駱勇軍，楊 蓓

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江同方房產(chǎn)開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310020）

關(guān)于粗粒土壓實施工中的加水問題

駱勇軍1，楊 蓓2

（1.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江同方房產(chǎn)開發(fā)有限公司，浙江 杭州 310020）

根據(jù)室內(nèi)試驗資料，以及若干工程施工實例，分析土石壩工程中粗粒土加水壓實的條件和加水量的控制，以期在提高壓實度的同時，盡量節(jié)約外加水量，降低施工成本。

粗粒土；加水；壓實度；土石壩

1 問題的提出

由于粗粒土在自然界分布廣泛，儲量十分豐富，且各種工程性能良好，價廉、施工速度快、力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點，是土石壩工程的主體材料。自20世紀(jì)50年代以后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，及各種大型土石方施工機(jī)械的問世，推動了土石壩工程的大發(fā)展，使100 m以上高壩建設(shè)成為可能，并在港工、高速公路、機(jī)場等大型工程中得到廣泛應(yīng)用。

粗粒土加水壓實是土石壩工程中長期沿用的施工方法，根據(jù)土石壩施工經(jīng)驗砂礫料加水量為30% ～ 40%，堆石壩加水量為30% ～ 50%（以鋪料分層體積計）。但是，國內(nèi)外施工實際及試驗資料分析表明，加水壓密并非土石壩施工作業(yè)的必要條件，因為粗粒土的巖性和級配、風(fēng)化程度等因素，情況比較復(fù)雜，應(yīng)有針對性地控制應(yīng)用。

2 砂礫石料加水對壓實密度的影響

為了研究外加水在砂礫石料壓實中的作用，特選用浙江省陳蔡水庫3組級配料的試驗成果為例［1］。試驗條件為：試料粗粒含量分別是p5= 79.0%、p5= 68.6%、p5= 50.0%；最大粒徑dmax= 10 cm，D/dmax= 5，容積桶尺寸50 cm×55 cm（直徑D×高H）徑之比。試驗時將容積桶置于混凝土振動臺上，分3層進(jìn)行振動密實，模擬現(xiàn)場振動碾壓施工的作用。外加水量按試料干重的2%，4%，6%，8%，10%及12%分次計量加入桶內(nèi)，最后得到圖1（a）中各種含水率條件下的最大干密度值ρdmax。

圖1(a)表示最大干密度與含水率的關(guān)系曲線，圖中曲線上A、B、C三個點，代表3種級配狀態(tài)在不同含水率條件下的壓密特性。A點為風(fēng)干狀態(tài)的密度，B點處于曲線的谷點，即最不利的含水狀態(tài)，C點為接近飽和狀態(tài)的密度值。在不同級配情況下，由于含水率變化，改變了試料表面的摩擦力狀態(tài)，因此有的A點密度大于C點，有的A點密度小于C點。

砂礫料是由河道上游和兩岸崩坍巖塊經(jīng)水力沖擊、搬運沉積于河床的天然建筑材料，材質(zhì)堅硬，表面光滑圓潤，所以在振動荷載作用下干燥的時候粒間阻力最小，粗細(xì)顆粒能自由移動相互填充孔隙，可獲得較大的干密度值；如試料處于潮濕狀態(tài)，因顆粒表面水分子作用產(chǎn)生假凝聚力，阻止顆粒自由移動，潮濕時的阻力最大，在相同動荷載作用條件下，干密度值偏??；隨著含水率增大，表面水膜增厚，粒間阻力減小，干密度也隨之增大，當(dāng)含水率增至飽和度90.0%左右，相當(dāng)于黏性土最優(yōu)含水率狀態(tài)，干密度達(dá)最大值。

圖1（b）為不同級配情況的最大干密度變化規(guī)律，E、F點范圍內(nèi)，為加水壓實的有效區(qū)。上述成果表述了粗粒土不同級配條件下隨含水率變化的壓實密度的變化規(guī)律。對現(xiàn)場碾壓施工起到很好的指導(dǎo)作用。

圖1 （a） 3組砂礫料密度ρdmax~ ω關(guān)系曲線圖

圖1 （b） 最大干密度~粗料含量Ps關(guān)系曲線圖

（1）彈簧土都集中在1區(qū)，含水飽和度st≥80.0%，含泥量ni≥8%，其它2、3、4區(qū)均屬正常。

（2）根據(jù)土體存在三相形態(tài)分析，彈簧土處于氣封閉狀態(tài)，填充在粗粒孔隙中的泥砂混合物呈滲透性很低的塑流狀況，土中氣泡被孔隙水分隔、孤立，因此反復(fù)碾壓土體只能產(chǎn)生形狀變形，不會產(chǎn)生體積縮小。所以橋墩水庫含泥砂礫石碾壓施工中發(fā)生的反?，F(xiàn)象，正是土體呈處氣封閉的必然結(jié)果。

