基于沉降率法的堆石壩碾壓試驗(yàn)分析

孫紅義，劉 賀，馬 冰

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(籌)，河南 鄭州 450003)

0 前言

堆石壩主要是采用當(dāng)?shù)氐亩咽献鳛樘钪w，該壩型具有便于取材，碾壓性能較好，壓實(shí)度大，整體的沉降變形較小，且其承載力高的優(yōu)勢(shì)[1]，因此，大批國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研學(xué)者以及工程技術(shù)人員對(duì)碾壓堆石壩進(jìn)行了各方面深入的研究。尤其是堆石壩碾壓過(guò)程中的壓實(shí)質(zhì)量的評(píng)價(jià)成為研究熱點(diǎn)。喬蘭等[2]、崔金平[3]、Gash等[4]、秦尚林等[5]、李樹(shù)勇等[6]通過(guò)對(duì)路基填筑、水庫(kù)堆石壩和抽水蓄能心墻壩等碾壓試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，探究了在對(duì)堆石體多次重壓過(guò)程中的施工工藝和碾壓質(zhì)量的關(guān)聯(lián)。Anderegg等[7]、Krishnamurthy等[8]通過(guò)公路路基的壓實(shí)規(guī)律，根據(jù)壓實(shí)料的干密度與壓路機(jī)的震動(dòng)頻率的關(guān)系，推測(cè)出壓實(shí)料的壓實(shí)效果；朱家啟等[9]、黃金林等[10]通過(guò)對(duì)堆石體碾壓試驗(yàn)研究，探討了堆石料的攤鋪厚度、干密度等重要物理力學(xué)參數(shù)以及碾壓遍數(shù)對(duì)堆石體壓實(shí)度的關(guān)系；部分學(xué)者[11-13]通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了堆石壩的碾壓過(guò)程，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)基本相符。

目前情況下，通過(guò)灌水法等大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)獲得碾壓料干密度的方式，是檢驗(yàn)堆石料碾壓質(zhì)量的主要方法。但是，這類(lèi)方式需要的工作量很大，占用較多的人材機(jī)成本和時(shí)間。同時(shí)，此方法受外界與人為因素干擾很大，存在較大的不確定性因素和誤差，致使獲取的成果具有較大的離散性，不能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。本文在某個(gè)在建的面板堆石壩堆石料的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用沉降量和沉降率法來(lái)測(cè)定和評(píng)價(jià)該工程實(shí)施過(guò)程中堆石料的壓實(shí)質(zhì)量，并與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)對(duì)比，作為傳統(tǒng)檢測(cè)手法的補(bǔ)充，希望克服傳統(tǒng)檢測(cè)手法的不足。

1 堆石料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)

1.1 工程概況

在建的某水庫(kù)位于黃河流域，是黃河的二級(jí)支流，主要由攔河大壩、溢洪洞、放空(引水)洞等組成，工程屬Ⅲ等工程，工程規(guī)模為中型。其中，攔河大壩為混凝土面板堆石壩，其壩頂長(zhǎng)約為295m，壩頂寬約為8.0m，大壩的上游設(shè)計(jì)壩坡為1∶1.4，下游設(shè)計(jì)壩坡為1∶1.3。

選用的堆石料場(chǎng)位于河谷右岸，壩軸線(xiàn)下游約600m處，有公路與壩址相連，交通較為便利。料場(chǎng)所在的山體雄厚，山坡和坡腳多基巖出露，基巖的巖性較為單一，為下震旦統(tǒng)石英片巖。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，本工程碾壓試驗(yàn)在大壩次堆區(qū)下游較開(kāi)闊場(chǎng)地進(jìn)行，試驗(yàn)前進(jìn)行場(chǎng)地平整和壓實(shí)，消除基礎(chǔ)面沉降變形對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生的不利影響。劃定的碾壓試驗(yàn)范圍面積為B×L=42m×51m，場(chǎng)地內(nèi)和兩側(cè)設(shè)置過(guò)渡區(qū)域，根據(jù)堆石料不同的攤鋪厚度和碾壓遍數(shù)等條件，設(shè)置若干試驗(yàn)單元每一試驗(yàn)單元面積為B1×L1=9m×12m，每單元內(nèi)布置便于測(cè)量和取樣的3.0m×3.0m的方格網(wǎng)。為了便于碾壓前后的相對(duì)高程，設(shè)置1m×1m方格網(wǎng)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距1.5～2.0m，且每個(gè)試驗(yàn)單元測(cè)點(diǎn)數(shù)不少于20個(gè)。

試驗(yàn)選用自行式振動(dòng)碾進(jìn)行碾壓，行車(chē)速度≤2.4km/h。碾壓料的攤鋪厚度分別為80、100、120cm，在用選定噸位的振動(dòng)碾靜壓2遍后，分別采取激振6、8、10遍的方式，根據(jù)不同的碾壓鋪料厚度、碾壓遍數(shù)共劃分為9個(gè)區(qū)，堆石料現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)場(chǎng)地布置情況如圖1所示。

