大石峡高面板坝筑坝砂砾料现场大型相对密度试验

董承山，杨正权，王 龙，何 冰，刘莹光

1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222 2.中国水利水电科学研究院，北京 100048 3.北京电力经济技术研究院，北京 100055

0 引言

砂砾料以其本身压实密度大、抗变形能力强和抗剪强度高等优良工程特性，近年来在土石坝建设领域被广泛使用。工程上通常采用相对密度指标来衡量筑坝砂砾料碾压后的密实程度[1-3]，它比压实度更能体现粗粒土的密实程度[4-5]。砂砾料含砾量(P5)是指土中粒径大于5 mm粒组土占总土的比例，不同级配或含砾量砂砾料的最大、最小干密度值是有差异的。当前，确定不同级配(含砾量)砂砾料最大、最小干密度指标，普遍采用的方法是室内振动台相对密度试验方法。原型筑坝砂砾料的最大粒径往往远超室内试验设备的允许尺寸，通常都是对原型砂砾料按照一定规则缩尺得到实际试验用土料[6-11]，而且室内试验所使用的振动台设备的击实功能远低于现场实际碾压设备，所以室内相对密度试验不能很好地反映现场全级配砂砾料和施工碾压的实际情况，经常出现碾压试验和现场施工检测中相对密度大于1的不合理现象[12]。现场大型相对密度试验是在工地现场，使用大型施工碾压机械和相对密度桶对原始级配坝料进行最大、最小干密度试验，这种方法很好地弥补了上述室内试验成果受尺寸效应影响和击实功能不足的缺陷。

大石峡水利枢纽位于新疆阿克苏市温宿县与乌什县交界的阿克苏河一级支流库玛拉克河上，工程为一等大(1)型工程，拦河坝为1级水工建筑物，最大坝高247 m，超过世界上已建成最高233 m的水布垭面板坝。随着坝体高度的增加，坝体变形(施工期及运行期)亦会增加，对混凝土面板及整个止水系统的影响会更大，因此对筑坝材料工程特性及坝体填筑标准有更高的要求。本文开展了大石峡面板坝筑坝砂砾料现场大型相对密度试验，研究砂砾料压实特性，确定相对密度特性指标，同时研究了强振碾压对坝料颗粒破碎性态的影响，帮助工程人员充分认识坝料的相对密度特性，以期为后续坝料碾压试验和施工质量检测提供基础依据。

1 试验方法

砂砾料相对密度是指土料最疏松时孔隙比与现状孔隙比的差值和最疏松时孔隙比与最密实时孔隙比的差值之比，表述如下：

(1)

式中：Dr是相对密度；emax为土体最疏松时的孔隙比；e为土体现状孔隙比；emin为土体最密实时的孔隙比。

(2)

式中：ρdmax是最大干密度；ρdmin是最小干密度。

现场大型相对密度试验设备主要包括：碾压机具为后续大坝碾压施工采用的26 t振动平碾；密度桶为带底无盖钢桶，直径120.0 cm，高80.0 cm，壁厚1.2 cm，该密度桶可以进行坝料原始级配试验，基本消除了尺寸效应的影响；粗粒土干密度检测设备；配套施工机械和土料筛分设备等。

选定平整坚实的场地作为相对密度试验场地。先用挖掘机挖一条宽2.5 m，长15.0 m，深1.2 m的沟槽，沟槽底部找平后用振动碾压实；将5个完全一样的密度桶一排均匀布置在槽内，密度桶周边用和试验土料料性接近的土料填平后振动碾压，保证密度桶紧固于场地之中。安放完成后的密度桶和试验场地的总体情况如图1所示。

设计采用的筑坝砂砾料特征级配曲线包括：平均级配线、上包级配线、下包级配线、上平均级配线和下平均级配线，这5种特征级配同时也表征了5种不同的含砾量。本次试验土料就是依据以上5种特征级配，在现场用原型砂砾料筛分后再经人工配制而成。在对5种特征级配(含砾量)土料的试验完成后，还根据试验确定的最优含砾量，再次配制最优含砾量土料进行复核试验。后续的试验结果表明，大石峡筑坝砂砾料的最优(含砾量)级配线位于平均级配线和下平均级配线之间，故最大值复核试验土料级配根据平均级配线和下平均级配线采用内插法确定。试验土料级配曲线如图2所示。

先利用密度桶进行最小干密度试验；在最小干密度试验完成后，再补充土料，采用施工实际碾压机具对土料进行振动碾压，确定土料的最大干密度。不管是最大干密度还是最小干密度，对特定级配土料都进行两次试验，取平均值作为最终试验结果，以减小偶然误差。

图1 相对密度试验场地Fig.1 Placement of the density buckets

最小干密度试验采用人工松填法进行：将配制好的土料称后均匀松填于密度桶中，装填时将土料轻放入桶内，防止冲击和振动，以尽量模拟土料的天然堆积状态；土料松填至桶顶后，用刚性平直工具将桶的顶面找平，找平时应尽量避免扰动土样；装料完成后，记录桶中填土的总质量，根据装填土重和桶的体积计算最小干密度。松填法装样过程如图3所示。

