蘇都都，張彥忠

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000； 2.甘肅水利機械化工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

隨著我國經(jīng)濟社會進一步發(fā)展以及西部大開發(fā)的深入推進，沙漠地區(qū)各類工程項目日益增多。風積砂作為一種特殊的工程材料，與沙壤土不同，其具有顆粒間無黏聚力、表面活性低、天然含水率小、保水性及整體性較差等特性。以風積砂作為工程基礎(chǔ)，其壓實標準確定、施工方法研究是當前沙漠地區(qū)工程建設(shè)亟待解決的問題。

黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池位于甘肅省古浪縣騰格里沙漠南緣，項目區(qū)屬典型的干旱型大陸性氣候，全年平均氣溫6.6℃，多年平均降水量207.7mm，多年平均蒸發(fā)量2807mm，多年平均日照時數(shù)2852.3h。黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池設(shè)計容積220萬m3，為半挖半填結(jié)構(gòu)，水池最大深度11.3m，基礎(chǔ)為風積砂。

本文以甘肅省古浪縣黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池工程為例，對該區(qū)域風積砂材料物理力學特性、調(diào)蓄水池池堤壓實標準、碾壓施工工藝進行室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究。可為沙漠地區(qū)調(diào)蓄水池、渠道等工程設(shè)計、施工等方面提供借鑒和參考。

1 風積砂的物理特性

黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池工程區(qū)風積細砂，天然密度1.50～1.69g/cm3，密實度不均一，不均勻系數(shù)1.85，曲率系數(shù)0.85。

根據(jù)SL237—1999《土工試驗規(guī)程》規(guī)定，對風積砂料進行顆粒分析試驗，顆粒分析的結(jié)果見表1，顆粒級配曲線如圖1所示。

表1 風積砂篩分試驗成果

圖1 風積砂顆粒級配曲線

2 風積砂室內(nèi)擊實試驗

土的室內(nèi)擊實試驗是通過模擬現(xiàn)場碾壓條件、方法，在標準的擊實筒內(nèi)對土施加一定的擊實功能，確定該功能下土的最大干密度與相應的最優(yōu)含水率。

根據(jù)相關(guān)研究，由于風積砂比較松散，常規(guī)擊實試驗方法，所得的試驗結(jié)果比較凌亂，規(guī)律性比較差，采用重型擊實試驗效果相對較好。

本次根據(jù)SL237—1999，采用重型擊實儀進行了室內(nèi)擊實試驗，擊實試驗結(jié)果表明，風積砂最大干密度1.76g/cm3，最優(yōu)含水率擊實試驗成果見表2，室內(nèi)擊實試驗曲線如圖2所示。

表2 風積砂室內(nèi)擊實試驗成果

圖2 風積砂室內(nèi)擊實曲線

從室內(nèi)擊實試驗曲線可以看出，與黏性土和砂類土擊實曲線特征不同，風積砂壓實曲線具有獨特之處：①風積砂壓實曲線存在兩個峰值點，含水率在3%～4%之間時，干密度較小，隨著含水率的增大或減小，干密度均增大。②風積砂含水率為0時，干密度值較大，說明其具備干壓實的可能。

3 風積砂填筑標準

3.1 我國現(xiàn)行規(guī)范體系壓實控制標準

目前我國現(xiàn)行規(guī)范體系中，對無黏性土的設(shè)計控制指標主要有相對密度和壓實度兩種，主要規(guī)范的壓實控制指標見表3。

3.2 國外規(guī)范體系壓實控制標準

美國水道試驗站(WSE)建議，細粒土(<0.075mm)含量超過5%時，應分別進行標準擊實試驗和相對密度試驗，當擊實試驗所得的最大干密度的85%比相對密度85%時的相應干密度大時，則用擊實試驗。美國墾務(wù)局規(guī)定，如細粒土(<0.075mm)含量超過12%時分別作相對密度和標準擊實試驗，當70%相對密度時的相應干密度小于擊實最大干密度的95%，則應用擊實試驗，否則采用相對密度控制。

可以看出，美國水道試驗站和美國墾務(wù)局對風積砂填筑標準的規(guī)定亦存在不同之處。

表3 無黏性土填筑設(shè)計控制指標

3.3 兩種控制指標的對比分析

根據(jù)顆分成果，黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池工程細粒土(<0.075mm)含量在10%～15%之間，其填筑標準采用相對密度還是壓實度是一個重要的技術(shù)問題。按照我國現(xiàn)行規(guī)范體系，應遵照水利行業(yè)標準，采用相對密度作為填筑控制標準；根據(jù)美國水道試驗站和美國墾務(wù)局的標準，應進行壓實度與相對密度比較。為此，我們按照本工程相關(guān)參數(shù)進行了壓實度與相對密度比較，比較結(jié)果見表4。

表4 壓實系數(shù)與相對密度對照表

通過相對密度和壓實度公式計算，要達到美國水道試驗站的規(guī)定，則材料最大干密度需達到最小干密度的2倍以上，風積砂材料很難達到這一標準，因此，筆者認為此規(guī)定適用性有待商榷。

