陳建勝，何瑞良，周 湘，王國陽，于新華，宋立新

(1.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；2.華電金沙江上游水電開發(fā)有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

堆石料碾壓是混凝土面板堆石壩控制施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序[1-3]，堆石壩正式填筑前通常會開展現(xiàn)場碾壓試驗，以校核堆石體填筑標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化施工參數(shù)(碾壓噸位、鋪填厚度、灑水率等)，驗證并核實填筑料的碾壓施工參數(shù)、設(shè)計填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，以及檢驗所選用的碾壓機械的適應(yīng)性和可靠性等。我國堆石壩的建設(shè)面臨著200 m級向300 m級的突破，變形控制是高堆石壩設(shè)計施工所面臨的關(guān)鍵問題[4]。對堆石體填筑層進行高強度的振動碾壓，是目前高堆石壩控制沉降變形的重要施工方法[5]。朱晟等[6]在溧陽抽水蓄能工程中采用動力測試技術(shù)通過原位振動碾壓試驗，研究了壓實過程中堆石體內(nèi)部的應(yīng)力變形特性和能量輸入機制，并確定了凝灰?guī)r碾壓堆石料的最大干密度。從高堆石壩設(shè)計的角度來講，堆石體填筑層振動碾壓試驗特性，是人們關(guān)注的核心內(nèi)容。

1 試驗方案

試驗用料均取自④號路K1+200～300段條帶狀大理巖洞挖料。根據(jù)碾壓場次試驗單元檢測的要求，場地尺寸取為40 m×26 m，經(jīng)32 t振動碾按2～3 km/h的速度碾壓42遍后，最終每碾壓2遍后全場平均沉降量不大于2 mm。整場高差小于20 cm(圖1)且局部起伏差小于5 cm。兩側(cè)邊試驗單元周邊應(yīng)有足夠?qū)挾?，可供施工機械與重車行走、回車錯道，試驗單元邊緣應(yīng)具有足夠的側(cè)壓力。碾壓試驗場地堅實平整且滿足規(guī)范要求。

圖1 試驗前碾壓場地高程等值線云圖(單位：m)

依次開展碾具比選、鋪厚比選、灑水率比選及復(fù)核場次碾壓試驗。試驗過程中主要采用32 t和27 t這2種不同噸位的振動碾進行現(xiàn)場碾壓試驗，碾壓機具的主要參數(shù)如表1所示。堆石料鋪填厚度按60 cm和80 cm這2種鋪厚進行比選；加水量按0、5%、10%、15%進行比選，優(yōu)選出合理的灑水量。

表1 碾壓機具選型及主要參數(shù)

每試驗單元碾壓前后沉降觀測，并記錄不同碾壓遍數(shù)后的沉降量，每個試驗單元測點數(shù)應(yīng)不少于20個；每一試驗單元碾后干密度有效數(shù)據(jù)應(yīng)不少于5個，每個試驗單元內(nèi)滲透系數(shù)有效數(shù)據(jù)應(yīng)不少于3個；在試驗單元的密度坑(圖2)內(nèi)取樣，進行全料顆粒分析試驗。

圖2 密度環(huán)及大理巖堆石料

2 基本理論

依據(jù)粗粒土土體三相圖理論(見圖3)，計算碾壓堆石體干密度、孔隙率，即

圖3 土體三相理論示意

(1)

(2)

式中，ρd為堆石體干密度，g/cm；ms為坑內(nèi)石料烘干或炒干后質(zhì)量，g；n為堆石體孔隙率，%；GS為石料各粒徑組加權(quán)比重；ρw的密度，g/cm3。

3 試驗成果討論

3.1 顆粒級配特性

碾壓前大理巖洞挖料粒徑級配曲線如圖4所示，由圖4可知，粗粒部分基本位于上、下包線范圍之內(nèi)，細(xì)粒部分位于下包線之外；粒徑30～150 mm之間部分超過50%。碾壓8遍后大理巖洞挖料級配曲線如圖5所示，由圖5可知，隨著碾壓遍數(shù)的增加，顆粒級配曲線向上包線方向發(fā)生偏移。碾壓8～14遍后各粒徑組合較碾前都有顯著增加，其中增加趨勢最為明顯的是<100 mm的顆粒；碾壓14遍后堆石料<5 mm含量為3.51%。隨著碾壓遍數(shù)的增加，平均破碎率基本呈現(xiàn)增大趨勢；碾壓8～14遍后，試驗區(qū)的平均破碎率為14.21%～17.04%，碾壓8～14遍后堆石料的不均勻系數(shù)Cu均大于5，平均值為8.75；曲率系數(shù)Cc基本在0.79～1.22之間，平均值為1.0，級配較為優(yōu)良。

