关于试验确定粘土心墙坝粘土料碾压参数的探讨

万运阳

摘要：土石坝的防渗体有很多种类型，心墙坝作为较为广泛被采用的一种坝型，也是全世界水利工程中应用最广泛的水利建筑物，在坝体中部采用渗透系数小的粘性土料作为防渗体的土石坝被称之为粘土心墙坝。在土石坝施工技术的广泛被用于实际工程中，土石坝的安全性与稳定性日渐被关注，如何通过对料源和施工过程的控制来实现合格产品，也逐步被重视，本文将介绍通过试验的方式确定粘土心墙料的碾压参数。

关键词：土石坝工程；粘土施工；碾压参数；粘土

引言

苏丹罗塞雷斯大坝加高项目是继被称为“非洲小三峡”的苏丹麦洛维大坝枢纽工程后的又一重要工程。该项目土石坝填筑压实方1720万m3，其中粘土料约1100万m3，因此通过碾压试验得出的试验参数，对整个项目的施工组织、质量控制和成本控制有着重要的作用。

一、试验简介

通过初步试验发现工程所处地区的粘土容易出现碾压后层间结合不良的情况，为了最终确定粘土料的碾压参数，包括所使用的机械设备、压实方法以及压实参数，并解决层间结合等问题，施工方开展碾压试验。具体为：(1)料场料物开采试验(2)生产效率试验(3)摊铺试验(4)沉降试验(5)碾压层干密度和含水率试验。

二、粘土料开采试验

粘土料的开采试验，采用筑畦灌水的方式进行料物含水率调整，料物含水率调整合适后采用反产立采上坝的开采方式进行料物开采。

2.1、含水率调整试验

筑畦灌水区域取样点含水率测试结果见表1所示，表中共有8个取样点，其中两个点位于灌水前该区域附近取样探坑，灌水浸泡期间取样钻孔两个，浸泡后取样钻孔两个，筑畦灌水区域粘土料取料前取样探坑两个。通过计算，该区域的粘土料最优含水率为19.1%，通过筑畦灌水调整含水率后，粘土料料物含水率在20.3~22.2之间，符合规范要求的料物含水率在OMC+1%~OMC+5%之间。说明筑畦灌水可以成功的解决含水率调整的问题。

2.2、立采开挖和摊铺试验

为了证明立采开挖上坝的开采方式满足质量要求，在开采前严格控制料物含水率，开采过程中反铲立采的产生的大结块将在运输和摊铺过程中破碎，含水率合适的结块是松软的，在碾压过程中并不会影响层间结合。选择碾压试验的第一层作为摊铺试验层并在实验结束后开挖粘土料碾压试验断面检查层间结合。具体参照图片1。立采开挖和摊铺试验证明了反铲立采开挖直接上坝的可行性。

图片1开挖填筑断面检查层间结合

三、试验用粘土料室内试验

在料场进行含水率调整过程中取样进行击实、液塑限和筛分试验。在装料前24小时内取样进行含水测试，在含水测试后2天如未使用完则再取样检测含水率。

3.1、料场料物标准击实试验

在筑畦灌水区域取样进行标准击实试验，采用微波炉和烘箱两种方式进行的标准击实试验。参照试验结果，两种方式试验结果相差很小，对粘土料含水率调整以及碾压后压实度的计算影响极微。

3.2、料场料物含水率测试

碾压试验所用粘土料料物在料场筑畦灌水调整含水率，在使用之前施工方对畦内含水率调整好的料物再次取样检测，检测结果与平均含水率19.1%的差值在+0.5%-+4.9%之间。

试验过程中所使用的粘土料含水率均在规范要求的OMC+1%~OMC+5%范围之间。

3.3、料场料物阿太堡限(LL,PL,PI)

在进行标准普氏击实试验的同时进行了料物阿太堡限试验，取样的样品也是标准普氏击实试验所用料物，来源于筑畦灌水试验区域。试验结果见下附表1所示。

附表1畦内阿太堡限检测数据表

样品编号样品日期AtterbergLimits（阿太堡限）LLPLPIBIA-TP11.19532033BIA-TP21.19541836BIA-TP31.19541737

从试验结果看，IVA料场碾压试验所使用的畦内调整好含水率的粘土料的液限在53到54之间，塑性指数在33到37之间，满足规范规定的LL(50%-80%),LI(25-50).

