是一個重要的技術(shù)問題。按照我國現(xiàn)行規(guī)范體系，應(yīng)遵照水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，采用相對密度作為填筑控制標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)美國水道試驗(yàn)站和美國墾務(wù)局的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)進(jìn)行壓實(shí)度與相對密度比較。為此，我們按照本工程相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了壓實(shí)度與相對密度比較，比較結(jié)果見表4。

表4 壓實(shí)系數(shù)與相對密度對照表

通過相對密度和壓實(shí)度公式計(jì)算，要達(dá)到美國水道試驗(yàn)站的規(guī)定，則材料最大干密度需達(dá)到最小干密度的2倍以上，風(fēng)積砂材料很難達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，因此，筆者認(rèn)為此規(guī)定適用性有待商榷。

根據(jù)上表比較結(jié)果，采用壓實(shí)度作為填筑控制指標(biāo)較以相對密度作為控制指標(biāo)偏安全，且具有簡單、明了、易操作的優(yōu)點(diǎn)，黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池工程池堤填筑以壓實(shí)度作為控制指標(biāo)。

4 風(fēng)積砂施工關(guān)鍵技術(shù)

風(fēng)積砂作為一種特殊的材料，我國現(xiàn)行工程施工規(guī)范中尚未形成完整的填筑施工工藝、壓實(shí)方法。針對此，為使工程順利推進(jìn)，2018年9月6日—2018年10月4日，設(shè)計(jì)聯(lián)合施工單位進(jìn)行了為期近一個月的現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，對碾壓設(shè)備選型、含水率控制、鋪層厚度與壓實(shí)遍數(shù)等進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

4.1 施工機(jī)械選擇

土的壓實(shí)是通過外力克服顆粒間的粘聚力和摩擦力，擠出顆粒間的空氣和水，從而使土密度提高。由于風(fēng)積砂顆粒間幾無粘聚力，因此風(fēng)積砂壓實(shí)主要是克服摩擦力，根據(jù)相關(guān)研究成果，振動壓實(shí)效果較好，試驗(yàn)選取平碾(20t 振動頻率33HZ)、羊角碾(20t振動頻率33HZ)、挖掘機(jī)，分別進(jìn)行了機(jī)械適用性試驗(yàn)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)平碾在碾壓過程中易出現(xiàn)“陷車”問題，在松鋪料上，平碾幾乎難以行走，適用性較差；羊角碾有較好的適用性，但仍偶爾會出現(xiàn)“陷車”問題；挖掘機(jī)無“陷車”問題，但碾壓效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

由于風(fēng)積砂碾壓后表層有約10cm的松散層，需上層碾壓時予以壓實(shí)，羊角碾對于層間結(jié)合具有較好的作用，根據(jù)碾壓試驗(yàn)成果，以“推土機(jī)整平(初壓)+羊角碾(振動壓實(shí))”組合方案作為最終推薦方案。

4.2 含水率控制

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)，風(fēng)積砂最優(yōu)含水率約為10%～13%，現(xiàn)場試驗(yàn)分別對天然狀態(tài)、含水率6%、10%、14%四種土料進(jìn)行了碾壓試驗(yàn)(鋪土厚度40cm)，碾壓試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 風(fēng)積砂碾壓試驗(yàn)結(jié)果(虛鋪厚度40cm)

根據(jù)碾壓試驗(yàn)結(jié)果，含水率的提高對于提高壓實(shí)度有一定作用，但整體對碾壓效果影響不大，加之沙漠地區(qū)施工用水運(yùn)距一般較遠(yuǎn)，從施工效率及經(jīng)濟(jì)性考慮，推薦天然含水率土料作為填筑料。

試驗(yàn)過程中同時發(fā)現(xiàn)，提高含水率對于解決“陷車”問題有益，隨著含水率的提高，“陷車”現(xiàn)象有所緩解，因此，在“陷車”嚴(yán)重部位，建議填筑過程中，表層灑水提高填料含水率。

4.3 鋪層厚度與碾壓遍數(shù)

試驗(yàn)分別對鋪層厚度30、40、50cm的試驗(yàn)區(qū)，碾壓4、6、8、10遍后的結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。

表6 虛鋪厚度碾壓試驗(yàn)結(jié)果

從碾壓試驗(yàn)結(jié)果看，虛鋪厚度30cm，碾壓6遍、虛鋪厚度40cm，碾壓8遍、虛鋪厚度50cm，碾壓10遍壓實(shí)系數(shù)均能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

為更好地了解風(fēng)積砂壓實(shí)特性，試驗(yàn)就碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系做了分析，結(jié)果如圖3—5所示。

圖3 沉降量與碾壓遍數(shù)曲線(虛鋪厚度30cm)

圖4 沉降量與碾壓遍數(shù)曲線(虛鋪厚度40cm)

圖5 沉降量與碾壓遍數(shù)曲線(虛鋪厚度50cm)

經(jīng)分析，虛鋪厚度30cm，碾壓6遍與虛鋪厚度50cm，碾壓10遍其壓實(shí)系數(shù)雖能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但其沉降尚未收斂，虛鋪厚度30cm，碾壓6遍的沉降不收斂現(xiàn)象更為明顯。

綜合考慮壓實(shí)系數(shù)和沉降量兩方面因素，工程最終選擇虛鋪厚度40cm、碾壓8遍的方案，經(jīng)后期施工驗(yàn)證，效果良好。

5 結(jié)論

(1)風(fēng)積砂為顆粒成分較細(xì)的無黏性土，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)以壓實(shí)度作為其填筑控制標(biāo)準(zhǔn)，且其粒徑較為均勻，振動有利于破壞其空間結(jié)構(gòu)，壓實(shí)機(jī)械應(yīng)選用振動碾，且以羊角碾為最優(yōu)。

(2)含水率對風(fēng)積砂壓實(shí)效果影響較小，“干壓”是經(jīng)濟(jì)合理的施工方法，其碾壓試驗(yàn)除關(guān)注壓實(shí)系數(shù)外，沉降量應(yīng)作為其主要關(guān)注因素。

(3)不同粒徑組成下風(fēng)積砂壓實(shí)機(jī)理及施工關(guān)鍵參數(shù)選取有待下一步研究。