董承山，楊正權，王 龍，何 冰，劉瑩光

1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222 2.中國水利水電科學研究院，北京 100048 3.北京電力經濟技術研究院，北京 100055

0 引言

砂礫料以其本身壓實密度大、抗變形能力強和抗剪強度高等優(yōu)良工程特性，近年來在土石壩建設領域被廣泛使用。工程上通常采用相對密度指標來衡量筑壩砂礫料碾壓后的密實程度[1-3]，它比壓實度更能體現(xiàn)粗粒土的密實程度[4-5]。砂礫料含礫量(P5)是指土中粒徑大于5 mm粒組土占總土的比例，不同級配或含礫量砂礫料的最大、最小干密度值是有差異的。當前，確定不同級配(含礫量)砂礫料最大、最小干密度指標，普遍采用的方法是室內振動臺相對密度試驗方法。原型筑壩砂礫料的最大粒徑往往遠超室內試驗設備的允許尺寸，通常都是對原型砂礫料按照一定規(guī)則縮尺得到實際試驗用土料[6-11]，而且室內試驗所使用的振動臺設備的擊實功能遠低于現(xiàn)場實際碾壓設備，所以室內相對密度試驗不能很好地反映現(xiàn)場全級配砂礫料和施工碾壓的實際情況，經常出現(xiàn)碾壓試驗和現(xiàn)場施工檢測中相對密度大于1的不合理現(xiàn)象[12]?，F(xiàn)場大型相對密度試驗是在工地現(xiàn)場，使用大型施工碾壓機械和相對密度桶對原始級配壩料進行最大、最小干密度試驗，這種方法很好地彌補了上述室內試驗成果受尺寸效應影響和擊實功能不足的缺陷。

大石峽水利樞紐位于新疆阿克蘇市溫宿縣與烏什縣交界的阿克蘇河一級支流庫瑪拉克河上，工程為一等大(1)型工程，攔河壩為1級水工建筑物，最大壩高247 m，超過世界上已建成最高233 m的水布埡面板壩。隨著壩體高度的增加，壩體變形(施工期及運行期)亦會增加，對混凝土面板及整個止水系統(tǒng)的影響會更大，因此對筑壩材料工程特性及壩體填筑標準有更高的要求。本文開展了大石峽面板壩筑壩砂礫料現(xiàn)場大型相對密度試驗，研究砂礫料壓實特性，確定相對密度特性指標，同時研究了強振碾壓對壩料顆粒破碎性態(tài)的影響，幫助工程人員充分認識壩料的相對密度特性，以期為后續(xù)壩料碾壓試驗和施工質量檢測提供基礎依據(jù)。

1 試驗方法

砂礫料相對密度是指土料最疏松時孔隙比與現(xiàn)狀孔隙比的差值和最疏松時孔隙比與最密實時孔隙比的差值之比，表述如下：

(1)

式中：Dr是相對密度；emax為土體最疏松時的孔隙比；e為土體現(xiàn)狀孔隙比；emin為土體最密實時的孔隙比。

(2)

式中：ρdmax是最大干密度；ρdmin是最小干密度。

現(xiàn)場大型相對密度試驗設備主要包括：碾壓機具為后續(xù)大壩碾壓施工采用的26 t振動平碾；密度桶為帶底無蓋鋼桶，直徑120.0 cm，高80.0 cm，壁厚1.2 cm，該密度桶可以進行壩料原始級配試驗，基本消除了尺寸效應的影響；粗粒土干密度檢測設備；配套施工機械和土料篩分設備等。

選定平整堅實的場地作為相對密度試驗場地。先用挖掘機挖一條寬2.5 m，長15.0 m，深1.2 m的溝槽，溝槽底部找平后用振動碾壓實；將5個完全一樣的密度桶一排均勻布置在槽內，密度桶周邊用和試驗土料料性接近的土料填平后振動碾壓，保證密度桶緊固于場地之中。安放完成后的密度桶和試驗場地的總體情況如圖1所示。