3.4、粒径分布

在进行碾压试验之前，完成料场筑畦灌水调整含水率之后，对料场粘土料取样进行了筛分室内试验。根据试验数据绘制碾压试验使用的粘土料级配曲线，如下附图1所示。

附图1：碾压试验所使用粘土料级配曲线图

对照附图可知，粘土料碾压试验所使用的粘土料满足合同要求的小于0.075mm颗粒含量大于50%,最大粒径小于30mm。

四、碾压现场样品室内试验

为确保碾压试验试验数据的准确性，在进行碾压试验过程中，针对每一碾压层多次取样进行击实、液塑限和粒径分布试验以验证脏砂料物料堆取样的正确性。

4.1碾压层的标准击实试验

在试验过程中，针对每一层同时进行2组标准普氏击实试验，来对粘土料物的最大干密度和最优含水率进行复核，试验结果见如下附表2。

附表2：试验层标准普氏击实试验数据表

层编号样品日期料源ProctorDryingovenMDD

(g/cc)

OMC

(%)

1TC1(2)-L1.241BorderIrragationArea1.7218.82TC1(2)-L2.2711.6918.83TC1(2)-L3.2811.7016.74TC1(2)-L4.2911.7318.15TC1(2)-L5.3011.6819.9mean1.7018.5

如上附表所列的TC1(2)-L1~TC1(2)-L5使用的料物来源于筑畦灌水调整好含水率的区域，筑畦灌水调整好含水率的区域室内标准普击实试验的平均最大干密度为1.67g/cm3（3.1中试验确定），畦内粘土料平均最优含水率为19.1%（2.1中试验获得）。对比附表2所列数据，碾压层最大干密度与筑畦灌水区域平均最大干密度的最大偏差值为0.06g/cm3，对于碾压层计算压实度其结果相差0.4%；碾压层所检测的平均最优含水率比畦内区域室内标准击实检测的平均最优含水率低了0.6%。

对比3.2：使用前畦内粘土料含水率检测数据表，表中显示粘土料使用前实测平均含水率为21.96%，畦内普氏标准击实实验检测的平均最优含水率为19.1%；碾压层普氏标准击实实验检测的平均最优含水率为18.5%。很明显不论使用畦内普氏标准击实实验检测的平均最优含水率还是碾压层普氏标准击实实验检测的平均最优含水率作为标准，填筑前使用的畦内粘土料含水率满足合同要求的OMC+1%~OMC+5%含水率范围，同时验证了畦内进行含水率调整的可行性。

综上所述，畦内取样进行标准普氏击试验确定的最大干密度值和最优含水率是符合试验规程的。

4.2碾压层阿太堡限试验

在粘土料的碾压试验过程中，针对每一碾压层进行了一组阿太堡限试验，从试验结果可知，碾压层进行的阿太堡限试验最小塑性指数为33，最大塑性指数为44。对比附表3，可知碾压层摊铺后的料物与筑畦灌水试验区域内所取的料物塑性指数值基本匹配。

塑性指数从33变化到44的情况说明料物本身特性变化不大，也说明了施工方建议的立采方式对料物特性变化影响不大，验证了的施工方建议的立采方式的合理性。

4.3碾压层粒径分布试验

在粘土料碾压试验过程中，针对每一试验层的粘土料各进行了一组级配筛分试验检测粘土料的细粒含量，结果详见如下附表3。

附表3：试验层粘土料细粒含量表

层编号样品编号日期料源名称细粒量(%)1TC1(2)-L11.24BorderIrragationArea58.12TC1(2)-L21.2758.43TC1(2)-L31.2855.74TC1(2)-L41.2957.85TC1(2)-L51.3056.9

参照上表并对比附图1可知，每一碾压试验层的粘土料物符合合同要求的细粒含量大于50%，最大粒径小于30mm。

综上所述，可以提前在筑畦灌水区域取样进行标准击实试验、阿太堡限试验，筛分试验以确定料物是否合格、确定最优含水率作为含水率调整控制参数以及确定最大干密度作为压实度计算参数。

五、填筑效率试验

5.1装运摊铺设备效率试验

碾压试验挖装设备采用1台ZX-350H，运输设备采用4台15t自卸汽车，摊铺采用1台SD22型推土机，通过统计得知，在脏砂料施工填筑过程中，该组合生产效率约156m3/h。在试验摊铺过程中，现场反铲、推土机以及自卸汽车基本处于满负荷运转状态。

5.2刨毛设备效率试验

刨毛设备有平地机、推土机改装的刨毛耙，在20m×60m范围内采用推土机刨毛平均耗时51分钟，平地机刨毛平均耗时69分钟。从刨毛效果来看，粘土料碾压试验过程中使用的改装推土机抛锚效果最好。

图片2推土机改装设备刨毛

5.3现场测量沉降效率试验

在碾压试验层摊铺后碾压前和碾压后，对试验层进行标示检测沉降，记录显示，现场测量所用时间几乎都超过一小时。在土石坝填筑过程中，将采用标杆控制层厚，以缩短摊铺至碾压之间的时间来保证含水率尽可能少的损失，从而保证施工质量。对于填筑过程中出现的不均衡上升的情况，建议填筑6层左右进行一次测量来校核调整工作面。

