王先忠，韓桃明，宋五朋

(河南省水利勘測(cè)有限公司，河南 鄭州 450008)

水利工程粘性土碾壓使用的碾壓器具多為重型碾壓設(shè)備，其遠(yuǎn)超規(guī)范要求碾壓機(jī)具重量，多篇論文提出：重型設(shè)備碾壓與規(guī)范輕型擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的差異性是壓實(shí)度超百影響最大的因素，建議對(duì)標(biāo)準(zhǔn)最大干密度試驗(yàn)方法進(jìn)行相關(guān)調(diào)整。本文分析認(rèn)為，水利工程粘性土碾壓過程中的壓實(shí)度是包含干密度和含水率雙重控制標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)合理功原理，重型碾壓器具不等于重型擊實(shí)，隨之調(diào)配的是碾壓遍數(shù)和壓實(shí)層厚度，輕型擊實(shí)試驗(yàn)仍能指導(dǎo)現(xiàn)代水利工程細(xì)粒土的碾壓；土的指標(biāo)離散性是碾壓檢測(cè)中壓實(shí)度超百的根本原因。

1 工程概況

河南省出山店水庫(kù)是一座大(1)型防洪控制工程。水庫(kù)總庫(kù)容12.51億m3，水庫(kù)正常蓄水水位為88.0m，校核水位98.12m，設(shè)計(jì)洪水位為95.78m，死水位84.0m，汛期限制水位86.0m，壩頂高程100.4m，在高程95m處設(shè)置戧臺(tái)或壓重平臺(tái)。出山店水庫(kù)大壩型式為混合壩型，包括土壩段和混凝土壩段，總長(zhǎng)3.69km，其中土壩段長(zhǎng)3.3km，混凝土壩段長(zhǎng)0.4km。

土壩段壩型為粘土心墻砂殼壩，粘土心墻頂寬4m，邊坡比為1∶0.5，上游反濾層寬3m，下游為寬3m反濾層、寬2m排水帶、寬1m過渡帶，上游壩坡采用混凝土連鎖塊護(hù)砌、下游壩坡采用砼預(yù)制塊護(hù)砌。粘土心墻碾壓壓實(shí)度控制指標(biāo)為99%。

2 粘土心墻碾壓施工中存在壓實(shí)度超百現(xiàn)象

出山店水庫(kù)施工1標(biāo)采用壩前土料場(chǎng)粉質(zhì)粘土作為土壩段粘土心墻填筑土料，壩基滲漏問題處理中，壩前500m范圍內(nèi)表層土料作為天然水平鋪蓋增加滲徑的安全儲(chǔ)備不予取用，其運(yùn)距為0.5～1km。勘測(cè)期間取土樣室內(nèi)輕型擊實(shí)試驗(yàn)[1]9組，最大干密度范圍為1.65～1.74g/cm3，平均值為1.68g/cm3；最大含水率范圍值為15.7%～20.8%，平均值為18.0%。

粘土心墻土方填筑碾壓試驗(yàn)前進(jìn)行了土料擊實(shí)試驗(yàn)復(fù)核，最大干密度1.71g/cm3，最大含水率18.2%，壓實(shí)度按不小于99%控制。

現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的目的[2]主要包括：選定合理的鋪土厚度、壓實(shí)方法和碾壓遍數(shù)等施工壓實(shí)參數(shù)，并檢查壓實(shí)機(jī)具的性能是否滿足施工要求。碾壓試驗(yàn)選擇20t凸塊振動(dòng)碾為主要壓實(shí)器具，選擇3個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)，分別對(duì)應(yīng)不同的含水率(16.2%、18.2%、21.2%)、不同的鋪土厚度(30cm、35cm、40cm)和碾壓遍數(shù)(4、6、8)分別進(jìn)行試驗(yàn)；試驗(yàn)組合為碾壓遍數(shù)、鋪土厚度和不同含水率為組合方式，共27個(gè)試驗(yàn)組合，試驗(yàn)完成后每個(gè)試驗(yàn)組合均取檢測(cè)樣品10點(diǎn)，共270個(gè)點(diǎn)。

不同鋪土厚碾壓試驗(yàn)區(qū)平均干密度統(tǒng)計(jì)表見表1—3。根據(jù)表1—3綜合分析后，粘土心墻土方填筑施工主要采用：鋪土厚度為35cm，采用20t的凸塊振動(dòng)碾先靜壓1遍，再?gòu)?qiáng)振振壓6遍；振動(dòng)碾振壓時(shí)行駛速度不超過4km/h等參數(shù)。

