紅魚洞筑壩堆石料現場碾壓及相對密度試驗研究

王中良，唐婉秋，黃仁龍，楊玉生，趙劍明，呂 軍

(1.四川省紅魚洞水庫建設管理局，四川 巴中 636600；2.中國水利水電科學研究院，北京 100048；3.中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810000)

堆石料取材方便，壓實性能好，沉陷變形小，填筑密度大，承載力高[1]，被廣泛應用于堆石壩、路堤建設等工程中，尤其是在堆石壩中，堆石料用量占有非常大的比重[2- 3]。當前，我國堆石壩的建設面臨著從 200 m 級到 300 m 級的突破[4- 5]，壩體的變形控制是特高壩設計階段需要首要考慮的因素[6]。

在實際工程中，堆石料最大粒徑常常能達到600～800 mm，甚至800～1600 mm[7]。對于室內試驗，相關規范[8]規定試驗土料的顆粒直徑應小于1/5～1/6的試樣直徑。對室內常用的直徑30cm、高度60 cm的大型三軸試樣，允許試驗土料的最大粒徑為60mm，與現場實際最大粒徑600～1600mm相差甚遠。因此，需要對超徑土料進行縮尺處理，對縮尺級配開展試驗，但是縮尺效應的影響，室內試驗得到土料的變形和強度特性與原型土料的真實性質存在一定的差異[9- 10]。堆石壩通過分層碾壓進行填筑，為了準確獲得堆石料的碾壓參數，需要進行現場試驗，本文針對四川省紅魚洞水利樞紐工程兩種筑壩堆石料—滴水巖料場灰巖和孔明洞料場白云巖開展現場碾壓試驗，研究碾壓遍數、是否灑水對碾壓效果的影響。

目前，在我國土石壩相關設計規范中，對砂礫料，填筑標準的控制指標采用相對密度表示，對堆石料填筑標準則以孔隙率來表示[11- 12，14]。粗粒土的孔隙率對其力學性質有很大的影響，但不同級配的粗粒土，即使孔隙率相同，其力學性質也不盡相同，孔隙率不能表示粗粒土顆粒間的緊密程度。如朱晟等[13]通過側限壓縮試驗發現對于不同級配的堆石料，雖然能夠達到相同的壓實孔隙率，但其力學性質仍然有很大差異，只使用孔隙率指標難以控制大壩的變形性能，建議采用孔隙率和相對密度雙控指標。

通過開展筑壩堆石料現場大型相對密度試驗，研究確定筑壩堆石料的最大、最小干密度，再結合現場碾壓試驗，確定碾壓試驗結果對應的相對密度值。

1 碾壓試驗

1.1 試驗方案

針對滴水巖料場灰巖堆石料和孔明洞料場白云巖堆石料兩種筑壩堆石料進行現場碾壓試驗，對于灰巖堆石料按照一種攤鋪厚度(98cm)、一種碾壓遍數(12遍)、不灑水的工況進行試驗；對于白云巖堆石料按照一種攤鋪厚度(80cm)、三種碾壓遍數(14、16、18遍)、灑水(5%含水率)和不灑水的工況進行試驗。

1.2 主要試驗設備

26t振動碾(具體參數見表1)，全站儀，直徑2m的取樣鋼環，級配篩，300kg臺秤，烘箱，電子天平。

表1 振動碾參數

1.3 試驗過程

(1)使用推土機和挖掘機將試驗場地整平，同時使用全站儀對試驗場地的平整度進行控制。整平完成后，使用26t振動碾按照3km/h的速度對試驗場地進行碾壓，直到碾壓2遍后全場的平均沉降量不超過2mm。

(2)碾壓完成后，開始對試驗場地進行劃線、上料和攤鋪。上料采用進占法的方式進行。在攤鋪過程中，使用全站儀測量和控制試驗土料的攤鋪厚度。

(3)攤鋪厚度滿足要求后，使用振動碾對試驗區域靜碾兩遍，然后用白石灰標記不同試驗區。對于白云巖灑水工況，使用灑水車在靜碾兩遍后的試驗區域進行灑水。振動碾壓采用進退錯距法方式進行，在同一個碾壓條帶進退一個來回計為碾壓2遍，在碾壓下一條帶時，需要與前一條帶進行搭接，搭接寬度控制在20cm左右。振動碾壓行車速率控制在2～3km/h，振幅采用1.9mm，振動頻率采用28Hz，振動力采用430kN。

(4)每碾壓2遍，使用全站儀對布置在試驗場地內的測點進行一次沉降測量。

(5)碾壓完成后，在試驗區域內選擇相對平整的區域作為試坑開挖點。使用直徑2m的取樣鋼環，找平并固定好，然后在環內鋪一層塑料薄膜，將稱過質量的水倒進環內，等水位穩定之后，在鋼環標記好的位置用角尺測記環內水位的高度，完成后移除水和塑料布。

(6)在環內開挖試坑，同時將挖出的土料進行篩分。在開挖達到指定深度后，試坑內放入塑料布，然后將稱過質量的水倒入其中，調整加水量使水位與挖坑前標記處量測的水位高度一致。