圖1 碾壓現(xiàn)場(chǎng)布置情況

1.3 壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)試驗(yàn)

完成確定的碾壓參數(shù)后，對(duì)不同組合的試驗(yàn)區(qū)，進(jìn)行壓實(shí)質(zhì)量的檢測(cè)。沉降變化分別進(jìn)行碾壓前、碾壓中和碾壓后測(cè)量，按前節(jié)劃分方式分別測(cè)定各網(wǎng)點(diǎn)的相對(duì)高程變化，從而得出各攤鋪料區(qū)碾壓前后的沉降量變化，再根據(jù)沉降率法判定壓實(shí)質(zhì)量。堆石料碾壓后的密度采用灌水法獲得，每個(gè)試驗(yàn)單元有效數(shù)據(jù)不少于3個(gè)，試坑直徑80cm，可根據(jù)最大粒徑大小進(jìn)行調(diào)整，開(kāi)挖深度穿透攤鋪層厚度。

2 沉降率法分析

沉降率法為檢測(cè)堆料體在實(shí)施過(guò)程中的壓實(shí)質(zhì)量提供了一種便捷、省事的方法。因此，本文通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)研究，建立沉降量、沉降率與干密度的關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證表面沉降法作為大壩堆石料壓實(shí)質(zhì)量控制方法的可靠性。

2.1 沉降率與密度的理論關(guān)系

本文根據(jù)周娟[15]介紹的沉降量與密度的理論關(guān)系進(jìn)行分析。采用獲取碾壓堆石料的總體積和總質(zhì)量的方式，進(jìn)而求得堆石料碾壓過(guò)程中的壓實(shí)密度。鑒于攤鋪料的總質(zhì)量是不因壓實(shí)而變化的，因此只需要測(cè)量碾壓后堆石料體積變化，便可得出其密度的變化，令碾壓開(kāi)始前攤鋪料的初始密度為ρ0，則：

(1)

式中，W—碾壓層的總質(zhì)量；V0—碾壓層攤鋪后的總體積；A—碾壓層攤鋪后的面積；t—攤鋪料層的平均厚度。

設(shè)Sn為碾壓n次后的沉降量，則n次碾壓后的密度ρn為：

(2)

式中，An—碾壓n次后碾壓層的面積；tn—碾壓n次后碾壓層的厚度；εn—堆石料的沉降率，是堆石料沉降量Sn與其攤鋪鋪厚t的比值。

由于總質(zhì)量W一定，且面積An的變化可忽略不計(jì)，An≈A。結(jié)合公式(1)—(2)可得：

(3)

如果初始密度ρ0已知，則只需要測(cè)定沉降量Sn就可以立即計(jì)算出n次碾壓后的密度ρn。

設(shè)ρe為碾壓結(jié)束后的密度，可利用沉降量Sn與沉降速率εn的關(guān)系，按式(2)可得：

(4)

由(4)可得ρ0=ρe(1-εe)，將其代入(3)可得：

ρn=ρe(1-εe)(1+εn)

≈ρe(1-εe+εn)

(5)

由(5)式可知，若精確地獲取了某一時(shí)間點(diǎn)堆石料的密度和其他情況下的沉降量或沉降率，便可計(jì)算出該情況下堆石料的密度。

2.2 依據(jù)沉降量控制

在碾壓結(jié)束后，分別測(cè)定各網(wǎng)格點(diǎn)的相對(duì)高程，從而得到各個(gè)碾壓區(qū)在碾壓過(guò)程中的平均沉降值，進(jìn)而根據(jù)攤鋪厚度計(jì)算出碾壓堆石料的沉降率。碾壓堆石料的干密度可通過(guò)挖坑灌水法和室內(nèi)含水率檢測(cè)后獲得。

碾壓試驗(yàn)前，根據(jù)灌水法首先測(cè)得堆石料的初始干密度，然后將初始干密度帶入公式(5)分別計(jì)算得碾壓6、8、10遍的干密度，再將通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的干密度與理論公式計(jì)算獲得的干密度想比較，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，可知兩者獲得的密度基本相接近。如圖2所示，碾壓堆石料的沉降量與干密度關(guān)系可知，在獲得某一時(shí)刻的沉降量后，便可查得相應(yīng)的密度值，進(jìn)而可獲得其該攤鋪料的壓實(shí)度。

