何強(qiáng)強(qiáng),王亞明
(華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021)
淺談蘇丹碾壓式土石壩質(zhì)量控制方法
何強(qiáng)強(qiáng),王亞明
(華北有色工程勘察院有限公司,河北 石家莊 050021)
[摘要]土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制是土石壩施工中的重點(diǎn)問題。從土的壓實(shí)機(jī)理出發(fā),選取正確的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),通過擊實(shí)、碾壓試驗(yàn),確定壓實(shí)度和最大干密度及碾壓參數(shù),經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測(cè),依據(jù)施工質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),控制壓實(shí)質(zhì)量。以蘇丹El Marwa碾壓土石壩填筑施工為例,對(duì)土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制中的步驟和存在的問題進(jìn)行分析。正確地應(yīng)用壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),合理操作試驗(yàn)規(guī)程,分析試驗(yàn)結(jié)果,確保工程質(zhì)量。
[關(guān)鍵詞]碾壓式土石壩;壓實(shí)質(zhì)量
土石壩工程,施工簡(jiǎn)便、就地取材、料源豐富、地質(zhì)條件要求低、造價(jià)便宜、因其諸多優(yōu)勢(shì),成建數(shù)量極多,是水利水電工程中極為重要的、應(yīng)用最廣的一種壩型。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,今天的土石壩工程,涵蓋了土料防滲、混凝土面板防滲、瀝青混凝土防滲、土工膜防滲等土石壩工程。但是,無(wú)論哪種種類型的土石壩,控制施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序均是對(duì)壩體土石料的分層填筑壓實(shí)效果的控制。本文以蘇丹共和國(guó)El Marwa碾壓式均質(zhì)土石壩填筑施工為例,對(duì)土石壩壓實(shí)質(zhì)量控制中需要注意的問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述分析。
1工程概況
蘇丹共和國(guó)位于非洲紅海沿岸、撒哈拉沙漠東端。政府計(jì)劃在全國(guó)范圍內(nèi)建設(shè)一系列土石壩蓄水工程,El Marwa土石壩就是其中之一。El Marwa土石壩位于蘇丹Nile州及Northern州交界地帶,該壩址區(qū)位于2008年當(dāng)?shù)卣藿ǖ耐潦瘔闻f址,舊土石壩由于當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量控制不到位,導(dǎo)致壩體左側(cè)在當(dāng)年雨季中被沖毀。為了解決當(dāng)?shù)仫嬎畣栴},政府決定重建此壩。
El Marwa水庫(kù)設(shè)計(jì)總庫(kù)容為3 142萬(wàn) m3,按《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252-2000)規(guī)定屬中型水利工程,工程等別為Ⅲ等,主要建筑物為3級(jí),次要建筑物為4級(jí)。擬建大壩壩高12 m,壩長(zhǎng)203 m,為碾壓式均質(zhì)土壩,壩身設(shè)置放空洞。溢洪道采用天然埡口,與壩體分開布置。主壩體橫斷面圖見圖1。
圖1 主壩體橫斷面圖
2土的壓實(shí)機(jī)理及壓實(shí)質(zhì)量的影響因素
土的壓實(shí)是指土體在壓實(shí)能量作用下產(chǎn)生壓縮變形、土體孔隙減少,密度增加。土的壓縮變形主要是由于孔隙中的水和氣體被排出,土粒相互移動(dòng)靠攏,封閉氣泡的體積被擠壓變小,致使土的孔隙體積減小而引起的,土粒與水本身的微小變形可忽略不計(jì)。將土的壓實(shí)機(jī)理應(yīng)用到碾壓式土石壩的設(shè)計(jì)和施工中,可知道影響土料壓實(shí)效果的因素主要有:含水率、擊實(shí)功能、土的種類和級(jí)配以及粗粒含量等。土料壓實(shí)效果的控制應(yīng)從這些因素的了解和控制入手。
2.1含水率的影響
土石料的壓實(shí)程度隨含水率而變化。同一種土料在不同的含水率下用同一擊數(shù)將它們分層擊實(shí),可以得到一條含水率與干密度的關(guān)系曲線。曲線上干密度的最大值稱為該擊數(shù)下的最大干密度,與它對(duì)應(yīng)的含水率稱為最優(yōu)含水率。
2.2擊實(shí)功能的影響
實(shí)驗(yàn)室內(nèi)擊實(shí)功能用擊數(shù)反映。同一種土料在不同含水率下分別用不同擊數(shù)進(jìn)行擊數(shù)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),可以得到一組隨擊數(shù)而異的含水率與干密度關(guān)系曲線。 最大干密度隨擊數(shù)的增加而逐漸增大,反之,最優(yōu)含水率逐漸減小。然而,增大或減少的速率是遞減的,因此,僅靠增加擊實(shí)功能來(lái)提高土的最大干密度是有限度的。
2.3土類和級(jí)配的影響