圖4 碾前大理巖洞挖料級配曲線

圖5 碾壓8遍后大理巖洞挖料級配曲線

3.2 振動碾激振力的影響

條帶狀大理巖堆石料碾壓試驗過程中主要采用2種不同噸位的振動碾進行現(xiàn)場碾壓試驗，2種不同振動碾具的自身工作質(zhì)量大小相差18.5%，激振力大小相差18%，激振頻率與行走速度基本一致。振動碾型號對條帶狀大理巖堆石料孔隙率與干密度影響關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，振動碾的激振力越大，其對應(yīng)碾壓遍數(shù)的堆石料孔隙率越小、干密度越大；堆石料碾壓后孔隙率大小與振動碾激振力負(fù)相關(guān)，干密度大小與振動碾激振力正相關(guān)，符合一般線性相關(guān)規(guī)律性。因此，同等條件下，振動碾的激振力越大，其碾壓后的堆石料密實程度越高。

圖6 振動碾型號對孔隙率和干密度的影響關(guān)系曲線

3.3 鋪填厚度的影響

條帶狀大理巖堆石料碾壓試驗鋪填厚度比選時，主要考慮了60、80 cm這2種不同鋪厚情況。不同鋪填厚度對條帶狀大理巖堆石料孔隙率與干密度影響關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，堆石料的鋪填厚度越大，其對應(yīng)碾壓遍數(shù)的堆石料孔隙率越大、干密度越??；堆石料碾壓后孔隙率大小與鋪填厚度正相關(guān)，干密度大小與鋪填厚度負(fù)相關(guān)，符合一般規(guī)律性。因此，在同等條件下，條帶狀大理巖堆石料的鋪填厚度越小，其碾壓后的堆石料密實程度越高。

圖7 鋪填厚度對孔隙率和干密度的影響關(guān)系曲線

3.4 灑水量的影響

堆石料等粗粒土的壓實性也與含水量有關(guān)，不過一般不存在特定的線性相關(guān)性；在某一灑水率區(qū)間范圍內(nèi)容易達到較好的壓實效果。施工過程中灑水對堆石料有濕潤、潤滑左右，有利于減少堆石料的顆粒移動時顆粒間的摩擦力；同時施工過程中加水是實現(xiàn)堆石料濕化的主要措施，只有保證施工中的加水量，才能基本消除堆石料濕化對壩體變形的不利影響。

條帶狀大理巖堆石料碾壓灑水率比選時主要考慮了0、5%、10%、15%這4種不同灑水情況。不同灑水率對條帶狀大理巖堆石料孔隙率與干密度影響關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可知，堆石料的灑水率在10%～15%時，其對應(yīng)碾壓遍數(shù)的堆石料孔隙率越小、干密度越大，壓密程度較高；堆石料碾壓后孔隙率、干密度與灑水率基本呈拋物線型二次曲線相關(guān)的特性，10%～15%的灑水率為相對較優(yōu)的灑水率區(qū)間。因此，同等條件下，堆石料的灑水率在10%～15%時，其碾壓后的堆石料密實程度越高，試驗成果表明10%～15%的灑水率條件下堆石料的振動碾壓密實效果最佳。

圖8 灑水率對孔隙率和干密度的影響關(guān)系曲線

3.5 條帶狀大理巖堆石料碾壓參數(shù)推薦

依據(jù)激振力、鋪填厚度、灑水率等因素對堆石料碾壓效果的影響性分析，在采用32 t振動碾、行走速度2.5 km/h、鋪填厚度80 cm、灑水率為15%的條件下，條帶狀大理巖洞挖料在不同碾壓遍數(shù)下其孔隙率及干密度指標(biāo)如表2所示。由試驗結(jié)果可知，隨著碾壓遍數(shù)的不斷增加，堆石料不斷破碎并擠壓密實，干密度不斷增大，孔隙率不斷減小，滲透系數(shù)逐步降低，滲透系數(shù)基本位于100～10-1cm/s量級。

表2 推薦碾壓參數(shù)條件下條帶狀大理巖堆石料碾壓特性

4 結(jié) 論

(1)對于不同類型振動碾來說，振動碾的激振力越大，其碾壓后的條帶狀大理巖堆石料密實程度越高。

(2)對于不同的鋪料厚度來說，條帶狀大理巖堆石料鋪填厚度越小，其碾壓后的堆石料密實程度越高。

(3)同等條件下，條帶狀大理巖堆石料的灑水率在10%～15%時，其碾壓后的粗粒土的密實程度越高，現(xiàn)階段試驗成果表明在灑水率為10%～15%的條件下，條帶狀大理巖堆石料的振動碾壓密實效果最佳。

(4)采用32 t振動碾、行走速度2.5 km/h、鋪填厚度80 cm、灑水率為15%的條件下，對條帶狀大理巖堆石料進行碾壓試驗條件下，碾壓12遍后平均干密度為2.193 g/cm3，平均孔隙率為19.04%，基本可以滿足下游堆石區(qū)設(shè)計孔隙率指標(biāo)的預(yù)期要求。