土石坝填筑砂砾料碾压试验分析

杨春伟

(河北省水利水电勘测设计研究院,天津　300250)

0　引言

洋河水库位于河北省秦皇岛市抚宁县北10 km,是一座大型水库。1976年唐山地震使大坝(土石坝)多处出现裂缝,一直处于带病运行之中。整治采用在洋河水库现大坝背水面贴坡的方案进行加固。大坝填筑料为大坝下游料场的砂砾料以及非常溢洪道开挖的全风化花岗岩弃渣。砂砾料用在大坝浸润线以下,以便排水通畅;全风化花岗岩碾压后由于透水性较差,用在大坝浸润线以上。

为了确定砂砾料在筑坝过程中的施工质量控制指标,根据设计提出的坝体填筑技术要求(砂砾料压实标准采用相对密度Dr≥0.7),对砂砾料进行了碾压试验,以便确定现场施工设备条件下达到设计要求时的实际铺料厚度、碾压遍数及加水量等技术参数[1-2]。

1　碾压试验场地选择和地基处理

碾压试验的场地面积为10 m×20 m。试验场地为砂砾石地基,铺料前进行了场地平整、加水、碾压处理(平碾一次,震动碾压8次),经水准仪测量,场地地面高差控制在1～3 cm范围内。并在场地内埋设了6个水准标点以检测压实对地基变形的影响。

2　碾压试验参数选定

本次碾压试验采用洛阳建筑机械厂生产的YZ14B型震动压路机,碾重14 t,规格为激振力260 kN,标准功率37.58 kW,振动频率30 Hz,碾压速度采用Ⅰ档2.0 km/h。

采用40 cm和50 cm两种铺料厚度。铺料时采用推土机平整底层砂砾料,40 cm和50 cm铺料厚度为经推土机平整砂砾料后的实际厚度,铺好后经水准仪测量,并记录碾压前的砂砾料高程。以后每碾压一定遍数后,均测量记录取样点的高程。采用4、8、10及12遍共4种碾压遍数。

从料场取来的砂砾料为潮湿状态,碾压前进行加水,加水量约为砂砾料体积的17%,并在碾压过程中边加水边碾压,总加水量为试样体积的30%左右。

3　碾压、取样试验质量控制

为保证取样的代表性,取样位置距碾压试验场地周边距离>2 m。碾压试验场地长度方向取样间距为2 m,宽度方向取样间距为1.5 m,这样可以避免取样点相互间的影响。在每次碾压试验完毕后,通过灌水法测试砂砾料的湿密度及干密度,计算精度为0.01 g/cm3,同时计算相应含水量。将炒干的砂砾料过60 mm筛,计算出粒径>60 mm颗粒的含量。试坑直径为砂砾料最大粒径的3～5倍,取样数量一般在50 kg以上。

4　碾压试验结果

4.1　铺土厚度40 cm

碾压4、8遍时取样10个,碾压10、12遍时取样8个,试验成果见表1、图1,碾压遍数与试验干密度的关系曲线见图2。从表1及图1、图2中可以看出:碾压4、8遍时,其中9个干密度大于设计要求的干密度(即合格率为90%),另1个小于设计干密度的样品能满足设计要求干密度的98%。碾压10～12遍合格率为100%。

4.2　铺土厚度50 cm

碾压4、8遍时取样11个,碾压10、12遍时取样7个,碾压试验成果见表1、图3,碾压遍数与试验干密度的关系曲线见图4。从表1及图3、图4中可以看出:碾压4遍时,其中合格试样为6个(合格率为85.7%),另1个不合格试样的干密度为设计干密度的98%。碾压8遍和8遍以上时合格率为100%。

图1　铺料厚度40 cm试验干密度与设计干密度对比图

图2　碾压遍数与干密度曲线图(铺料厚度40 cm)

图3　铺料厚度50 cm试验干密度与设计干密度对比图

图4　碾压遍数与干密度曲线图(铺料厚度50 cm)

表1碾压试验成果表

Table 1Result table of compaction test

注：左侧设计ρd=2.03 g/cm3(P=0时),铺土厚度40 cm；右侧设计ρd=1.895 g/cm3(P=0),铺土厚度50 cm。

5　试验成果分析及讨论

5.1　料场砂砾料的不均一性

无粘性土的颗粒组成是反映其基本特性的主要依据,如压实和渗流特性等。依据各粒径组的含量绘制的分布曲线和累积曲线图可辨别其均匀性,根据两次所取试样分析,应属于级配不良的砂砾料。砂砾料缺乏中间粒径,1.0～10.0 mm粒径之间的颗粒含量只占全重的12%～25%;2.0～20 mm粒径之间的颗粒含量只占全重的9%。这种砂砾料是经过多次冲(洪)积而形成的粗细两种料的混合体。这种土的级配离散性很大,在同一坑内其深度分布亦是明显不同的,不同探坑受当时沉积环境及条件影响其水平方向往往亦是差异很大,因而其压实特性也不相同。这种不连续级配的土在中国多数上游河道中分布广泛,而且在河北省分布亦极为广泛,如密云、岳城、黄壁庄等地。

此次砂砾料场5个试样的最大、最小干密度离散性很大,最小干密度为1.53～1.83 g/cm3,最大干密度为1.81～2.13 g/cm3,这样就给如何确定设计Dr≥0.7时的干密度亦即压实控制指标提出了一个问题,也必然给施工造成一定的困难。

5.2　相对密度 Dr≥0.7时最大干密度(ρdmax)与最小干密度(ρdmin)的确定

设计要求的相对密度(Dr)确定以后,如何合理地确定对应的砂砾料设计最小干密度是一个至关重要的问题。因为设计最小干密度的数值直接影响大坝质量和施工的难易,如果数值确定不合适甚至还有可能达不到要求。

结合料场的条件分析,从现场勘察及室内试验成果看,可以将料场划分为两个区域:即以探坑TTK31、TTK34、TTK37为代表的较粗类砂砾料区(Ⅰ区)和以探坑TTK22、TTK25为代表的较细类砂砾料区(Ⅱ区)。

以上两个区域粒径<60 mm时的最大、最小干密度平均值分别为Ⅰ区:2.020 g/cm3、1.760 g/cm3,相应的Dr=0.7时的设计干密度为1.934 g/cm3。Ⅱ区:1.840 g/cm3、1.565 g/cm3;相应的Dr=0.7时的设计干密度为1.748 g/cm3。

6　结论

(1)采用YZ14B型(14 t)震动压路机,铺料厚度为40 cm,碾压10遍可达到设计要求;铺料厚度为50 cm,碾压8遍,可以达到设计要求(Dr≥0.7)。

(2)因从料场开采来的砂砾料为潮湿状态,建议碾压前加水一次,然后边加水边碾压,总加水量为所碾压砂砾料体积的20%～35%。含水量控制在8%上下,碾压效果较好。

参考文献:

[1]SL237—1999,土工试验规程[S].

[2]SDJ213—83,碾压式土石坝施工技术规范[S].