(7)將篩分出的各個粒組的土料進行稱量，同時對每個粒組進行取樣拿到試驗室烘干測含水。

1.4 試驗分析

不灑水工況滴水巖料場灰巖和孔明洞料場白云巖兩種堆石料累計沉降量與碾壓遍數之間的關系圖如圖1所示。從圖1中可以看到，對于兩種堆石料，累計沉降量均隨著碾壓遍數的增加而增加，但累計沉降量增加幅度逐漸減小。對于灰巖堆石料，沉降量主要集中在碾壓遍數為2遍和4遍時，沉降量分別為9.33cm和2.69cm；碾壓遍數為6遍和8遍時，沉降量變化較小，分別為1.61cm和1.01cm；當碾壓遍數為10遍和12遍時，沉降量分別為0.49cm和0.33cm，均小于0.5cm，已無明顯變化。對于白云巖堆石料，沉降量主要集中在碾壓遍數為6遍和8遍時，沉降量分別為5.77cm和2.42cm；碾壓遍數達到10遍時，沉降量為0.41cm；當碾壓遍數達到12遍及12遍以上時，沉降量已無明顯變化。

圖1 不灑水工況累計沉降量與碾壓遍數的關系

為了檢測碾壓后顆粒破碎情況，碾壓前在碾壓區域選取試驗點進行土料的顆粒篩分，碾壓結束后在相同位置進行顆粒篩分試驗。對于灰巖堆石料選取三個試驗點，對于白云巖堆石料在不灑水區選取一個試驗點，在灑水區選取一個試驗點。

灰巖堆石料三個試驗點碾壓前、碾壓12遍后級配曲線如圖2—3所示。從圖2—3中可以看到，碾壓前后試驗點的級配曲線均在包線范圍內，碾壓前，三個試驗點小于5mm含量變化范圍為1.95%～20%，平均值為11.6%；碾壓后，三個試驗點小于5mm含量變化范圍為3.5%～20.7%，平均值為12.4%，可見，碾壓過程中有部分土料破碎，導致碾壓后小于5mm含量有所增加。

圖2 灰巖堆石料碾壓前級配曲線

圖3 灰巖堆石料碾壓12遍后級配曲線

圖4 白云巖堆石料碾壓前級配曲線

圖5 白云巖堆石料碾壓18遍后級配曲線

白云巖堆石料兩個試驗點碾壓前、碾壓18遍后級配曲線如圖4—5所示。從圖4—5中可以看到，碾壓前后試驗點的級配曲線均在包線范圍內，碾壓前，不灑水、灑水試驗點小于5mm含量分別為12.6%、4.7%；碾壓后，不灑水、灑水試驗點小于5mm含量分別為13.1%、6.1%，可見，相對于不灑水工況，灑水工況碾壓后土料破碎程度較大。

根據式(1)—(3)，可以計算出試坑中土料干密度，再根據相應其比重，可以算出對應的孔隙率。

(1)

(2)

(3)

式中，M終了—達到初始水位高度時灌入試坑中水的質量，g；M初始—初始找平時灌入水的質量，g；ρw—水的密度，g/cm3；V—試坑體積，cm3；m—取自試坑內土料的質量，g；ρ—試坑濕密度，g/cm3；ρd—試坑干密度；ω—試坑中土料含水率，%。

灰巖堆石料碾壓后的干密度與孔隙率見表2，可以看到對于虛鋪98cm、碾壓12遍，三個試坑的干密度值幾乎一致，對應的孔隙率也相差不大，滿足設計干密度≥2.15g/cm3、孔隙率≤21%的要求。

表2 灰巖堆石料碾壓后干密度與孔隙率

白云巖堆石料碾壓后的干密度與孔隙率見表3，從表3中可以看到，對于不灑水工況，碾壓14遍和碾壓16遍的干密度相同，碾壓18遍的干密度有所增大；對于灑水工況，隨著碾壓遍數的增加，干密度逐漸增大；碾壓遍數相同時，灑水工況相對于不灑水工況，干密度有所增大，但上述工況均滿足設計干密度≥2.13g/cm3，孔隙率≤24%的要求。

表3 白云巖堆石料碾壓后干密度與孔隙率

2 現場大型相對密度試驗

2.1 試驗原理

根據試驗規程[13]，粗粒土相對密度指的是：土料最疏松時孔隙比與現場土的孔隙比的差值和最疏松時的孔隙比與最緊密時的孔隙比的差值的比值，其表達式為：

(4)

式中，Dr—相對密度；emax—土料最疏松時的孔隙比，即最大孔隙比；e—現場土的孔隙比；emin—土料最密實時的孔隙比，即最小孔隙比。

(5)

式中，Dr—相對密度；ρdmax—最大干密度；ρd—現場土的干密度；ρdmin—最小干密度；ρs—土粒的密度。

由以上相對密度的定義可知，要得到粗粒土的相對密度首先要確定粗粒土的最大、最小干密度。

2.2 試驗方案

根據表4—5的級配曲線進行滴水巖料場灰巖堆石料和孔明洞料場白云巖堆石料的相對密度試驗，研究不同P5(粒徑小于5mm的顆粒含量，下同)含量下堆石料最大、最小干密度。

