论轻型击实试验指导现代水利工程细粒土碾压的适用性

王先忠，韩桃明，宋五朋

(河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008)

水利工程粘性土碾压使用的碾压器具多为重型碾压设备，其远超规范要求碾压机具重量，多篇论文提出：重型设备碾压与规范轻型击实标准的差异性是压实度超百影响最大的因素，建议对标准最大干密度试验方法进行相关调整。本文分析认为，水利工程粘性土碾压过程中的压实度是包含干密度和含水率双重控制标准，根据合理功原理，重型碾压器具不等于重型击实，随之调配的是碾压遍数和压实层厚度，轻型击实试验仍能指导现代水利工程细粒土的碾压；土的指标离散性是碾压检测中压实度超百的根本原因。

1 工程概况

河南省出山店水库是一座大(1)型防洪控制工程。水库总库容12.51亿m3，水库正常蓄水水位为88.0m，校核水位98.12m，设计洪水位为95.78m，死水位84.0m，汛期限制水位86.0m，坝顶高程100.4m，在高程95m处设置戗台或压重平台。出山店水库大坝型式为混合坝型，包括土坝段和混凝土坝段，总长3.69km，其中土坝段长3.3km，混凝土坝段长0.4km。

土坝段坝型为粘土心墙砂壳坝，粘土心墙顶宽4m，边坡比为1∶0.5，上游反滤层宽3m，下游为宽3m反滤层、宽2m排水带、宽1m过渡带，上游坝坡采用混凝土连锁块护砌、下游坝坡采用砼预制块护砌。粘土心墙碾压压实度控制指标为99%。

2 粘土心墙碾压施工中存在压实度超百现象

出山店水库施工1标采用坝前土料场粉质粘土作为土坝段粘土心墙填筑土料，坝基渗漏问题处理中，坝前500m范围内表层土料作为天然水平铺盖增加渗径的安全储备不予取用，其运距为0.5～1km。勘测期间取土样室内轻型击实试验[1]9组，最大干密度范围为1.65～1.74g/cm3，平均值为1.68g/cm3；最大含水率范围值为15.7%～20.8%，平均值为18.0%。

粘土心墙土方填筑碾压试验前进行了土料击实试验复核，最大干密度1.71g/cm3，最大含水率18.2%，压实度按不小于99%控制。

现场碾压试验的目的[2]主要包括：选定合理的铺土厚度、压实方法和碾压遍数等施工压实参数，并检查压实机具的性能是否满足施工要求。碾压试验选择20t凸块振动碾为主要压实器具，选择3个试验场区，分别对应不同的含水率(16.2%、18.2%、21.2%)、不同的铺土厚度(30cm、35cm、40cm)和碾压遍数(4、6、8)分别进行试验；试验组合为碾压遍数、铺土厚度和不同含水率为组合方式，共27个试验组合，试验完成后每个试验组合均取检测样品10点，共270个点。

不同铺土厚碾压试验区平均干密度统计表见表1—3。根据表1—3综合分析后，粘土心墙土方填筑施工主要采用：铺土厚度为35cm，采用20t的凸块振动碾先静压1遍，再强振振压6遍；振动碾振压时行驶速度不超过4km/h等参数。

表1 碾压试验区平均干密度统计表(铺土30cm厚) 单位：g/cm3

表2 碾压试验区平均干密度统计表(铺土35cm厚) g/cm3

施工过程中共检测压实度4592组，合格率为100%，压实度超百组数320组，超百组数约占总检测组数7%，超百百分点多为100.6%，少量101.2%。

由上引出疑问：粘土心墙细粒土碾压施工[3]过程中出现超百现象原因是什么？20t凸块振动碾的重量远超SDJ213—83《碾压式土石坝施工技术规范》要求的碾压机具重量，这是碾压压实度超百的最大因素吗？现场常规使用的碾压压实机具重量一般都较高，轻型击实试验是否还适用于指导水利工程细粒土现场碾压？

表3 碾压试验区平均干密度统计表(铺土40cm厚)