在相同擊實(shí)功能下,黏性土的黏粒含量愈高或塑性指數(shù)愈大,壓實(shí)越困難,最大干密度越小,最有含水率越大。在同一土類中,土的級(jí)配對(duì)它的壓實(shí)性影響很大。級(jí)配均勻的壓實(shí)干密度比不均勻的低,因?yàn)樵诩?jí)配均勻的土內(nèi)較粗土粒形成的孔隙很少有細(xì)土粒充填,而級(jí)配不均勻的土則相反,有足夠的細(xì)土粒去充填,因而能獲得較高的干密度。
2.4粗粒含量的影響
在輕型擊實(shí)試驗(yàn)中,允許試樣的最大粒徑不大于5 mm。當(dāng)土內(nèi)含有大于5 mm的土粒時(shí),常剔除后進(jìn)行試驗(yàn)。這樣,由試驗(yàn)測(cè)得的最大干密度和最有含水率與實(shí)際土料在相同擊實(shí)功能下的值不同。因此,輕型擊實(shí)試驗(yàn)中,當(dāng)粒徑大于5 mm的顆粒的顆粒含量小于30%時(shí),應(yīng)按式(1)計(jì)算校正后的最大干密度:
(1)
校正后最有含水率:
(2)
El Marwa土石壩的土料場(chǎng)為黏性土,依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)采用標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn),依據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果,土料場(chǎng)土料平均最大干密度ρdmax為1.91 g/cm3,平均最優(yōu)含水量ωop為11.97%,平均有機(jī)質(zhì)含量1.69%,直剪快剪平均黏聚力25.6 kPa,平均摩擦角28.3°。施工過程中應(yīng)對(duì)料場(chǎng)進(jìn)行適時(shí)檢測(cè),測(cè)定其干密度、含水量是否發(fā)生變化,發(fā)生變化時(shí)應(yīng)及時(shí)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)。
3土的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及有關(guān)指標(biāo)
當(dāng)填筑的土石料較為均勻時(shí),性質(zhì)比較穩(wěn)定,在同一壓實(shí)條件下干密度接近常數(shù)值,這時(shí)可用某一干密度作為設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際的天然土石料,即使是同一料場(chǎng),往往土顆粒組成、礦化成分、成因不同,其性質(zhì)是不均勻的,在同一壓實(shí)條件下,干密度指標(biāo)不同。若繼續(xù)用某一干密度作為設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),必然出現(xiàn)對(duì)易于壓實(shí)的土石料壓實(shí)后的干密度容易達(dá)到,而壓實(shí)結(jié)果是偏松的,對(duì)不易壓實(shí)的土石料,壓實(shí)干密度不易達(dá)到,而壓實(shí)結(jié)果是偏緊密的。這樣形成不均勻土石料在同一壓實(shí)條件下,緊密程度不同,容易發(fā)生不均勻變形,危及壩體安全。
鑒于上述情況,根據(jù)我國(guó)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)的相關(guān)規(guī)定,含礫和不含礫的黏性土的填筑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以壓實(shí)度和最優(yōu)含水率作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo),砂礫石和砂的填筑標(biāo)準(zhǔn)以相對(duì)密度作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo),堆石的填筑標(biāo)準(zhǔn)以孔隙率作為設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。其中,黏性土壓實(shí)度:
D=ρd/ρdmax
(3)
式中:D為壓實(shí)度,ρd為干密度;ρdmax為最大干密度。
壓實(shí)度D是干密度與最大干密度的比值,無(wú)量綱,反映土料壓實(shí)后相對(duì)緊密程度。其值大小是依據(jù)土石壩的規(guī)模、重要性、工程等級(jí)由規(guī)范確定,對(duì)具體工程而言,是一個(gè)固定值,代表該土石壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。ρd是土料壓實(shí)后測(cè)出的干密度,反映了壓實(shí)效果的指標(biāo)值。ρdmax是標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)條件下的最大干密度指標(biāo),反映土料的壓實(shí)特性指標(biāo)值。即ρd和ρdmax為同一種土料在2種壓實(shí)條件下的2個(gè)密度指標(biāo)值。
按照式(3)關(guān)系,只要現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得壓實(shí)后的干密度滿足式(4)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),則壓實(shí)合格,否則需要進(jìn)行補(bǔ)壓處理,直到滿足為止。
ρd≥ρdmax
(4)