表1 堆石料碾壓遍數(shù)、沉降率與密度的關(guān)系

圖2 碾壓堆石料沉降量與干密度的關(guān)系圖

因此，在碾壓試驗(yàn)開(kāi)展過(guò)程中，只需要測(cè)得初始干密度或者碾壓完成后的干密度，而其他情況下只需要測(cè)量獲得攤鋪料的沉降量，就可以通過(guò)沉降率法來(lái)獲得不同條件下的干密度，該方法簡(jiǎn)單易行，是一種有效控制填筑體壓實(shí)質(zhì)量的方法，進(jìn)而節(jié)約人力、物力和時(shí)間成本等。為了驗(yàn)證檢測(cè)準(zhǔn)確性，可在檢測(cè)時(shí)選擇具有代表性的點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比和驗(yàn)證。

同時(shí)，隨著堆石料碾壓遍數(shù)的增大，堆石料的沉降量也隨之增大，見(jiàn)表1、如圖3—4所示。因?yàn)槎咽显诔跏紬l件下相對(duì)稀松，經(jīng)過(guò)碾壓后比較容易密實(shí)，當(dāng)堆石料壓實(shí)度到達(dá)特定的程度后，很難再進(jìn)一步有較大程度的壓縮，因此，碾壓堆石料沉降量的增加量呈下降趨勢(shì)。其他施工條件相同的情形下，隨著堆石料的攤鋪厚度的增大，碾壓后的沉降量也就隨之增大，且碾壓遍數(shù)越多沉降量的差異也越大。

圖3 碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系圖

圖4 碾壓遍數(shù)與孔隙率的關(guān)系圖

堆石料不同攤鋪厚度的碾壓遍數(shù)對(duì)于干密度、孔隙率的影響較為明顯，孔隙率的變化隨著碾壓遍數(shù)的增進(jìn)而降低。

2.3 碾壓指標(biāo)選取

該工程混凝土面板堆石壩壩體的重要填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)為：①對(duì)于主堆料，巖體飽和抗壓強(qiáng)度≥40MPa，軟化系數(shù)不低于0.6，孔隙率<19%，滲透系數(shù)≥10-1；②對(duì)于次堆料，巖體飽和抗壓強(qiáng)度≥30MPa，軟化系數(shù)不低于0.6，孔隙率<20%。

3種堆石料攤鋪厚度中厚度為80cm的情況下，在碾壓遍數(shù)為10遍時(shí)，比碾壓遍數(shù)為6遍和8遍時(shí)干密度、孔隙率更容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求。碾壓8遍能夠100%達(dá)到下游次堆設(shè)計(jì)要求，碾壓10遍能夠100%達(dá)到主堆設(shè)計(jì)要求。考慮為保證施工質(zhì)量的前提下，選用合理的施工參數(shù)，主堆石料、下游次堆石料碾壓遍數(shù)采用10遍。

層間結(jié)合情況，當(dāng)鋪料80cm、碾壓6遍時(shí)，層間碾壓不密實(shí)，結(jié)合良好，干密度及孔隙率不能達(dá)到主次堆石料設(shè)計(jì)要求，故不選用。當(dāng)堆石料的攤鋪厚度為100、120cm，碾壓遍數(shù)為6、8遍時(shí)，堆石料的干密度及孔隙率不能達(dá)到主、次堆石料設(shè)計(jì)要求。鋪料80cm碾壓8遍時(shí)，層間碾壓基本密實(shí)，結(jié)合良好，干密度及孔隙率100%達(dá)到次堆設(shè)計(jì)要求，但不能100%滿(mǎn)足主堆設(shè)計(jì)要求。

鋪料80、100cm，碾壓10遍時(shí)，層間碾壓密實(shí)，結(jié)合良好，干密度及孔隙率100%達(dá)到主次堆設(shè)計(jì)要求。因此為保證填筑質(zhì)量，主次堆選用堆石料攤鋪厚度為80cm，碾壓遍數(shù)為10遍。

3 結(jié)論

本文采用了沉降率法來(lái)控制某堆石壩碾壓堆石料的壓實(shí)質(zhì)量，分析了碾壓遍數(shù)、鋪料厚度對(duì)堆石料壓實(shí)質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：

(1)采用沉降率法與傳統(tǒng)灌水法所得到碾壓堆石料的密度相差不大，可以通過(guò)該方法計(jì)算出不同碾壓條件下的堆石料的干密度。

(2)堆石料碾壓過(guò)程中的沉降量、沉降率與碾壓遍數(shù)及鋪料厚度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，可以通過(guò)碾壓堆石料的沉降量和沉降率來(lái)檢測(cè)壓實(shí)質(zhì)量。

(3)沉降率法簡(jiǎn)單方便，精度相對(duì)較高，可以隨時(shí)檢測(cè)到碾壓堆石料的壓實(shí)程度與質(zhì)量。同時(shí)，為堆石體碾壓性狀的研究提供了新思路，也是一種較為有效的壓實(shí)質(zhì)量檢測(cè)方法。