（3）彈簧土病害對工程安全影響很大，因含泥量大而不能自由排水，土體存在孔隙壓力高而長期不固結(jié)和抗剪強(qiáng)度低的后果，水庫蓄水后可能發(fā)生滑坡等工程危險。所以工程上對彈簧土都采取挖除處理。

3 含泥砂礫料壓實的加水控制

圖2 彈簧土與非彈簧土分布圖

河床天然沉積砂礫石料中，一般都含有一定量的極細(xì)顆粒，其中小于0.100 mm顆粒稱泥，泥質(zhì)顆粒中含極細(xì)砂、粉砂和大于0.005 mm的黏土粒3種。根據(jù)3種顆粒含量大小，工程上有黏性泥和砂性泥之別。由室內(nèi)抗剪強(qiáng)度和滲透試驗表明，含泥量＞10%時，抗剪強(qiáng)度明顯減小，滲透系數(shù)顯著減小，故在現(xiàn)行規(guī)范中，要求上壩砂礫料含泥量不大于10%。結(jié)合工程實例，說明黏性含泥砂礫料壓實施工中加水控制的重要性。

浙江省橋墩水庫位于溫州市南部地區(qū)，壩高45.7 m，原為黏土斜墻砂礫石壩，因某些壩段發(fā)生滲透變形，危及工程安全，遂于1984年第3季度開始進(jìn)行加固加高處理。在老壩上游側(cè)加建瀝青混凝土斜墻，并在老壩上游礫石壩體6.0 m范圍內(nèi)進(jìn)行開挖重新壓實措施。要求翻挖后新壩體相對密度達(dá)0.8。壩料用庫區(qū)河床沉積的天然砂礫石料，施工控制鋪料厚60 ～ 80 cm，用國產(chǎn)12.0 t振動平碾噴水后壓6遍。但是施工過程中卻發(fā)生大面積的“彈簧土”。碾壓之初出現(xiàn)土面泥漿上涌，繼而發(fā)生填筑層土振動碾前進(jìn)中呈彈性狀起伏，表面光滑濕潤，干密度低。因此工程被逼停工處理。

為了尋找發(fā)生“彈簧土”的原因，工地組織技術(shù)人員對原材料和施工技術(shù)進(jìn)行全面分析。原材料的物理性指標(biāo)為：粗粒含量P5＝60.0% ～ 80.0%，含泥量ni＝6% ～ 15%，含泥中黏粒含量32% ～ 45%，塑性指數(shù)＞10，泥的顆分試驗分類屬粉質(zhì)黏土或黏土，整體材料屬黏性含泥砂礫石。此外現(xiàn)場加水比較亂，水加多加少未予規(guī)范控制，碾壓過程中有的發(fā)生彈簧土，有的沒有發(fā)生。

根據(jù)現(xiàn)場提供的50多個干密度試驗資料，進(jìn)一步揭示了含泥砂礫石料發(fā)生彈簧土的機(jī)理，根據(jù)每個試樣的含泥量、含水飽和度和目測是否發(fā)生彈簧土情況，匯集成圖2的變化規(guī)律，50多個點形成4個自然特征區(qū)［1］。由此得出以下幾點：

4 堆石料壓實加水問題

20世紀(jì)50年代以前，堆石筑壩大都采用拋填的施工方法。石料運到壩面，借助岸坡、棧橋或索道從幾米至幾十米高處拋下，依靠塊石自重的沖擊力和高壓水的沖射作用，使堆石料得到一定程度的密實。該法要求塊石尺寸大，并限制細(xì)顆粒含量，因而拋石壩體的孔隙率可能達(dá)到30% ～40%，壩體沉陷量可達(dá)壩高的1% ～ 2%，容易引起防滲體開裂。自20世紀(jì)60年代以后，隨著振動碾壓機(jī)的問世和級配料爆破技術(shù)的應(yīng)用，堆石筑壩工程普遍采用振動壓實的施工方法，大大提高了堆石壩的質(zhì)量，孔隙率一般都能達(dá)到25% ～ 30%，甚至更小的水平［2］。

由于堆石料筑壩采用級配料薄層鋪土和振動壓實的新工藝，工程質(zhì)量大為提高，所以國內(nèi)外堆石壩很多選用不加水壓實的施工方法。如建于1974 — 1980年的日本手提川心墻堆石壩，最大壩高153 m，壩殼用礫巖、片麻巖堆石，填筑中采用不加水壓實；建于1961 — 1965年的奧地利界伯奇心墻堆石壩，最大壩高153 m，壩殼料用粒狀片麻巖料，用8.5 t振動碾壓實，碾壓時不加水；建于1967 — 1969年的美國卡爾臺爾心墻堆石壩，最大壩高141 m，壩殼為石英巖，層厚0.6 ～ 0.9 m，不加水用13.6 t振動平碾壓6遍。