图2 试验土料级配曲线Fig.2 Gradation curves of soil

图3 松填法进行最小干密度测试Fig.3 Measurement of minimum dry density by loose filling method

最小干密度试验完成后，继续进行最大干密度试验：将最小干密度试验剩余土料摊铺在密度桶表面及向四周一定范围，摊铺土料表面高出桶顶20 cm左右，保证土料摊铺后的场地平整；振动碾在场外起动，行驶速率控制在2 km/h以内，先在密度桶上部区域强振碾压26遍后，再在每个密度桶范围内低速进退强振碾压15 min，碾压过程中及时补充土料，使振动碾不与密度桶直接接触；强振碾压完成后，将桶顶以上多余的土料去除找平；将桶内土料全部挖出称重，根据总土质量和桶的体积计算最大干密度。筑坝砂砾料现场大型相对密度试验的填料、压实机理如图4所示。强振碾压、密度桶找平后的情况如图5所示。

2 试验结果

先对5种不同级配(含砾量)的土料(对应平均级配线、上包级配线、下包级配线、上平均级配线和下平均级配线)进行了最大、最小干密度试验，根据试验结果拟合确定最优含砾量为78.0%。在确定最优含砾量后，最大值复核试验土料级配根据平均级配线和下平均级配线采用内插法确定。不同级配(含砾量)的土料最大、最小干密度测试结果如表1所示。从表1可以看出，设计包线范围内，试验砂砾料的最大干密度为2.290～2.426 g/cm3；最小干密度为1.891～2.081 g/cm3。不管是最小干密度还是最大干密度，对应最大压实密度的最优含砾量均是78.0%，介于平均级配和下平均级配之间。

根据试验结果，绘制了大石峡面板坝筑坝砂砾料ρd-P5-Dr(干密度含砾量相对密度)三因素图，如图6所示。三因素图中，体现了不同级配(含砾量)土料的最大、最小干密度值和不同相对密度对应的绝对干密度值，可以作为评价筑坝砂砾料碾压质量的评价标准。

图4 最大干密度试验原理图Fig.4 Principle diagram of maximum dry density test

图5 强振碾压后密度桶表面找平Fig.5 Density buckets leveling afterthe strong vibration compaction

Table1Testresultsofmaximumandminimumdrydensityofsoilwithdifferentgradation

含砾量/%最大干密度/(g/cm3)最小干密度/(g/cm3)632.2901.891692.3561.980752.4172.054782.4262.081812.3962.064872.3201.992

图6 大石峡筑坝砂砾料相对密度ρd-P5-Dr三因素图Fig.6 Three factors chart of relative density ρd-P5-Dr of gravel soil of Dashixia dam

从表1和图6可以看出：

1)从总体量值上看，比较工程特性类似土料的室内试验成果[1]，本次现场试验最大干密度测试结果较室内试验要高得多。室内试验受试验设备(密度桶)尺寸和击实设备功能影响，测试结果较实际低得多，若不进行合理的外延处理，难以用于后续原型土料的压实质量评价。现场试验克服了室内试验材料缩尺和击实功能不能反映现场实际的缺点，测试结果更加可靠。

2)砂砾料的最大、最小干密度值，均表现出随着含砾量增加而先增加、后减小的变化趋势，存在有最优含砾量特征值。相同压实功作用下，土料的干密度最大。

3)大石峡筑坝砂砾料压实质量最优含砾量介于平均级配和下平均级配之间，很接近于平均级配线，这表明料场土料主体是处于最优级配附近，坝料质量较好，料源可利用率高。

3 强振碾压对砂砾料颗粒组成特性的影响

对每一个相对密度桶中的砂砾石料，在完成了最大干密度试验后，均对挖出的土料进行颗粒级配分析并与原始试验料级配进行比对，以考察不同级配砂砾料经历强振碾压(最大干密度试验)后级配的变化情况，并用破碎率来表征土料的颗粒破碎情况。可以认为，最小干密度试验对砂砾料的挤压作用很小，不会使得土颗粒发生破碎，造成土料级配的变化。强振碾压(最大干密度试验)前后，不同级配砂砾料的破碎情况如表2所示。

表2强振碾压(最大干密度试验)前后不同级配砂砾料破碎率对比

Table2Comparisonofcrushingrateofgravelsoilwithdifferentgradationbeforeandafterstrongvibrationcompaction(maximumdrydensitytest)

砂砾料特征级配含砾量/% 破碎料/%第一次试验第二次试验平均值/% 上包线63.02.31.82.0上平均线69.01.81.61.7平均线75.01.61.11.4最大值复核78.00.81.11.0下平均线81.02.51.92.2下包线87.02.51,82.2

由表2可知，强振碾压使得砂砾料发生了不同程度的破碎现象。由于试验料碾压以前呈现弱胶结状态，胶结颗粒碾压后易破碎，不同级配土料碾压后细料(粒径小于5 mm土料)增加了1.0%～2.2%，越是偏离最优级配较远的土料，其颗粒破碎越严重。

4 结论

1) 比较室内试验成果，现场试验确定砂砾料最大干密度值有较大提高。

2) 随着含砾量的增加，砂砾料的最大、最小干密度值先增加、后减小，存在压实密度最高的最优含砾量特征值。

3) 强振碾压使得弱胶结砂砾料产生不同程度的颗粒破碎效应，强振碾压后砂砾料中的细粒土显著提升，颗粒破碎的程度和土料的原始级配特性相关联。