条带状大理岩堆石料碾压试验特性研究

陈建胜，何瑞良，周 湘，王国阳，于新华，宋立新

(1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014；2.华电金沙江上游水电开发有限公司拉哇分公司，四川 成都 610041)

0 引 言

堆石料碾压是混凝土面板堆石坝控制施工质量的关键工序[1-3]，堆石坝正式填筑前通常会开展现场碾压试验，以校核堆石体填筑标准和优化施工参数(碾压吨位、铺填厚度、洒水率等)，验证并核实填筑料的碾压施工参数、设计填筑质量控制标准，以及检验所选用的碾压机械的适应性和可靠性等。我国堆石坝的建设面临着200 m级向300 m级的突破，变形控制是高堆石坝设计施工所面临的关键问题[4]。对堆石体填筑层进行高强度的振动碾压，是目前高堆石坝控制沉降变形的重要施工方法[5]。朱晟等[6]在溧阳抽水蓄能工程中采用动力测试技术通过原位振动碾压试验，研究了压实过程中堆石体内部的应力变形特性和能量输入机制，并确定了凝灰岩碾压堆石料的最大干密度。从高堆石坝设计的角度来讲，堆石体填筑层振动碾压试验特性，是人们关注的核心内容。

1 试验方案

试验用料均取自④号路K1+200～300段条带状大理岩洞挖料。根据碾压场次试验单元检测的要求，场地尺寸取为40 m×26 m，经32 t振动碾按2～3 km/h的速度碾压42遍后，最终每碾压2遍后全场平均沉降量不大于2 mm。整场高差小于20 cm(图1)且局部起伏差小于5 cm。两侧边试验单元周边应有足够宽度，可供施工机械与重车行走、回车错道，试验单元边缘应具有足够的侧压力。碾压试验场地坚实平整且满足规范要求。

图1 试验前碾压场地高程等值线云图(单位：m)

依次开展碾具比选、铺厚比选、洒水率比选及复核场次碾压试验。试验过程中主要采用32 t和27 t这2种不同吨位的振动碾进行现场碾压试验，碾压机具的主要参数如表1所示。堆石料铺填厚度按60 cm和80 cm这2种铺厚进行比选；加水量按0、5%、10%、15%进行比选，优选出合理的洒水量。

表1 碾压机具选型及主要参数

每试验单元碾压前后沉降观测，并记录不同碾压遍数后的沉降量，每个试验单元测点数应不少于20个；每一试验单元碾后干密度有效数据应不少于5个，每个试验单元内渗透系数有效数据应不少于3个；在试验单元的密度坑(图2)内取样，进行全料颗粒分析试验。

图2 密度环及大理岩堆石料

2 基本理论

依据粗粒土土体三相图理论(见图3)，计算碾压堆石体干密度、孔隙率，即

图3 土体三相理论示意

(1)

(2)

式中，ρd为堆石体干密度，g/cm；ms为坑内石料烘干或炒干后质量，g；n为堆石体孔隙率，%；GS为石料各粒径组加权比重；ρw的密度，g/cm3。

3 试验成果讨论

3.1 颗粒级配特性

碾压前大理岩洞挖料粒径级配曲线如图4所示，由图4可知，粗粒部分基本位于上、下包线范围之内，细粒部分位于下包线之外；粒径30～150 mm之间部分超过50%。碾压8遍后大理岩洞挖料级配曲线如图5所示，由图5可知，随着碾压遍数的增加，颗粒级配曲线向上包线方向发生偏移。碾压8～14遍后各粒径组合较碾前都有显著增加，其中增加趋势最为明显的是<100 mm的颗粒；碾压14遍后堆石料<5 mm含量为3.51%。随着碾压遍数的增加，平均破碎率基本呈现增大趋势；碾压8～14遍后，试验区的平均破碎率为14.21%～17.04%，碾压8～14遍后堆石料的不均匀系数Cu均大于5，平均值为8.75；曲率系数Cc基本在0.79～1.22之间，平均值为1.0，级配较为优良。