3 细粒土击实试验

研究土的压实性能基本方法主要采用击实试验进行，试验目的主要为：找出土的含水率、击实功和干密度三者之间的关系和基本规律[4]，并考虑击实土的结构、变形能力及强度等特征，从而选定工程需要的且合适的压实土干密度和相应的含水率，用较小且合理的击实功能获得较好的压实效果，即最好的压实密度。

(1)最优含水率估算

试验表明：细粒土的最优含水率与细粒土的性质有关，其大小随土的性质而有所差异，约在塑限附近[5]，为液限的0.55～0.65倍。在最优含水率时，土中水分适中，因而颗粒表面水膜厚度相对比较适中，土颗粒的粒间阻力相对较弱，在击实过程中更易于击实，使土中的细颗粒紧密接触，从而达到最大的干密度。

当含水率大于最优含水率时，细粒土结合水膜较厚，虽然因土颗粒的粒间阻力减小而土粒易于移动，但因细粒土的渗透性较小而导致细粒土中多余水分不宜排出，在其水分来不及渗出时，将产生一定的孔隙水压力，在击实碾压过程中，需要克服一定的粒间孔隙水压力，会消耗较大的击实功能；也因其含水率较高，多余水分在未及时渗出时含水率变化较小，必然压实干密度较小，甚至导致在击实过程中土体被破坏出现“橡皮土”现象[6]。在细粒土含水率大于最优含水率时，该击实土常具有分散结构特征，这种细粒土的可塑性大，虽适应变形能力强，但其具有强度低、干密度小等缺点。

当含水率小于最优含水率时，细粒土结合水膜较薄，细粒土粒间阻力较大，土粒不易移动，因需克服的粒间阻力较大而所需的击实功较大，但在较大的击实功能下能得到较大的干密度。当含水率小于最优含水率时，该击实土常具有凝聚结构的特征，这种细粒土的可塑性小、较脆硬、适应变形能力弱，虽强度较高，但在浸水时容易产生附加沉降从而发生坝体裂缝等危害。

综上所述，工况下压实细粒土存在浸水过程的水利工程，其土的击实试验应以细粒土的液塑限值估算最优含水率，以此作为细粒土的击实试验含水率控制基值[7]。SL237—1999《土工试验规程》规定的操作步骤中亦明确指出，在击实试验时，应先根据土的塑限来估算其最优含水率，并按估算的最优含水率相差2%含水率制备试样，试样个数大于等于5个为一组。

(2)合理功的选择

当细粒土的含水率一定时，以较小的击实功进行击实，随着击实功的逐渐增大，土的干密度呈陡增大趋势；之后，随着击实功增大，土的干密度却呈缓增大趋势；当达到一个转折点后，即使击实功的增大较大，而土的干密度亦呈近于水平线的微增长状态，该转折点对应的击实功我们称之为临界功(如图1所示)，用此功击实细粒土能达到较好的效果。若用大于临界功的击实功击实，虽击实功的增大较大，但其最大干密度却增加微小，难以达到较好的击实效果。此临界功亦称为合理功。

图1 含水率一定时细粒土的干密度与击实功的关系曲线

关于细粒土合理功的选择，各国及各行业标准规定采用某一击实功作为其单位体积击实功能。其中GB/T50123—1999《土工试验方法标准》规定的击实功为591.6kJ/m3，SL237—1999规定的击实功为592.2kJ/m3，适用于粒径小于5mm的粘性土。

综上所述，SL237—1999中轻型击实试验所求得的细粒土最大干密度是适宜的，适用于指导工况下压实细粒土存在浸水过程的水利工程现场碾压试验。

4 现场碾压试验

振动凸块碾是粘性土碾压实的适用器具，根据振动凸块碾单位压实功计算公式[8](式1)，选定压实器具及其技术参数后，细粒土合理功一定下，确定合理的施工压实参数是碾压试验的目的，以期用较小且合理的击实功能获得最好的压实效果。

Es=(2δs+δk)fAN/(vh)

(1)

式中，Es—单位压实功能，tm/m3；δs—静态线压力，t/m；δk—动态线压力，t/m；f—振动频率，HZ；A—振幅，m;N—累计碾压遍数(4、6、8、10……)；v—行驶速度，m/s；h—压实层厚度，m。