表1 碾壓試驗(yàn)區(qū)平均干密度統(tǒng)計(jì)表(鋪土30cm厚) 單位：g/cm3

表2 碾壓試驗(yàn)區(qū)平均干密度統(tǒng)計(jì)表(鋪土35cm厚) g/cm3

施工過程中共檢測(cè)壓實(shí)度4592組，合格率為100%，壓實(shí)度超百組數(shù)320組，超百組數(shù)約占總檢測(cè)組數(shù)7%，超百百分點(diǎn)多為100.6%，少量101.2%。

由上引出疑問：粘土心墻細(xì)粒土碾壓施工[3]過程中出現(xiàn)超百現(xiàn)象原因是什么？20t凸塊振動(dòng)碾的重量遠(yuǎn)超SDJ213—83《碾壓式土石壩施工技術(shù)規(guī)范》要求的碾壓機(jī)具重量，這是碾壓壓實(shí)度超百的最大因素嗎？現(xiàn)場(chǎng)常規(guī)使用的碾壓壓實(shí)機(jī)具重量一般都較高，輕型擊實(shí)試驗(yàn)是否還適用于指導(dǎo)水利工程細(xì)粒土現(xiàn)場(chǎng)碾壓？

表3 碾壓試驗(yàn)區(qū)平均干密度統(tǒng)計(jì)表(鋪土40cm厚)

3 細(xì)粒土擊實(shí)試驗(yàn)

研究土的壓實(shí)性能基本方法主要采用擊實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行，試驗(yàn)?zāi)康闹饕獮椋赫页鐾恋暮?、擊?shí)功和干密度三者之間的關(guān)系和基本規(guī)律[4]，并考慮擊實(shí)土的結(jié)構(gòu)、變形能力及強(qiáng)度等特征，從而選定工程需要的且合適的壓實(shí)土干密度和相應(yīng)的含水率，用較小且合理的擊實(shí)功能獲得較好的壓實(shí)效果，即最好的壓實(shí)密度。

(1)最優(yōu)含水率估算

試驗(yàn)表明：細(xì)粒土的最優(yōu)含水率與細(xì)粒土的性質(zhì)有關(guān)，其大小隨土的性質(zhì)而有所差異，約在塑限附近[5]，為液限的0.55～0.65倍。在最優(yōu)含水率時(shí)，土中水分適中，因而顆粒表面水膜厚度相對(duì)比較適中，土顆粒的粒間阻力相對(duì)較弱，在擊實(shí)過程中更易于擊實(shí)，使土中的細(xì)顆粒緊密接觸，從而達(dá)到最大的干密度。

當(dāng)含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，細(xì)粒土結(jié)合水膜較厚，雖然因土顆粒的粒間阻力減小而土粒易于移動(dòng)，但因細(xì)粒土的滲透性較小而導(dǎo)致細(xì)粒土中多余水分不宜排出，在其水分來不及滲出時(shí)，將產(chǎn)生一定的孔隙水壓力，在擊實(shí)碾壓過程中，需要克服一定的粒間孔隙水壓力，會(huì)消耗較大的擊實(shí)功能；也因其含水率較高，多余水分在未及時(shí)滲出時(shí)含水率變化較小，必然壓實(shí)干密度較小，甚至導(dǎo)致在擊實(shí)過程中土體被破壞出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象[6]。在細(xì)粒土含水率大于最優(yōu)含水率時(shí)，該擊實(shí)土常具有分散結(jié)構(gòu)特征，這種細(xì)粒土的可塑性大，雖適應(yīng)變形能力強(qiáng)，但其具有強(qiáng)度低、干密度小等缺點(diǎn)。

當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，細(xì)粒土結(jié)合水膜較薄，細(xì)粒土粒間阻力較大，土粒不易移動(dòng)，因需克服的粒間阻力較大而所需的擊實(shí)功較大，但在較大的擊實(shí)功能下能得到較大的干密度。當(dāng)含水率小于最優(yōu)含水率時(shí)，該擊實(shí)土常具有凝聚結(jié)構(gòu)的特征，這種細(xì)粒土的可塑性小、較脆硬、適應(yīng)變形能力弱，雖強(qiáng)度較高，但在浸水時(shí)容易產(chǎn)生附加沉降從而發(fā)生壩體裂縫等危害。