图4 碾前大理岩洞挖料级配曲线

图5 碾压8遍后大理岩洞挖料级配曲线

3.2 振动碾激振力的影响

条带状大理岩堆石料碾压试验过程中主要采用2种不同吨位的振动碾进行现场碾压试验，2种不同振动碾具的自身工作质量大小相差18.5%，激振力大小相差18%，激振频率与行走速度基本一致。振动碾型号对条带状大理岩堆石料孔隙率与干密度影响关系曲线如图6所示。由图6可知，振动碾的激振力越大，其对应碾压遍数的堆石料孔隙率越小、干密度越大；堆石料碾压后孔隙率大小与振动碾激振力负相关，干密度大小与振动碾激振力正相关，符合一般线性相关规律性。因此，同等条件下，振动碾的激振力越大，其碾压后的堆石料密实程度越高。

图6 振动碾型号对孔隙率和干密度的影响关系曲线

3.3 铺填厚度的影响

条带状大理岩堆石料碾压试验铺填厚度比选时，主要考虑了60、80 cm这2种不同铺厚情况。不同铺填厚度对条带状大理岩堆石料孔隙率与干密度影响关系曲线如图7所示。由图7可知，堆石料的铺填厚度越大，其对应碾压遍数的堆石料孔隙率越大、干密度越小；堆石料碾压后孔隙率大小与铺填厚度正相关，干密度大小与铺填厚度负相关，符合一般规律性。因此，在同等条件下，条带状大理岩堆石料的铺填厚度越小，其碾压后的堆石料密实程度越高。

图7 铺填厚度对孔隙率和干密度的影响关系曲线

3.4 洒水量的影响

堆石料等粗粒土的压实性也与含水量有关，不过一般不存在特定的线性相关性；在某一洒水率区间范围内容易达到较好的压实效果。施工过程中洒水对堆石料有湿润、润滑左右，有利于减少堆石料的颗粒移动时颗粒间的摩擦力；同时施工过程中加水是实现堆石料湿化的主要措施，只有保证施工中的加水量，才能基本消除堆石料湿化对坝体变形的不利影响。

条带状大理岩堆石料碾压洒水率比选时主要考虑了0、5%、10%、15%这4种不同洒水情况。不同洒水率对条带状大理岩堆石料孔隙率与干密度影响关系曲线如图8所示。由图8可知，堆石料的洒水率在10%～15%时，其对应碾压遍数的堆石料孔隙率越小、干密度越大，压密程度较高；堆石料碾压后孔隙率、干密度与洒水率基本呈抛物线型二次曲线相关的特性，10%～15%的洒水率为相对较优的洒水率区间。因此，同等条件下，堆石料的洒水率在10%～15%时，其碾压后的堆石料密实程度越高，试验成果表明10%～15%的洒水率条件下堆石料的振动碾压密实效果最佳。

图8 洒水率对孔隙率和干密度的影响关系曲线

3.5 条带状大理岩堆石料碾压参数推荐

依据激振力、铺填厚度、洒水率等因素对堆石料碾压效果的影响性分析，在采用32 t振动碾、行走速度2.5 km/h、铺填厚度80 cm、洒水率为15%的条件下，条带状大理岩洞挖料在不同碾压遍数下其孔隙率及干密度指标如表2所示。由试验结果可知，随着碾压遍数的不断增加，堆石料不断破碎并挤压密实，干密度不断增大，孔隙率不断减小，渗透系数逐步降低，渗透系数基本位于100～10-1cm/s量级。

表2 推荐碾压参数条件下条带状大理岩堆石料碾压特性

4 结 论

(1)对于不同类型振动碾来说，振动碾的激振力越大，其碾压后的条带状大理岩堆石料密实程度越高。

(2)对于不同的铺料厚度来说，条带状大理岩堆石料铺填厚度越小，其碾压后的堆石料密实程度越高。

(3)同等条件下，条带状大理岩堆石料的洒水率在10%～15%时，其碾压后的粗粒土的密实程度越高，现阶段试验成果表明在洒水率为10%～15%的条件下，条带状大理岩堆石料的振动碾压密实效果最佳。

(4)采用32 t振动碾、行走速度2.5 km/h、铺填厚度80 cm、洒水率为15%的条件下，对条带状大理岩堆石料进行碾压试验条件下，碾压12遍后平均干密度为2.193 g/cm3，平均孔隙率为19.04%，基本可以满足下游堆石区设计孔隙率指标的预期要求。