即：细粒土现场碾压试验在室内轻型击实指导下，通过选择适应市场且适宜的压实机具以及合理的铺土厚度和碾压遍数等施工压实参数，对细粒土合理功的合理分化。以压实器具技术参数和施工压实参数形式合理分化后的细粒土合理功进行施工碾压，获得最好的压实密度。

建议碾压器具选择时，考虑以下原则。

碾压器具：首先，重型碾压器具不等于重型击实，当碾压器具重量加重时，随之调配的是碾压遍数和压实层厚度。碾压器具选择时，第一，不宜过重，防止碾压中造成碾压器具沉陷以及土体被破坏出现“橡皮土”现象；第二，为防止欠压、漏压，碾压遍数不会过度减小，碾压器具过重时，多余的压实功增加的最大干密度却不多，不经济适用。

振频：根据土的共振物理原理，当碾压器具碾压时，其激振频率接近或等于被碾压土料的固有频率时，获得的压实效果最好[9]。98%～100%压实细粒土固有频率在29～32HZ，96%～98%压实细粒土的固有频率在27～29HZ[10]。

振幅：对于厚度较薄的粘性土层，碾压过程中若振幅过大，其过高的压实功能并不会被碾压材料吸收，反而会因振幅过大导致已压实的薄层粘性土层重新变得松散，因此，对于厚度较薄的粘性土层，碾压过程中应选用较小的振幅。

行驶速度：根据经验，粘性土碾压速度一般不超过4km/h，约为0.09f为最佳作业速度。

近几年碾压土石坝粘性土碾压常用的碾压器具为20t振动凸块碾，虽远大于SDJ213—83碾压器具的重量要求，但施工过程中并未造成器具沉陷及土体破坏，碾压遍数一般为6遍左右，铺土厚度为35cm左右，提高了施工碾压生产效率。

5 粘土心墙压实度超百原因分析

土是岩石圈表层漫长地质年代中经受复杂物理化学作用所形成的松软物质，具有性质复杂、空间分布不均匀、自然变异性等特性，同时具有成层特征，存在条件的不确知性和参数的不确定性，只能通过勘察查明，但又不可能完全查明。自然界的岩土，同一层内岩土的物质组成和结构、构造基本一致，但其性质也是存在有一定差别的，既存在规律性的各向相变，也存在无规律性的指标离散。由于土的指标离散特性，场区土的工程特性不能以单个土性指标来代表，必须对土样的物理力学指标的试验数据进行统计分析后，根据工程特点和地质条件确定其代表性[11]，所以规范明确规定了每一主要土层土样试验或原位测试均不能少于一定组(件)数。

综上所述，勘测期间取土样9组，室内轻型击实试验测得最大干密度为范围值，即：1.65～1.74g/cm3，粘土心墙土方填筑碾压试验所采用的最大干密度为1.71g/cm3，压实度按不小于99%控制进行碾压，如此，从纯数值理论上看，若粘土心墙土方填筑碾压合格，则必然存在大于1.71而小于1.74数值的99%比值，即1.72g/cm3、1.73g/cm3，若碾压压实度为100%时，则存在1.74g/cm3。由此可知，若粘土心墙土方填筑碾压合格，从土的指标离散性来讲，土的压实度超百现象存在是合理的。

总之，由于土的指标离散性，工程中所采用的土的最大干密度为代表值，其一般在检测数值范围之内，以该代表值99%为控制指标，必然存在大于代表值控制指标的检测数值，故土的压实度超百现象[12- 13]的存在是合理的。

6 结语

压实细粒土存在浸水过程时，其土的击实试验应以细粒土的液塑限值估算最优含水率，作为细粒土的击实试验含水率控制基值。

若用大于合理功的击实功击实时，难以达到较好的击实效果。

细粒土现场碾压试验是把合理功以压实器具的技术参数和施工压实参数的形式进行合理分化，进行施工碾压，可获得最好的压实密度。

重型碾压器具可适当调配碾压遍数和压实层厚度，以提高生产效率。重型碾压器具的选择原则以不造成器具沉陷及土体破坏为原则。

土的压实度超百现象的存在是合理的，土的指标离散性是碾压压实度超百的根本原因。