綜上所述，工況下壓實(shí)細(xì)粒土存在浸水過程的水利工程，其土的擊實(shí)試驗(yàn)應(yīng)以細(xì)粒土的液塑限值估算最優(yōu)含水率，以此作為細(xì)粒土的擊實(shí)試驗(yàn)含水率控制基值[7]。SL237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定的操作步驟中亦明確指出，在擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先根據(jù)土的塑限來估算其最優(yōu)含水率，并按估算的最優(yōu)含水率相差2%含水率制備試樣，試樣個(gè)數(shù)大于等于5個(gè)為一組。

(2)合理功的選擇

當(dāng)細(xì)粒土的含水率一定時(shí)，以較小的擊實(shí)功進(jìn)行擊實(shí)，隨著擊實(shí)功的逐漸增大，土的干密度呈陡增大趨勢(shì)；之后，隨著擊實(shí)功增大，土的干密度卻呈緩增大趨勢(shì)；當(dāng)達(dá)到一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)后，即使擊實(shí)功的增大較大，而土的干密度亦呈近于水平線的微增長(zhǎng)狀態(tài)，該轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的擊實(shí)功我們稱之為臨界功(如圖1所示)，用此功擊實(shí)細(xì)粒土能達(dá)到較好的效果。若用大于臨界功的擊實(shí)功擊實(shí)，雖擊實(shí)功的增大較大，但其最大干密度卻增加微小，難以達(dá)到較好的擊實(shí)效果。此臨界功亦稱為合理功。

圖1 含水率一定時(shí)細(xì)粒土的干密度與擊實(shí)功的關(guān)系曲線

關(guān)于細(xì)粒土合理功的選擇，各國(guó)及各行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用某一擊實(shí)功作為其單位體積擊實(shí)功能。其中GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的擊實(shí)功為591.6kJ/m3，SL237—1999規(guī)定的擊實(shí)功為592.2kJ/m3，適用于粒徑小于5mm的粘性土。

綜上所述，SL237—1999中輕型擊實(shí)試驗(yàn)所求得的細(xì)粒土最大干密度是適宜的，適用于指導(dǎo)工況下壓實(shí)細(xì)粒土存在浸水過程的水利工程現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

振動(dòng)凸塊碾是粘性土碾壓實(shí)的適用器具，根據(jù)振動(dòng)凸塊碾單位壓實(shí)功計(jì)算公式[8](式1)，選定壓實(shí)器具及其技術(shù)參數(shù)后，細(xì)粒土合理功一定下，確定合理的施工壓實(shí)參數(shù)是碾壓試驗(yàn)的目的，以期用較小且合理的擊實(shí)功能獲得最好的壓實(shí)效果。

Es=(2δs+δk)fAN/(vh)

(1)

式中，Es—單位壓實(shí)功能，tm/m3；δs—靜態(tài)線壓力，t/m；δk—?jiǎng)討B(tài)線壓力，t/m；f—振動(dòng)頻率，HZ；A—振幅，m;N—累計(jì)碾壓遍數(shù)(4、6、8、10……)；v—行駛速度，m/s；h—壓實(shí)層厚度，m。

即：細(xì)粒土現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)在室內(nèi)輕型擊實(shí)指導(dǎo)下，通過選擇適應(yīng)市場(chǎng)且適宜的壓實(shí)機(jī)具以及合理的鋪土厚度和碾壓遍數(shù)等施工壓實(shí)參數(shù)，對(duì)細(xì)粒土合理功的合理分化。以壓實(shí)器具技術(shù)參數(shù)和施工壓實(shí)參數(shù)形式合理分化后的細(xì)粒土合理功進(jìn)行施工碾壓，獲得最好的壓實(shí)密度。

建議碾壓器具選擇時(shí)，考慮以下原則。

碾壓器具：首先，重型碾壓器具不等于重型擊實(shí)，當(dāng)碾壓器具重量加重時(shí)，隨之調(diào)配的是碾壓遍數(shù)和壓實(shí)層厚度。碾壓器具選擇時(shí)，第一，不宜過重，防止碾壓中造成碾壓器具沉陷以及土體被破壞出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象；第二，為防止欠壓、漏壓，碾壓遍數(shù)不會(huì)過度減小，碾壓器具過重時(shí)，多余的壓實(shí)功增加的最大干密度卻不多，不經(jīng)濟(jì)適用。

振頻：根據(jù)土的共振物理原理，當(dāng)碾壓器具碾壓時(shí)，其激振頻率接近或等于被碾壓土料的固有頻率時(shí)，獲得的壓實(shí)效果最好[9]。98%～100%壓實(shí)細(xì)粒土固有頻率在29～32HZ，96%～98%壓實(shí)細(xì)粒土的固有頻率在27～29HZ[10]。