El Marwa土石壩工程等別為III等,主要建筑物級(jí)別為3級(jí),其黏性土壓實(shí)度D依據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)可取值96%,前述土料場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)輕型擊實(shí)試驗(yàn)平均最大干密度ρdmax=1.91 g/cm3,平均最優(yōu)含水量ωop為11.97%,則主壩填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)為ρd≥Dρdmax=96%×1.91=1.83 g/cm3。壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用壓實(shí)度作為控制指標(biāo),可保證該土料性質(zhì)變化,適時(shí)調(diào)整最大干密度值,則壓實(shí)后測(cè)得的干密度值雖然不同,但達(dá)到同一壓實(shí)度反映出壓實(shí)后緊密程度是相同的。
4土料現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)及碾壓試驗(yàn)
土石壩施工過程中對(duì)壩體土石料的分層填筑壓實(shí),壓實(shí)效果用測(cè)得的干密度ρd反映。土料壓實(shí)后干密度的檢測(cè)方法主要有灌砂法、灌水法、環(huán)刀法、核子射線法等,前2種方法主要適用于礫類土,后2種方法主要使用與細(xì)粒土。
在土石壩正式填筑施工之前,必須進(jìn)行符合規(guī)范的碾壓試驗(yàn),已核實(shí)填壩材料設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的和理性,充分了解填筑條件(如土料、堆填方法、壓實(shí)機(jī)械等)和填筑效果(如土的密實(shí)度)的關(guān)系,確定達(dá)到設(shè)計(jì)填筑標(biāo)準(zhǔn)的壓實(shí)方法,包括選擇壓實(shí)機(jī)械類型和型號(hào),確定相應(yīng)的碾壓參數(shù)(如壓實(shí)遍數(shù)、速度及鋪土層厚),優(yōu)化施工工藝。
El Marwa土石壩碾壓試驗(yàn)在主壩A0+135~A0+235段開挖完畢、結(jié)合生產(chǎn)、經(jīng)過監(jiān)理驗(yàn)收的壩基填土區(qū)域上進(jìn)行,分場(chǎng)地選擇在占地面積3 480 m2。為確保實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地基礎(chǔ)平整、堅(jiān)實(shí),在規(guī)劃的場(chǎng)地范圍內(nèi)對(duì)原基礎(chǔ)振壓6~8遍后,在其上鋪土(合格的填筑土料)20~30 cm找平,采用振動(dòng)碾靜壓2遍,振壓8遍,將這層作為基層,然后在其上進(jìn)行碾壓實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地分為I、II、III三個(gè)區(qū)域進(jìn)行試驗(yàn),依次分別鋪虛土厚度35 cm、40 cm、45 cm,并將每一個(gè)實(shí)驗(yàn)區(qū)域,劃分為(1.5×1.5)m方格網(wǎng),確定取樣點(diǎn),測(cè)定取樣點(diǎn)高程。碾壓機(jī)械采用輪胎式壓路機(jī)(靜壓力11.5 t,振動(dòng)壓力18 t),采用前進(jìn)-后退法先靜壓2遍,再以小于4 km/h的速度依次在三個(gè)試驗(yàn)區(qū)域振動(dòng)碾壓6遍后取三組土樣,取樣深度均為挖除表層土約10 cm后再采用環(huán)刀法進(jìn)行干密度檢測(cè)。檢測(cè)完成后繼續(xù)在三個(gè)試驗(yàn)區(qū)域振動(dòng)碾壓,每碾壓一遍取三組土樣,直到振動(dòng)碾壓達(dá)到8遍。檢測(cè)數(shù)據(jù)見表1,鋪土厚度不同時(shí)碾壓遍數(shù)與沉降量、壓實(shí)度及干密度的關(guān)系分別見圖2、圖3、圖4。
圖2 碾壓遍數(shù)-沉降量關(guān)系曲線
圖3 碾壓遍數(shù)-壓實(shí)度關(guān)系曲線
圖4 碾壓遍數(shù)-干密度關(guān)系曲線
從圖1中可以看出,鋪土厚度40 cm、45 cm,沉降量隨碾壓遍數(shù)的增加而增加,鋪土厚度35 cm,碾壓遍數(shù)小于7遍時(shí),隨著碾壓遍數(shù)的增加而增加,碾壓遍數(shù)大于7遍時(shí),沉降量基本不變;從圖2中可以看出,隨著碾壓遍數(shù)的增加,壓實(shí)度增大,當(dāng)碾壓遍數(shù)大于7遍時(shí),壓實(shí)度增幅明顯減??;從圖3中可以看出,隨著碾壓遍數(shù)的增加,干密度逐漸增大,當(dāng)碾壓遍數(shù)大于7遍時(shí),干密度的增幅明顯減小。綜合分析,建議碾壓時(shí)鋪土厚度為45 cm,碾壓遍數(shù)靜壓2遍,振動(dòng)碾壓7遍(一去一回為一遍),碾壓機(jī)械為輪胎式振動(dòng)碾壓機(jī)(靜壓力11.5 t,振動(dòng)壓力18 t)。
表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表
5應(yīng)用中的矛盾及解決途徑
如上所述,應(yīng)用的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)中,壓實(shí)度對(duì)某一具體工程而言,為一具體常數(shù),但它涉及的同一土石料的密實(shí)度指標(biāo)值ρd和ρdmax,是隨土石料性質(zhì)的不同而不同,都需要通過實(shí)際試驗(yàn)測(cè)定。如黏性土,用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法測(cè)得壓實(shí)后的密實(shí)度,以反映壓實(shí)效果的密度指標(biāo),同時(shí)需要對(duì)該土用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得其最大干密度值,以反映壓實(shí)特性的密度指標(biāo),有了這2種試驗(yàn)資料,才能按式(5)做出質(zhì)量評(píng)價(jià)。
