堆石坝黏土料心墙工程性能及应用研究

张芳芝

(青海省民和县水利局，青海 民和 810800)

1 概 述

水库在运行过程中所发生的坍塌、失稳事件屡见不鲜，给社会造成的经济损失和人员伤亡不容忽视。为了保证大坝的整体稳定性，提高大坝心墙的施工质量与良好的运行状况尤为重要[1-2]。

大坝心墙通常为填筑施工，而填筑材料的强度与物理特性直接影响心墙的稳定性。接触黏土料作为一种用于土石坝工程中的材料，通常是在易发生应力集中的部位使用，常作为大坝心墙的填筑材料。由于接触黏土料自身较强的可塑性、缓冲性与柔韧性，可以把它视为一种“缓冲剂”去协调变形，尤其可在不同硬度之间的介质中使用[3-4]。正是由于接触黏土料的这种特性，常用于大坝各部位的相接部分，包括心墙与岸坡或者防渗墙的接触面。但是这些部位容易发生较大的剪切变形，随之而来的便是接触黏土料的渗透性会因剪切变形的影响而降低[5-7]。

现有研究多是从大坝心墙破坏原因角度展开分析，缺乏对接触黏土料工程力学性能的试验研究。为了确保接触黏土料的物理力学特性达到工程要求，有必要通过现场试验分析其在上述情况下的渗透稳定性。因此，本文基于现场碾压试验和室内压缩试验，对接触黏土料在堆石坝心墙建设中的应用进行研究。

2 试 验

2.1 试验设计

本次研究旨在通过现场碾压试验，验证黏土料含水率、压实度以及干密度随碾压遍数变化所受到的影响；同时确定设计参数的可行性、准确性，设计方案是否符合规范中的要求；最后根据试验中得到的结果，计算分析数据，确定合适的碾压参数与最佳碾压方法，从而选择恰当的施工设备、碾压遍数、铺料厚度等。

本次接触黏土料现场碾压试验参照碾压试验标准展开[8-9]。试验场地设置在大坝下游围堰，场地长40 m、宽25 m，按25、30、35 cm铺料厚度分为3块，各块均为12 m×12 m，过渡带宽2.5 m，见图1。采用的设备为YZK18自行振动碾，碾击振力为400 kN，碾轮宽度为2.12 m，频率为35 Hz，振幅为1.9 mm，碾压方式为静碾，振动碾压两遍后采用水准仪测量计算沉降量。

图1 黏土料现场碾压场地布置图

2.2 试验流程

2.2.1 物理参数测定

在开始碾压试验前,测定黏土料的各种物理力学性能，结果见表1。

表1 接触黏土料物理参数测定结果

2.2.2 高程测量

为了得到铺料场地的起始高程，采用水准仪测量各测点高程，记录各测点坐标。

2.2.3 铺 料

在此次现场试验中，各场地通过人工撒白灰划分场地，采用自卸车运输，同时采用装载机与人工共用方式进行黏土料铺料。在场地开阔部分，采用装载机使用后退法铺料，在范围偏小、装载机不易行驶的部分，采用人工的方式进行铺料、整平。铺料完成后，在场地四周设置测点，采用全站仪测量铺料顶面高程，以此得到铺料的平均厚度。

2.2.4 含水率测定

在铺料过程中，测量黏土料的含水率，并在碾压试验全程都要监测其含水率的变化。此外，在雨天时要提前在土料上覆盖防水膜，防止土料含水率变化过大。

2.2.5 碾 压

第一场碾压试验中，碾压方式均为静碾，检测项目有含水率和最大干密度，具体情况见表2。根据第一场碾压试验的结果选出最优含水率，第二场试验采用ωop-2%、ωop、ωop+2%进行。

2.2.6 参数测定

测量碾压后的各测点高程，计算铺料的沉降量，同时测量铺料的含水率，计算碾压4、6、8、10次时的干密度。

3 试验结果分析

3.1 室内压缩试验

在实验室中展开土的压缩试验，在试验中对土料施加的最大压力为2.5 MPa。试验结果为：饱和状态下，接触黏土料的压缩模量为5.7 MPa，压缩系数为0.215 MPa-1；天然状态下，接触黏土料的压缩模量为8.6 MPa，压缩系数为0.147 MPa-1。以上结果均在0.1～0.2 MPa的压力条件下所得，根据结果显示，接触黏土料属于中压缩性土。具体试验结果见表2。

表2 室内压缩试验结果

3.2 室内三轴试验

为了研究土料应力与应变之间的关系，在实验室内进行三轴试验，分别采用饱和固结排水剪和饱和固结不排水剪两种方式。在此试验中，围压均保持为200～600 kPa，并由此条件测得土体的有效抗剪强度和总应力抗剪强度，具体结果见表3、表4。

表3 三轴试验结果(饱和固结排水剪)

表4 三轴试验结果(饱和固结不排水剪)

综上室内研究成果可知，天然接触黏土料的压缩模量为8.6 MPa，压缩系数为0.147 MPa-1，且其有效抗剪强度达到73 MPa，能够满足混凝土坝心墙建设要求。

3.3 现场碾压试验

不同碾压厚度(25、30、35 cm)条件下接触黏土料沉降率、压实度和干密度随碾压遍数的关系见图2。

图2 接触黏土料现场碾压试验结果

由图2可知，在碾压厚度相同的条件下，沉降率、压实度与干密度与碾压遍数呈正相关，随着碾压遍数的增长，沉降率、压实度与干密度会增大；而在相同碾压遍数的条件下，这三者均随着碾压厚度的增加而减小；当碾压遍数增大至一定限度后，曲线增长趋势均渐渐平缓。这是因为刚开始土料内部存在大量孔隙，孔隙中存在着大量的水与空气，开始碾压时，孔隙被压缩，空气与水被排出，因此土体体积减小，沉降率、压实度、干密度均随着土骨架的压缩而显著上升；之后随着碾压遍数的增大，土料内大孔隙逐渐消失，剩下的一些小孔隙中气体无法排出，其内的压强过大，无法被土颗粒填满。此外，一些结合水吸附于土颗粒之上，由于黏着性较强，也无法被碾压排出，因此土体的沉降率、压实度、干密度无法进一步增加，导致曲线趋于平缓或者保持水平。

4 结 论

本次研究基于现场碾压试验和室内压缩试验对接触黏土料在堆石坝心墙建设中的应用展开了深入研究，主要结论如下：

1)随着碾压次数的增加，接触粘土料的沉降、干密度及压实度呈现出先快速增长后趋于稳定的变化趋势。当碾压次数大于4次时，不同铺料厚度下接触黏土料均能满足堆石坝心墙设计要求

2)当铺料厚度为30 cm、碾压次数为8次时，接触黏土料工程性能最佳，此时干密度为1.67 g/cm3, 压实度达98.76%。

3)本次研究缺乏实际建设工程应用中的验证，下一步应当投入现场应用并深入探讨。