南水北调中线工程宽级配砂砾石料碾压试验

朱太山 张文峰 马慧敏 李庆亮

摘 要：南水北调中线工程某段约4 km的总干渠渠道砂卵石渠基破坏严重，拟采用全部清除扰动渠基并回填开挖弃料掺拌土砂混合料的措施处理，该回填料为粒径小于150 mm的卵石、砂砾石、砂及土的宽级配砂砾料，颗粒级配不良。对于宽级配砂砾料作为堤基填筑料目前没有相应的规范规程可循，也无类似的工程经验可以借鉴。通过开展现场碾压试验，研究了颗粒级配不良的宽级配砂砾料能否作为填筑料，以及细颗粒含量（小于5 mm的颗粒）不同的宽级配砂砾料的压实性能、压实质量控制指标、压实控制标准和达到设计要求相对应的施工参数。指出：颗粒级配不良的宽级配砂砾料当细颗粒含量不少于30%时可作为填筑料使用（不考虑防渗作用）;对于该宽级配砂砾石填筑料，当细颗粒含量为35%时压实性能最好，采用以干密度为主、孔隙率为辅，同时控制碾压参数的现场质量控制方法;不同细颗粒含量填筑料應采用不同的压实控制标准，应用20 t重型振动平碾机械，碾压速度2～3 km/h，铺土厚度50 cm，含水率控制在4.0%～5.5%，碾压4～6遍。

关键词：宽级配砂砾料;碾压试验;碾压控制参数;压实控制指标;南水北调中线工程

中图分类号：TV16文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.06.030

Rolling Test of Wide Gradation Sand Gravel in the Middle Route Project of South-to-North Water Diversion

ZHU Taishan， ZHANG Wenfeng， MA Huimin， LI Qingliang

（Henan Provincial Water Conservancy Research Institute， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： The sand gravel canal foundation ofthe main channel project about 4km in the Middle Route of the South-to-North Water Transfer Project is badly damaged. Measures for removing all the disturbance channel foundation and backfilling excavation and mixing soil sand mixture will be adopted. The backfill is a mixture of pebble， gravel， sand and soil with a particle size less than 150 mm（the following is generally called wide gradation gravel）and the particle gradation is poorly graded. There is no corresponding standard regulation for the wide gradation sand gravel as the embankment foundation filling material and no similar engineering experience can be used for reference. The following studies were carried out through field rolling test： Whether the wide gradation sand gravel materials of poor particle grading could be used as filling materials; The compaction performance， compaction quality control indicators and construction parameters corresponding to the design requirements of the wide gradation sand gravel materials with different content of fine particles （particles smaller than 5 mm）. The research points out that for the wide gradation sand gravel materials， the compaction performance is the best when the fine particle content is 35%; A field quality control method based on dry density and porosity is adopted to control roller compaction parameters， the rolling parameters are 20 t heavy vibration grinding machine， with a rolling speed of 2-3 km/h， a thickness of 50 cm， a moisture content of about 4.0%-5.5% and a rolling pass of 4-6 times.

Key words： wide gradation sand gravel materials; rolling test; roller control parameters; compaction control indicators; Middle Route Project of South-to-North Water Transfer

压实后不应出现骨料堆积、漏压、虚铺层、干松土、弹簧土、剪力破坏和光面等不良现象。

（5）分层取样开展试验。每场碾压层数为4层，每层填筑料碾压8遍，当碾压累计遍数达到3遍时停止碾压，取6种细颗粒含量的试验样按要求的试验内容进行试验。不同碾压遍数的密度试验取样点应保持一定距离和均匀性。检测内容为试样的湿密度、含水率、干密度、密度、孔隙率和压实度;监测内容为每遍碾压过后的填筑层的压缩量[7]。

4 试验结果分析

由现场碾压效果可以看出，当细颗粒含量为20%时，回填碾压面大部分粗颗粒聚集，且粒间细颗粒充填料少，有粒间架空现象;当细颗粒含量为25%时，回填碾压面已没有大部分粗颗粒汇聚现象，但大粒径卵石较多且孔隙率大、不密实，有局部架空现象;当细颗粒含量为30%时，细颗粒充填料已将粗颗粒间孔隙填满，密实性较好，但存在局部颗粒级配不均、粗颗粒集中现象;当细颗粒含量为35%时，细颗粒含量能完全充填粗颗粒间孔隙，密实度较好;当细颗粒含量为40%及以上时，粗细颗粒经过碾压后相互胶结，密实性好。故初步分析回填料的细颗粒含量宜不小于30%，对于宽级配砂砾料的填筑特性、压实控制指标及其标准等的研究应根据碾压试验数据进行进一步分析。

（1）试验数据分析。通过分析细颗粒含量不同时碾压遍数与孔隙率之间的关系，相同碾压功即同一遍数时细颗粒含量与孔隙率的关系，以及细颗粒含量不同时碾压遍数与干密度之间的关系，得出宽级配砂砾料的填筑特性[4]：为了得到较好的填筑质量和较小的孔隙率，细颗粒含量应大于30%，最佳碾压遍数为4～6遍。故选取细颗粒含量不小于30%的填筑料进行碾压控制指标和压实标准的研究。