設計采用的筑壩砂礫料特征級配曲線包括：平均級配線、上包級配線、下包級配線、上平均級配線和下平均級配線，這5種特征級配同時也表征了5種不同的含礫量。本次試驗土料就是依據(jù)以上5種特征級配，在現(xiàn)場用原型砂礫料篩分后再經人工配制而成。在對5種特征級配(含礫量)土料的試驗完成后，還根據(jù)試驗確定的最優(yōu)含礫量，再次配制最優(yōu)含礫量土料進行復核試驗。后續(xù)的試驗結果表明，大石峽筑壩砂礫料的最優(yōu)(含礫量)級配線位于平均級配線和下平均級配線之間，故最大值復核試驗土料級配根據(jù)平均級配線和下平均級配線采用內插法確定。試驗土料級配曲線如圖2所示。

先利用密度桶進行最小干密度試驗；在最小干密度試驗完成后，再補充土料，采用施工實際碾壓機具對土料進行振動碾壓，確定土料的最大干密度。不管是最大干密度還是最小干密度，對特定級配土料都進行兩次試驗，取平均值作為最終試驗結果，以減小偶然誤差。

圖1 相對密度試驗場地Fig.1 Placement of the density buckets

最小干密度試驗采用人工松填法進行：將配制好的土料稱后均勻松填于密度桶中，裝填時將土料輕放入桶內，防止沖擊和振動，以盡量模擬土料的天然堆積狀態(tài)；土料松填至桶頂后，用剛性平直工具將桶的頂面找平，找平時應盡量避免擾動土樣；裝料完成后，記錄桶中填土的總質量，根據(jù)裝填土重和桶的體積計算最小干密度。松填法裝樣過程如圖3所示。

圖2 試驗土料級配曲線Fig.2 Gradation curves of soil

圖3 松填法進行最小干密度測試Fig.3 Measurement of minimum dry density by loose filling method

最小干密度試驗完成后，繼續(xù)進行最大干密度試驗：將最小干密度試驗剩余土料攤鋪在密度桶表面及向四周一定范圍，攤鋪土料表面高出桶頂20 cm左右，保證土料攤鋪后的場地平整；振動碾在場外起動，行駛速率控制在2 km/h以內，先在密度桶上部區(qū)域強振碾壓26遍后，再在每個密度桶范圍內低速進退強振碾壓15 min，碾壓過程中及時補充土料，使振動碾不與密度桶直接接觸；強振碾壓完成后，將桶頂以上多余的土料去除找平；將桶內土料全部挖出稱重，根據(jù)總土質量和桶的體積計算最大干密度。筑壩砂礫料現(xiàn)場大型相對密度試驗的填料、壓實機理如圖4所示。強振碾壓、密度桶找平后的情況如圖5所示。

2 試驗結果

先對5種不同級配(含礫量)的土料(對應平均級配線、上包級配線、下包級配線、上平均級配線和下平均級配線)進行了最大、最小干密度試驗，根據(jù)試驗結果擬合確定最優(yōu)含礫量為78.0%。在確定最優(yōu)含礫量后，最大值復核試驗土料級配根據(jù)平均級配線和下平均級配線采用內插法確定。不同級配(含礫量)的土料最大、最小干密度測試結果如表1所示。從表1可以看出，設計包線范圍內，試驗砂礫料的最大干密度為2.290～2.426 g/cm3；最小干密度為1.891～2.081 g/cm3。不管是最小干密度還是最大干密度，對應最大壓實密度的最優(yōu)含礫量均是78.0%，介于平均級配和下平均級配之間。

根據(jù)試驗結果，繪制了大石峽面板壩筑壩砂礫料ρd-P5-Dr(干密度含礫量相對密度)三因素圖，如圖6所示。三因素圖中，體現(xiàn)了不同級配(含礫量)土料的最大、最小干密度值和不同相對密度對應的絕對干密度值，可以作為評價筑壩砂礫料碾壓質量的評價標準。