5.4现场碾压效率试验

碾压试验过程中使用的19t振动凸块碾(19t凸块碾碾压参数详见附表4)，原则上其行走速度不大于3km/h，碾压试验过程中也进行了严格的控制，记录了每次碾压所需时间。平均碾压一试验层最少耗时1小时16分钟，每小时碾压一遍的面积为6078m2，根据行程计算可知，在碾压试验过程中19t凸块碾的行走速度为3.0km/h。

附表4：19t凸块碾压机械技术指标表

设备名称性能19t凸块振动碾设备名称性能19t凸块振动碾工作重量（kg）19000低速行驶速度0～6km/h激振频率（HZ）29/31高速行驶速度0～12km/h激振力(高/低)317/231千牛最大爬坡能力(不小于)49%名义振幅(高/低)1.8/1.1mm最大线压力(静)60kg/cm

5.5现场取样效率试验

粘土料现场取样采用环刀法，现场取样平均每取一个试样耗时约5分钟。

六、碾压后含水率和干密度试验

通过碾压后的现场干密度和含水检测结果的分析的碾压试验层所有的取样含水率都在合同规定的OMC+1%~OMC+5%范围内，压实度都大于合同要求的97%，将不同层厚下不同碾压遍数的平均压实度统计，见如下附表5。

附表5：平均压实度统计表

铺料厚度（cm）压实度（%）3035碾压方式（19吨凸块碾）振碾6遍100.5101.9振碾8遍102.2100.5

参照附表5可知：层厚为30cm,采用19t振动凸块碾振动6遍和8遍的试验组合以及采用层厚为35cm,采用19t振动凸块碾振动6遍和8遍的试验组合的平均压实度都大于100%。

在完成碾压试验后，现场开挖探坑检查层间结合，并对所有碾压试验层取样检测含水率粘土料碾压试验完成后各碾压层含水率满足合同规范要求。

综上所述，上述四种碾压组合从压实度和含水率角度来说均为可选用组合。

七、沉降试验

根据粘土料碾压试验方案要求，在碾压试验过程中设置了4mX4m的沉降检测网格，现场进行了标记，并进行了测量。测量结果显示，填筑松铺层厚30cm，19t凸块碾振动碾压6遍沉降值为7.1cm，沉降比例为23.7%；19t凸块碾振动碾压8遍沉降值为8.0cm，沉降比例为26.7%。填筑松铺层厚35cm，19t凸块碾振动碾压6遍沉降值为8.5cm，沉降比例为24.3%；19t凸块碾振动碾压8遍沉降值为8.34cm，沉降比例为23.8%。从沉降值来看，四种碾压平均沉降值为24.6%，而沉降值最接近平均沉降值的组合是：填筑松铺厚度35cm，19t凸块碾振动碾压6遍。

施工方建议采用填筑松铺厚度35cm，19t凸块碾振动碾压6遍的参数组合。

八、总结词

上述第2、第3和第4章节，从料场粘土料室内试验、碾压层粘土料室内试验进行的普氏标准击实试验、阿太堡限试验、级配试验和压实度和含水率检测试验以及料物开采方式等方面对碾压试验所使用料物进行了分析，说明施工方进行粘土料碾压试验使用的粘土料是合格的，进行检测的试验方法也是合理的，在今后的土石坝填筑中将使用与粘土料碾压试验相同的方法进行料物检测和料物准备。

第5、第6和第7章节从碾压试验效率，碾压层沉降数据以及碾压试验层的压实度和含水率检测试验数据进行了分析，选定了摊铺碾压参数。现将粘土料碾压试验成果总结如下：

1、在粘土料开采前采用筑畦灌水方式调整含水率。

2、在筑畦区域内取料进行准击普氏标实试验、级配试验以及天然含水率检测，检测后确定粘土料是否合格，确定畦内粘土料的最大干密度和最优含水率作为施工质量控制指标。在进行准击普氏标实试验过程中建议采用微波炉法。

3、粘土料含水率调整合适后采用反铲立采，自卸汽车运输直接上坝，推土机摊铺，需用改装设备进行刨毛，刨毛面采用水车经常性洒水湿润。

4、摊铺厚度选择35cm，采用标杆控制层厚，填筑6层左右进行一次测量，检测偏差值并进行适量调整。

5、碾压方式采用19t振动凸块碾，振动碾压6遍，行走速度不超过3km/h。

参考文献：

[1]杨荫华.土石料压实和质量控制[M].水利电力出版社，1992.

[2]王贵杰;黄金林;张峰.粘土心墙堆石坝碾压试验技术研究[期刊论文]-混凝土2010(05).

[3]侯庆国，武杏彩.尼尔基水利枢纽工程心墙坝粘性土料压实参数的确定(Ｊ).长春工程学院学报（自然科学版）,2004(2).