根據(jù)上表比較結(jié)果，采用壓實度作為填筑控制指標較以相對密度作為控制指標偏安全，且具有簡單、明了、易操作的優(yōu)點，黃花灘灌區(qū)1號調(diào)蓄水池工程池堤填筑以壓實度作為控制指標。

4 風積砂施工關(guān)鍵技術(shù)

風積砂作為一種特殊的材料，我國現(xiàn)行工程施工規(guī)范中尚未形成完整的填筑施工工藝、壓實方法。針對此，為使工程順利推進，2018年9月6日—2018年10月4日，設(shè)計聯(lián)合施工單位進行了為期近一個月的現(xiàn)場碾壓試驗，對碾壓設(shè)備選型、含水率控制、鋪層厚度與壓實遍數(shù)等進行了現(xiàn)場試驗研究。

4.1 施工機械選擇

土的壓實是通過外力克服顆粒間的粘聚力和摩擦力，擠出顆粒間的空氣和水，從而使土密度提高。由于風積砂顆粒間幾無粘聚力，因此風積砂壓實主要是克服摩擦力，根據(jù)相關(guān)研究成果，振動壓實效果較好，試驗選取平碾(20t 振動頻率33HZ)、羊角碾(20t振動頻率33HZ)、挖掘機，分別進行了機械適用性試驗。

試驗發(fā)現(xiàn)平碾在碾壓過程中易出現(xiàn)“陷車”問題，在松鋪料上，平碾幾乎難以行走，適用性較差；羊角碾有較好的適用性，但仍偶爾會出現(xiàn)“陷車”問題；挖掘機無“陷車”問題，但碾壓效果達不到設(shè)計要求。

由于風積砂碾壓后表層有約10cm的松散層，需上層碾壓時予以壓實，羊角碾對于層間結(jié)合具有較好的作用，根據(jù)碾壓試驗成果，以“推土機整平(初壓)+羊角碾(振動壓實)”組合方案作為最終推薦方案。

4.2 含水率控制

根據(jù)室內(nèi)試驗，風積砂最優(yōu)含水率約為10%～13%，現(xiàn)場試驗分別對天然狀態(tài)、含水率6%、10%、14%四種土料進行了碾壓試驗(鋪土厚度40cm)，碾壓試驗結(jié)果見表5。

表5 風積砂碾壓試驗結(jié)果(虛鋪厚度40cm)

根據(jù)碾壓試驗結(jié)果，含水率的提高對于提高壓實度有一定作用，但整體對碾壓效果影響不大，加之沙漠地區(qū)施工用水運距一般較遠，從施工效率及經(jīng)濟性考慮，推薦天然含水率土料作為填筑料。

試驗過程中同時發(fā)現(xiàn)，提高含水率對于解決“陷車”問題有益，隨著含水率的提高，“陷車”現(xiàn)象有所緩解，因此，在“陷車”嚴重部位，建議填筑過程中，表層灑水提高填料含水率。

4.3 鋪層厚度與碾壓遍數(shù)

試驗分別對鋪層厚度30、40、50cm的試驗區(qū)，碾壓4、6、8、10遍后的結(jié)果進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表6所示。

表6 虛鋪厚度碾壓試驗結(jié)果

從碾壓試驗結(jié)果看，虛鋪厚度30cm，碾壓6遍、虛鋪厚度40cm，碾壓8遍、虛鋪厚度50cm，碾壓10遍壓實系數(shù)均能夠達到設(shè)計要求。

為更好地了解風積砂壓實特性，試驗就碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系做了分析，結(jié)果如圖3—5所示。

圖3 沉降量與碾壓遍數(shù)曲線(虛鋪厚度30cm)

圖4 沉降量與碾壓遍數(shù)曲線(虛鋪厚度40cm)

圖5 沉降量與碾壓遍數(shù)曲線(虛鋪厚度50cm)

經(jīng)分析，虛鋪厚度30cm，碾壓6遍與虛鋪厚度50cm，碾壓10遍其壓實系數(shù)雖能夠達到設(shè)計要求，但其沉降尚未收斂，虛鋪厚度30cm，碾壓6遍的沉降不收斂現(xiàn)象更為明顯。

綜合考慮壓實系數(shù)和沉降量兩方面因素，工程最終選擇虛鋪厚度40cm、碾壓8遍的方案，經(jīng)后期施工驗證，效果良好。

5 結(jié)論

(1)風積砂為顆粒成分較細的無黏性土，在工程設(shè)計中應以壓實度作為其填筑控制標準，且其粒徑較為均勻，振動有利于破壞其空間結(jié)構(gòu)，壓實機械應選用振動碾，且以羊角碾為最優(yōu)。

(2)含水率對風積砂壓實效果影響較小，“干壓”是經(jīng)濟合理的施工方法，其碾壓試驗除關(guān)注壓實系數(shù)外，沉降量應作為其主要關(guān)注因素。

(3)不同粒徑組成下風積砂壓實機理及施工關(guān)鍵參數(shù)選取有待下一步研究。