圖4 最大干密度試驗原理圖Fig.4 Principle diagram of maximum dry density test

圖5 強振碾壓后密度桶表面找平Fig.5 Density buckets leveling afterthe strong vibration compaction

Table1Testresultsofmaximumandminimumdrydensityofsoilwithdifferentgradation

含礫量/%最大干密度/(g/cm3)最小干密度/(g/cm3)632.2901.891692.3561.980752.4172.054782.4262.081812.3962.064872.3201.992

圖6 大石峽筑壩砂礫料相對密度ρd-P5-Dr三因素圖Fig.6 Three factors chart of relative density ρd-P5-Dr of gravel soil of Dashixia dam

從表1和圖6可以看出：

1)從總體量值上看，比較工程特性類似土料的室內試驗成果[1]，本次現(xiàn)場試驗最大干密度測試結果較室內試驗要高得多。室內試驗受試驗設備(密度桶)尺寸和擊實設備功能影響，測試結果較實際低得多，若不進行合理的外延處理，難以用于后續(xù)原型土料的壓實質量評價?，F(xiàn)場試驗克服了室內試驗材料縮尺和擊實功能不能反映現(xiàn)場實際的缺點，測試結果更加可靠。

2)砂礫料的最大、最小干密度值，均表現(xiàn)出隨著含礫量增加而先增加、后減小的變化趨勢，存在有最優(yōu)含礫量特征值。相同壓實功作用下，土料的干密度最大。

3)大石峽筑壩砂礫料壓實質量最優(yōu)含礫量介于平均級配和下平均級配之間，很接近于平均級配線，這表明料場土料主體是處于最優(yōu)級配附近，壩料質量較好，料源可利用率高。

3 強振碾壓對砂礫料顆粒組成特性的影響

對每一個相對密度桶中的砂礫石料，在完成了最大干密度試驗后，均對挖出的土料進行顆粒級配分析并與原始試驗料級配進行比對，以考察不同級配砂礫料經歷強振碾壓(最大干密度試驗)后級配的變化情況，并用破碎率來表征土料的顆粒破碎情況?？梢哉J為，最小干密度試驗對砂礫料的擠壓作用很小，不會使得土顆粒發(fā)生破碎，造成土料級配的變化。強振碾壓(最大干密度試驗)前后，不同級配砂礫料的破碎情況如表2所示。

表2強振碾壓(最大干密度試驗)前后不同級配砂礫料破碎率對比

Table2Comparisonofcrushingrateofgravelsoilwithdifferentgradationbeforeandafterstrongvibrationcompaction(maximumdrydensitytest)

砂礫料特征級配含礫量/% 破碎料/%第一次試驗第二次試驗平均值/% 上包線63.02.31.82.0上平均線69.01.81.61.7平均線75.01.61.11.4最大值復核78.00.81.11.0下平均線81.02.51.92.2下包線87.02.51,82.2

由表2可知，強振碾壓使得砂礫料發(fā)生了不同程度的破碎現(xiàn)象。由于試驗料碾壓以前呈現(xiàn)弱膠結狀態(tài)，膠結顆粒碾壓后易破碎，不同級配土料碾壓后細料(粒徑小于5 mm土料)增加了1.0%～2.2%，越是偏離最優(yōu)級配較遠的土料，其顆粒破碎越嚴重。

4 結論

1) 比較室內試驗成果，現(xiàn)場試驗確定砂礫料最大干密度值有較大提高。

2) 隨著含礫量的增加，砂礫料的最大、最小干密度值先增加、后減小，存在壓實密度最高的最優(yōu)含礫量特征值。

3) 強振碾壓使得弱膠結砂礫料產生不同程度的顆粒破碎效應，強振碾壓后砂礫料中的細粒土顯著提升，顆粒破碎的程度和土料的原始級配特性相關聯(lián)。