对细颗粒含量为30%、35%、40%及50%的宽级配砂砾填筑料绘制碾压遍数大于5遍、压实度不小于98%的孔隙率与碾压遍数试验数据的散点图，见图2～图5。

由图2～图5可知，孔隙率上包络线为折线，取上包络线上数据点的加权算术平均值作为压实控制标准，见表1。

对细颗粒含量为30%、35%、40%及50%的宽级配砂砾填筑料绘制碾压遍数大于5遍、压实度不小于98%时碾压遍数与干密度试验数据的散点图，见图6～图9。

由图6～图9可知，当碾压遍数大于5遍、压实度不小于98%时干密度的下包络线为一直线，取下包络线上数据点的加权算术平均值为干密度控制标准，见表1。

由表1可以看出，当细颗粒含量达到35%时，干密度最大、孔隙率最小、碾压密实度最好。当细颗粒含量不同时，压实控制标准也不同。

（2）质量控制指标选取。在实际工程中，孔隙率的测定比干密度要复杂，若能用干密度代替孔隙率作为宽级配砂砾料的填筑控制指标，将为实际工程带来方便。为此，对孔隙率和干密度两个设计指标进行相关性分析。分别对细颗粒含量为30%、35%、40%、50%的填筑料（碾压遍数不小于5遍、压实度不小于98%）进行孔隙率与干密度相关性分析，y为孔隙率，x为干密度：30%细颗粒含量时y=-39.86x+106.4，相关系数为0.62;35%细颗粒含量时y=-36.6x+98.77，相关系数为0.75;40%细颗粒含量时y=-37.97x+101.9，相关系数为0.80;50%细颗粒含量时y=-44.07x+115.6，相关系数为0.56。

可以看出，当细颗粒含量为30%和50%时孔隙率与干密度的线性相关程度一般（0.50<相关系数<0.75），而当细颗粒含量为35%和40%时孔隙率与干密度之间线性相关程度较高（0.75≤相關系数≤1.00）。因此，宽级配砂砾料作为填筑料时因其特殊的物理特性而不宜用干密度或孔隙率单一指标作为其压实控制指标。

同时对不同的填筑料以孔隙率为因变量，以细颗粒含量、碾压遍数、湿密度、含水率、最大干密度和密度为自变量进行逐步回归分析。结果显示：以孔隙率为因变量时，碾压遍数和最大干密度为不显著的自变量，应剔除;湿密度、含水率、密度和细颗粒含量为显著自变量。孔隙率的回归方程为

y=27.960 2-35.809 6x1+0.811 06x2+

25.701 7x3-0.478 4x4

式中：y为孔隙率;x1为湿密度;x2为含水率;x3为密度;x4为细颗粒含量。

拟合方程的相关系数为0.97，检验量F值为6 916.22，标准差RMSE为0.2015，拟合效果良好。

干密度为湿密度和含水率的函数，回归方程为

y=0.080 984+0.964 189x1-0.021 850 3x2

式中：y为干密度;x1为湿密度;x2为含水率。

拟合方程的相关系数为0.989，F值为38 520.4，RMSE为0.002 87，拟合效果良好。

由以上回归方程可以看出，孔隙率能全面反映填筑料的压实效果，与干密度（压实度）有一定的线性相关性，故结合实际工程，提出以压实度为主，孔隙率为辅（孔隙率复核试样为压实度试样的20%），同时作为控制现场碾压质量的参数。

5 结 论

（1）该宽级配砂砾石料碾压试验方案设计合理，为后续工程施工提供了技术支撑。

（2）针对该段工程，采用细颗粒含量不小于30%的填筑料能得到较好的填筑质量（不考虑防渗作用）。

（3）对于该填筑料，当细颗粒含量达到35%时，干密度最大、孔隙率最小、碾压密实度最好。

（4）对于该宽级配砂砾石填筑料，采用以干密度为主、孔隙率为辅（孔隙率复核试样为干密度试样的20%）同时作为控制现场碾压质量的参数是合适的;根据细颗粒含量不同选择不同的设计控制标准;采用散点图中包络线上数据点的加权算术平均值作为填筑标准控制值较为合适。

（5）对于该宽级配砂砾石填筑料，推荐碾压参数为：20 t重型振动平碾机械，碾压速度2～3 km/h，铺土厚度50 cm，含水率为4.0%～5.5%，碾压遍数为4～6遍。

参考文献：

[1] 翟渊军，朱太山.南水北调中线一期工程总干渠黄河北—羑河北辉县段、石门河段及新乡和卫辉段设计单元渠道河滩卵石地基处理设计变更报告[R].郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，2009：10.

[2] 赵廷华，张文峰.南水北调中线一期工程辉县段、石门河段砂卵石扰动渠段基础处理设计变更报告[R].郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，2011：2.

[3] 中国水利电力对外公司南水北调中线工程辉县四标项目部.南水北调中线一期工程总干渠黄河北—羑河北辉县段第四施工标段砂卵石扰动渠段渠道填筑施工方案[R].郑州：河南省水利勘测设计研究有限公司，2010：34.

[4] 屈艳红，张文峰.南水北调中线工程宽级配沙砾石料填筑特性[J].人民黄河，2012，34（8）：128-130.

【责任编辑 张华岩】