2.3 主要試驗設備

密度桶：帶底無蓋鋼桶，直徑1800mm，高800mm，壁厚14mm。

為了和施工實際情況相匹配，對于滴水巖料場灰巖堆石料，采用26t振動碾。對于孔明洞料場白云巖堆石料，采用33t振動碾。

2.4 試驗過程

最小干密度試驗采用人工松填法，主要過程如下：從料場選定堆石料運送至試驗場地，進行篩分；按照試驗級配稱量出各粒組土的質量，分四份攪拌均勻后輕緩地松填進密度桶內；填至桶頂后，采用平直工具將桶的頂面找平，根據裝填的總土重和密度桶的體積計算最小干密度。

最大干密度試驗采用振動碾壓法，主要過程如下：在上述最小干密度試驗基礎上，將余下的土料裝填并高出桶頂20cm左右；用選定的振動碾按照行駛速度小于3km/h進行碾壓，振動碾壓26遍后，在每個密度桶范圍內微動進退振動碾壓15min；碾壓完成后，將桶頂以上多余的土料去除，桶頂找平，開挖并稱重。

2.5 試驗結果分析

表6和圖6為滴水巖料場灰巖堆石料級配包線試驗結果。由表6和圖6可知，在試驗級配包線范圍內，隨著P5含量的增大，最大、最小干密度均呈現先增大后減小的趨勢，在平均線級配附近干密度最大，其對應最大、最小干密度分別為2.337、1.818 g/cm3。總體上看，在P5含量81%～95%范圍內，最大干密度在2.256～2.337 g/cm3之間變化，最小干密度在1.751～1.818 g/cm3之間變化。表7和圖7為孔明洞料場白云巖堆石料級配包線試驗結果。由表7和圖7可知，總體上看，在上包線到平均線之間，即P5含量85.0%到90.0%之間，不同級配對最大、最小干密度的影響較小。下平均線級配和下包線級配，最大、最小干密度均呈現了較明顯的變化，對于下平均級配，最大、最小干密度分別為2.333、1.791g/cm3，對于下包線級配配，最大、最小干密度分別為2.249、1.726g/cm3。

表4 滴水巖料場灰巖堆石料相對密度試驗級配表

表5 孔明洞料場白云巖堆石料相對密度試驗級配表

表6 滴水巖料場灰巖堆石料級配包線試驗結果

圖6 滴水巖料場灰巖堆石料干密度與P5含量關系

表7 孔明洞料場白云巖堆石料級配包線試驗結果

圖7 孔明洞料場白云巖堆石料干密度與P5含量關系

3 碾壓試驗結果對應的相對密度值

根據碾壓試驗的篩分數據可以得到每個試坑的P5含量，再結合上述相對密度試驗結果，可以計算出每個試坑的相對密度值。

灰巖堆石料碾壓試驗結果對應的相對密度值見表8，從表8中可以看到，由于試坑2的P5含量處于上均線和平均線之間，所以對應的最大、最小干密度較大，從而與試坑1、3相比，雖然干密度幾乎一樣，但相對密度卻相差較大。

白云巖堆石料碾壓試驗結果對應的相對密度值見表9，從表9中可以看到，由于6個試坑的P5含量相差不大，所以對應的最大、最小干密度也沒有太大差別。不灑水區的三個試坑相對密度值為0.75～0.78，平均值為0.77；灑水區的三個試坑相對密度值為0.80～0.83，平均值為0.81，可見灑水工況相對于不灑水工況，相對密度值有所提高。

表8 灰巖堆石料碾壓試驗結果對應的相對密度值

表9 白云巖堆石料碾壓試驗結果對應的相對密度值

4 結論

根據紅魚洞滴水巖料場灰巖和孔明洞料場白云巖兩種堆石料開展現場碾壓試驗和相對密度試驗，得到以下結論：

(1)不灑水工況滴水巖料場灰巖和孔明洞料場白云巖兩種堆石料累計沉降量均隨著碾壓遍數的增加而增加，但累計沉降量增加幅度逐漸減小。

(2)對于滴水巖料場和孔明洞料場，在試驗級配包線范圍內，隨著P5含量的增大，最大、最小干密度均呈現先增大后減小的趨勢，存在一個最優P5含量。

(3)從灰巖堆石料碾壓試驗結果對應的相對密度值中可以看到，由于試坑2的P5含量處于灰巖相對密度試驗上均線和平均線之間，所以對應的最大、最小干密度都比較大，從而和試坑1、3相比，雖然干密度幾乎一樣，但相對密度卻相差較大。從白云巖堆石料碾壓試驗結果對應的相對密度值中可以看到，由于6個試坑的P5含量相差不大，所以對應的最大、最小干密度也沒有太大差別。灑水工況相對于不灑水工況，相對密度值有所提高。