20t振動凸塊碾填筑粘性土壩體應(yīng)用

劉 蓓 宋五朋 王先忠

（河南省水利勘測有限公司）

1 工程概況

河南省出山店水庫是一座以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉，兼顧發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程，大壩型式為混合壩型，主壩軸線長3 694.57 m，其中土壩段長3 265 m，混凝土壩段長429.57 m（含連接壩段），壩頂高程100.40 m，最大壩高40.60 m。該水庫土壩壩型為粘土心墻砂殼壩，粘土心墻頂寬4 m，邊坡比為1∶0.50，心墻與上游壩殼料之間鋪設(shè)水平寬度為3 m 的反濾料，心墻下游鋪設(shè)水平寬度為3 m的反濾層、水平寬度為2 m的排水帶、水平寬度為1 m 的反濾層，上游壩坡采用混凝土連鎖塊護(hù)砌、下游壩坡采用混凝土預(yù)制塊護(hù)砌。粘土心墻碾壓壓實(shí)度按≥99%控制。

2 問題的提出

根據(jù)振動凸塊碾碾壓原理，振動凸塊碾在壓實(shí)土料時，不僅借助碾重與振動的作用，同時借助凸塊插入土體時使土受到擠壓和揉搓的聯(lián)合作用，振動凸塊碾對土壤施加外力，迫使土壤顆粒重新排列與相互靠近，擠出土壤中水分與空氣以減少其孔隙率，使土顆粒重新排列，提高碾壓效能及土體密實(shí)度，進(jìn)而使土體得到均勻的壓實(shí)效果，振動凸塊碾是粘性土碾壓的適用器具。

近些年來，隨著科技的進(jìn)步，20 t 噸位以上大噸位振動凸塊碾在市場上已普遍存在，考慮到粘性土壩體填筑過程的效率、效果、經(jīng)濟(jì)等因素，擬選擇20 t振動凸塊碾應(yīng)用于本工程使用，但20 t 振動凸塊碾的重量遠(yuǎn)大于《碾壓式土石壩施工技術(shù)規(guī)范》（SDJ213-83）碾壓器具的重量要求，其適用性需進(jìn)一步分析、論證。

3 理論分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，壩體填筑施工前，需進(jìn)行必要的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，必須進(jìn)行施工試驗。

勘測期間在壩前0.50～1 km壩前土料區(qū)取土樣進(jìn)行室內(nèi)輕型擊實(shí)試驗，最大干密度范圍值為1.65～1.74 g/cm3，平均值為1.68 g/cm3；最優(yōu)含水率范圍值為15.70%～20.80%，平均值為18.00%。

施工試驗前進(jìn)行了土料擊實(shí)試驗復(fù)核，最大干密度1.71 g/cm3，最優(yōu)含水率18.20%，壓實(shí)度按≥99%控制。

《土工試驗規(guī)程》（SL237-1999）規(guī)定的擊實(shí)功為592.20 kJ/m3，適用于粒徑小于5 mm的粘性土，粘性土現(xiàn)場碾壓試驗是在室內(nèi)輕型擊實(shí)指導(dǎo)下，通過選擇適宜的壓實(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)，來對粘性土合理功的一個合理分化。以壓實(shí)器具技術(shù)參數(shù)和施工壓實(shí)參數(shù)的形式合理分化后的粘性土合理功進(jìn)行施工碾壓，獲得最好的壓實(shí)密度。從理論上講，20 t振動凸塊碾能作為粘性土壩體填筑的碾壓器具。

根據(jù)振動凸塊碾單位壓實(shí)功計算公式（式1），在室內(nèi)輕型擊實(shí)試驗指導(dǎo)下，單位壓實(shí)功能選取592.2 kJ/m3；在選擇20 t振動凸塊碾作為碾壓器具時，選擇合適的鋪土厚度和碾壓遍數(shù)，來對粘性土合理功的一個合理分化。

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

20 t振動凸塊碾器具的技術(shù)參數(shù)見表1，經(jīng)計算后，鋪土厚度30 cm、35 cm、40 cm對應(yīng)的碾壓遍數(shù)為6（計算值為5.80）遍。

4 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場碾壓試驗不僅核查土料壓實(shí)后能否達(dá)到設(shè)計壓實(shí)干密度，選定碾壓施工中合適的含水率、鋪土厚度、碾壓變數(shù)等施工參數(shù)，還可以在室內(nèi)輕型擊實(shí)試驗指導(dǎo)下，檢查壓實(shí)機(jī)具的性能是否滿足施工要求。

根據(jù)室內(nèi)輕型擊實(shí)試驗成果，料區(qū)粘性土最大干密度1.71 g/cm3，最優(yōu)含水率18.20%；根據(jù)壩殼料現(xiàn)場試驗，砂礫料鋪土厚度為70 cm，故，選取20t振動凸塊碾作為碾壓器具時，粘性土的現(xiàn)場試驗以最優(yōu)含水率18.20%、鋪土厚度35 cm、碾壓遍數(shù)6遍為基數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場試驗?，F(xiàn)場試驗選擇3個試驗場區(qū)，分別對應(yīng)不同的含水率（16.20%、18.20%、21.20%）、不同的鋪土厚度（30 cm、35 cm、40 cm）和碾壓遍數(shù)（4、6、8）進(jìn)行試驗（見表2）；試驗組合為碾壓遍數(shù)、鋪土厚度和不同含水率為組合方式，共27個試驗組合。

表2 碾壓試驗參數(shù)取值表

現(xiàn)場試驗過程中，對粘性土碾壓表象進(jìn)行觀測，未發(fā)生20 t 振動凸塊碾器具沉陷、土體破壞等影響填筑質(zhì)量的現(xiàn)象。

現(xiàn)場試驗?zāi)雺涸囼瀰^(qū)平均干密度統(tǒng)計表見表3，根據(jù)該統(tǒng)計表可知，以20 t 振動凸塊碾進(jìn)行碾壓，鋪土厚度選取35 cm，碾壓遍數(shù)選取6遍。

表3 現(xiàn)場試驗?zāi)雺涸囼瀰^(qū)表

綜上所述，從理論分析及現(xiàn)場試驗結(jié)果對比可知，20 t 振動凸塊碾作為粘性土壩體填筑碾壓器具是適用的。

5 碾壓效果

經(jīng)綜合分析后，該水庫采取20 t振動凸塊碾作為粘性土壩體填筑碾壓器具，鋪土厚度35 cm，碾壓遍數(shù)6遍。

施工期間共檢測壓實(shí)度4 592 組，合格率為100%，施工過程中未發(fā)生器具沉陷、土體破壞等影響填筑質(zhì)量的現(xiàn)象。施工期間，南京水利科學(xué)研究院對土壩段的安全監(jiān)測中包含了垂直位移沉降觀測系統(tǒng)，2017 年6 月開始對壩基及壩體進(jìn)行監(jiān)測，2017年12月壩體封頂，根據(jù)2017年6月至2018年10月監(jiān)測資料，壩體總沉降量11.22 cm（粘土心墻），壩體沉降目前已趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)論與建議

通過文章論述可知：①20 t振動凸塊碾對于粘性土壩體填筑碾壓是適用的；②20 t 振動凸塊碾重量大于以往傳統(tǒng)振動碾，可以有效提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；③20 t振動凸塊碾在粘性土碾壓施工中可以廣泛推廣應(yīng)用。