振幅：對(duì)于厚度較薄的粘性土層，碾壓過程中若振幅過大，其過高的壓實(shí)功能并不會(huì)被碾壓材料吸收，反而會(huì)因振幅過大導(dǎo)致已壓實(shí)的薄層粘性土層重新變得松散，因此，對(duì)于厚度較薄的粘性土層，碾壓過程中應(yīng)選用較小的振幅。

行駛速度：根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，粘性土碾壓速度一般不超過4km/h，約為0.09f為最佳作業(yè)速度。

近幾年碾壓土石壩粘性土碾壓常用的碾壓器具為20t振動(dòng)凸塊碾，雖遠(yuǎn)大于SDJ213—83碾壓器具的重量要求，但施工過程中并未造成器具沉陷及土體破壞，碾壓遍數(shù)一般為6遍左右，鋪土厚度為35cm左右，提高了施工碾壓生產(chǎn)效率。

5 粘土心墻壓實(shí)度超百原因分析

土是巖石圈表層漫長(zhǎng)地質(zhì)年代中經(jīng)受復(fù)雜物理化學(xué)作用所形成的松軟物質(zhì)，具有性質(zhì)復(fù)雜、空間分布不均勻、自然變異性等特性，同時(shí)具有成層特征，存在條件的不確知性和參數(shù)的不確定性，只能通過勘察查明，但又不可能完全查明。自然界的巖土，同一層內(nèi)巖土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)、構(gòu)造基本一致，但其性質(zhì)也是存在有一定差別的，既存在規(guī)律性的各向相變，也存在無規(guī)律性的指標(biāo)離散。由于土的指標(biāo)離散特性，場(chǎng)區(qū)土的工程特性不能以單個(gè)土性指標(biāo)來代表，必須對(duì)土樣的物理力學(xué)指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，根據(jù)工程特點(diǎn)和地質(zhì)條件確定其代表性[11]，所以規(guī)范明確規(guī)定了每一主要土層土樣試驗(yàn)或原位測(cè)試均不能少于一定組(件)數(shù)。

綜上所述，勘測(cè)期間取土樣9組，室內(nèi)輕型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得最大干密度為范圍值，即：1.65～1.74g/cm3，粘土心墻土方填筑碾壓試驗(yàn)所采用的最大干密度為1.71g/cm3，壓實(shí)度按不小于99%控制進(jìn)行碾壓，如此，從純數(shù)值理論上看，若粘土心墻土方填筑碾壓合格，則必然存在大于1.71而小于1.74數(shù)值的99%比值，即1.72g/cm3、1.73g/cm3，若碾壓壓實(shí)度為100%時(shí)，則存在1.74g/cm3。由此可知，若粘土心墻土方填筑碾壓合格，從土的指標(biāo)離散性來講，土的壓實(shí)度超百現(xiàn)象存在是合理的。

總之，由于土的指標(biāo)離散性，工程中所采用的土的最大干密度為代表值，其一般在檢測(cè)數(shù)值范圍之內(nèi)，以該代表值99%為控制指標(biāo)，必然存在大于代表值控制指標(biāo)的檢測(cè)數(shù)值，故土的壓實(shí)度超百現(xiàn)象[12- 13]的存在是合理的。

6 結(jié)語(yǔ)

壓實(shí)細(xì)粒土存在浸水過程時(shí)，其土的擊實(shí)試驗(yàn)應(yīng)以細(xì)粒土的液塑限值估算最優(yōu)含水率，作為細(xì)粒土的擊實(shí)試驗(yàn)含水率控制基值。

若用大于合理功的擊實(shí)功擊實(shí)時(shí)，難以達(dá)到較好的擊實(shí)效果。

細(xì)粒土現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)是把合理功以壓實(shí)器具的技術(shù)參數(shù)和施工壓實(shí)參數(shù)的形式進(jìn)行合理分化，進(jìn)行施工碾壓，可獲得最好的壓實(shí)密度。

重型碾壓器具可適當(dāng)調(diào)配碾壓遍數(shù)和壓實(shí)層厚度，以提高生產(chǎn)效率。重型碾壓器具的選擇原則以不造成器具沉陷及土體破壞為原則。

土的壓實(shí)度超百現(xiàn)象的存在是合理的，土的指標(biāo)離散性是碾壓壓實(shí)度超百的根本原因。