國內(nèi)也有多個堆石壩和砂礫壩不加水壓實的成功實例。如黃河小浪底黏土斜墻堆石壩，壩高154 m，壩殼料為硅質(zhì)砂巖，施工期間曾在1995年11月和1995年12月進(jìn)行了2次加水和不加水試驗，堆石填筑層按1.0 m厚控制，每層用17.0 t自行式振動碾壓6遍。加水量按填筑工程量50%控制，試驗結(jié)果為：第1次試驗加水碾壓實測干密度為2.12 g/m3，不加水碾壓干密度也為2.12 g/m3，相差為0；第2次試驗不加水碾壓實測干密度為2.14 g /m3，加水碾壓干密度平均值為2.15 g /m3，兩者相差0.01 g/m3。沉降變形加水與不加水僅增加1 ～ 3 mm，說明加水效果甚微。

浙江省橫山水庫原為中型黏土心墻砂礫石壩，20世紀(jì)60年代建成，為了增加庫容，于80年代用混凝土面板堆石壩加高10 m，施工期間曾進(jìn)行1次對填筑料加水與不加水的碾壓對比試驗，堆石料最大粒徑70 cm，填筑層厚80 cm，國產(chǎn)中型振動碾壓機(jī)壓6遍。加水量為碾壓層體積的0%，10%，20%及40%，4種加水狀況的干密度值非常相近，只是沉降量相差1 ～ 2 mm。

上述工程實例表明，對硬質(zhì)堆石料加水在短期內(nèi)并沒有引起軟化棱角、降低壩料表面的摩擦力作用，說明用干碾壓密實壩體在使用上是有效合理的。

5 對軟巖和石渣料的加水壓實問題

堆石料和石渣料根據(jù)巖石的力學(xué)性質(zhì)有個區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)：凡是吸水率小于2%、軟化系數(shù)大于0.7，飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于30 MPa的巖石，軟弱顆粒含量小于15%，稱為堆石料。反之，凡吸水率大于2%，軟化系數(shù)小于0.7，飽和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度小于30 MPa的巖石，統(tǒng)稱石渣料。由于石渣料來自軟質(zhì)巖，工程地基或邊坡修理開挖料，顆粒較細(xì)，并含有一定量的風(fēng)化成分,在填筑施工中需要進(jìn)行灑水或沖水，根據(jù)巖性和細(xì)粒含量多少，加水量為0.5% ～ 1.5%不等，幫助細(xì)料進(jìn)入粗料孔隙，軟化石料棱角，改善級配。通過碾壓工序可獲得較大的密度，還可以加速石渣料在施工期的沉陷。因堆石料與石渣料在物理力學(xué)性質(zhì)上有較大差異，土石壩設(shè)計要求該種料放在壩體的次要部位，如下游干燥區(qū)和壩頂不透水位置。

6 結(jié) 語

（1）本文探討了土石壩工程中多種粗粒土加水對提高壓實密度的作用，由此闡述對粗粒土在碾壓施工中控制加水的必要性。如砂礫石料粗粒含量大于60%時，接近保護(hù)狀態(tài)加水，可以有效提高干密度；黏性含泥砂礫料含泥量大于8%，飽和度大于80.0%，則容易產(chǎn)生彈簧土；風(fēng)化料筑壩，碾壓要充分加水，在實際應(yīng)用中，應(yīng)通過工地碾壓試驗確定加水量。

（2）干碾壓是堆石壩工程發(fā)展進(jìn)程中的一項新創(chuàng)舉，可以簡化施工環(huán)節(jié)，縮短工期，避免河道污染，具有直接經(jīng)濟(jì)價值，特別在寒冷地區(qū)和缺水環(huán)境下建造土石壩有重要的實用意義。

（3）四川大學(xué)屈智炯、何昌榮等老師［3］根據(jù)國內(nèi)一批石渣壩工程的經(jīng)驗，結(jié)合四川地區(qū)幾個典型工程石渣料的筑壩特性進(jìn)行系統(tǒng)的試驗研究，并在石渣壩設(shè)計施工質(zhì)量和安全性等方面作了全面論述，對其它工程應(yīng)用軟巖和各種工程棄料有推廣和借鑒意義。

[1] 張克昌.無黏性土壓實與含水率的試驗及分析[J].水利水電技術(shù)，1986(8)：35.

[2]郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].河南：黃河水利出版社，1998.

[3]屈智炯，何昌榮，劉雙光，等.新型石渣壩－粗粒土筑壩的理論與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2002.

[4]黃河水利委員會勘測規(guī)劃設(shè)計研究院.SL 274 — 2001碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2002.

（責(zé)任編輯 郎忘憂）

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1008 - 701X(2017)03 - 0050 - 03

10.13641/j.cnki.33 - 1162/tv.2017.03.015

2016-12-14

駱勇軍(1978 - )，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水利工程設(shè)計工作。