ρd/ρdmax≥D
(5)
為正確地做出質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果,在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得壓實(shí)干密度后,還需要對(duì)該土料采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得其最大干密度值,這就出現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)工作量增大,時(shí)間、質(zhì)量的矛盾突顯,尤其是機(jī)械施工水平愈高,這一矛盾越突出。ρd和ρdmax必須是同一土料,否則會(huì)影響質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。
為了解決上述時(shí)間、質(zhì)量矛盾,許多學(xué)者進(jìn)行了研究,提出了一些有益的方法。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)證實(shí),其中西樂夫(Hlif)兩點(diǎn)擊實(shí)法較好,擊實(shí)試驗(yàn)仍然是標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實(shí)法,該方法測(cè)含水率快速,原理合理,一般約2 h即可以出成果,時(shí)間上可以滿足要求,目前在國(guó)外較為流行,故很適合在此土石壩中使用。
已知最大濕密度:
ρωmax=ρdmax(1+ωop)
(6)
現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得濕密度:
ρω=ρd(1+ωf)
(7)
若式(6)除以(1+ωop)/(1+ωf),得出換算最大濕密度:
(8)
將式(7)和式(8)相比:
(9)
可以看出式(9)和式(5)相同,即可獲得質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果:
(10)
(11)
式中:ρd為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后干密度;ρω為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)后濕密度;ρdmax為最大干密度;ρωmax為最大濕密度;ωf為現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)土含水量;ωop為最優(yōu)含水量;D為壓實(shí)度;ωop-ωf為最優(yōu)含水量與現(xiàn)場(chǎng)含水量之差。
采用該種辦法,不但解決了ρd、ρdmax是同一土料的密度指標(biāo),又能較快地做出是否滿足壓實(shí)度、含水量與最優(yōu)含水量差值的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。
6結(jié)語(yǔ)
(1) 壓實(shí)度D是碾壓式土石壩的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),既體現(xiàn)了土石壩工程的規(guī)模、重要性、等級(jí),又保證了壩體壓實(shí)緊密度的一致性、均勻性。
(2) 以壓實(shí)度D作為施工質(zhì)量控制的基礎(chǔ),產(chǎn)生施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn):ρd/ρdmax≥D。
(3) 施工質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)中的ρd和ρdmax必須是同一土石料不同壓實(shí)條件下的密度指標(biāo)值,否則會(huì)影響質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。
(4) 采用西樂夫(Hlif)二點(diǎn)擊實(shí)法可以較好地解決時(shí)間、質(zhì)量的矛盾問題。
參考文獻(xiàn)
[1]王伯樂.中國(guó)當(dāng)代土石壩工程[M].中國(guó)水利水電出版社.2004.9.
[2]華北有色工程勘察院有限公司.蘇丹El Marwa土石壩碾壓試驗(yàn)報(bào)告[R].2013.
[3]SL274-2001.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].
[4]SL237-1999.土工試驗(yàn)規(guī)程[S].
[5]DL/T5129-2001.碾壓式土石壩施工規(guī)范[S].
[6]高大釗.土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1998.
[7]徐順嶺.現(xiàn)場(chǎng)干密度推算最大干密度方法的研究[D].湖南大學(xué).2002.
[收稿日期]2016-02-01
[作者簡(jiǎn)介]何強(qiáng)強(qiáng)(1988-),男,甘肅鎮(zhèn)原人,助理工程師,主要從事巖土工程勘察工作。
[中圖分類號(hào)]TV641.2+1
[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B
[文章編號(hào)]1004-1184(2016)03-0177-03