土石坝坝壳填筑用砂体弃料试验方法研究

土石坝坝壳填筑用砂体弃料试验方法研究

1按料场自然级配确定试样,试验方案制定应根据工程实际情况及试验结果吉林省老龙口邮政站位于芦春河支流，距鹿春市约30公里。该项目重点防洪、供水、灌溉、发电等综合利用。老龙口水利枢纽工程为大(2)型水利枢纽工程,坝型为粘土心墙土石坝,坝壳填筑材料为砂卵砾石(采金弃料)。砂砾料作为填筑材料,具有易开采、好施工、经济等优点,被广泛用于土石坝、堤防建设中。目前砂砾料填筑施工中的压实标准以相对密度控制,施工前先通过试验确定填筑料的最大和最小干密度。确定砂砾料的最大干密度是一个技术难题,现在还没有一个完整、成熟的确定方法。《土工试验规程》(SL237—1999)中规定了粒径小于60mm粗粒土的相对密度试验方法,该方法虽然对大于60mm粒径的土料提出了剔除法、等量代替法、相似级配法、混合法等方法,但规范同时指出这几种处理超径颗粒的方法各有一定局限性,因而规范并未作具体决定,要求在使用时,要根据土料性质和试验项目来决定,同时指出用原级配料进行试验是最理想的,应以反映客观实际情况为原则,按料场的自然级配模拟工程的实际情况合理选择试样,防止由于试样级配选择不当而影响试验结果的可靠性,经工程实践证明,这些方法有不足之处,难以满足工程实际的需要。老龙口水利枢纽工程大坝坝壳填筑用砂砾料为采金弃料,该料含砂较少,砾石粒径在5～400mm之间,60mm以上砾石含量在25%～30%。如按《土工试验规程》(SL237—1999)振动台法进行试验,将剔除60mm以上砾石,试验料缺乏代表性,试验成果偏差较大,也无法满足施工要求。老龙口水利枢纽工程通过各种试验方法测定与现场实际比较,参建各方最终确定采用碾压法——20t振动碾强振20遍,测定砂砾料最大干密度。试样直接由料场选取,从料场不同部位分别选取不同砾石率的试样,砾石级配采用料场自然级配。综上可以看出,对于粗粒料特别是大于60mm粗粒料的试验还没有一种全面、系统、完善的科学方法和规程,而老龙口水利枢纽工程土石坝坝壳料多为上游采金弃料(砂卵砾石),而且其中大于200mm的粒径含量较大,若能通过试验确定这种特殊筑坝材料的试验方法和填筑指标,既能填补这方面的国内空白,核实坝料设计填筑标准的合理性,又能切实指导施工,以确保工程质量。2现场使用的主要实验方法和内容2.1矿渣不均匀系数试验用以研究坝壳料的颗粒组成,应该随干密度检测的同时进行。颗粒组成是土的最重要的性质,因为土的力学性质是由其颗粒组成、颗粒形状、矿物成分所决定的,而颗粒组成是影响土的力学性质的主要因素,土的级配好,则压实性能好,可以得到较高的干密度和较大的抗剪强度,通常认为不均匀系数达到30～100为级配良好的土料。经现场试验,老龙口尾矿渣不均匀系数在3～10之间,因而实时进行适当数量的颗分试验对于了解料场不同部位上坝料的颗粒组成,以及对其力学性质的影响意义重大。本次进行了2组全颗分试验,含沙量分别为5%、4%、5.71%,不均匀系数分别为CU1=d60/d10=52/12=4.3,CU2=d60/d10=60/12=5.0,CU3=d60/d10=33/10.5=3.1,均在3～5之间,CC1=(d30)2/(d10×d60)=262/(12×52)=1.08,CC2=(d30)2/(d10×d60)=252/(12×60)=0.87,CC1=(d30)2/(d10×d60)=17.52/(10.5×33)=0.88,从而可以看出坝壳料不均匀系数极度偏小,曲率系数只有一组在1～3之间,上坝料的级配不连续,属不良级配。2.2试验设计及方法因料场水上部分的砾石含量大多在85%～96%之间,为确保相对密度曲线完整性,在料场人工现配制砂砾石不同比例料,然后上料进行碾压试验,试验场地选择在坝上坝壳料区。坝上采用推土机推料,20t(XSM220型、击振力为350/220kN)自行式振动碾强振缓行压实,根据振动压实理论,强振即低频高振幅振动具有很强的穿透能力,影响深度大,最有利于结构层中间到底层的压实,弱振即高频振动具有较高的能量,一般最有利于结构层中间到表面的密实。振动使被压实材料内产生振动冲击,被压实材料的颗粒在振动冲击的作用下,由静止的初始状态过渡到运动状态,被压实材料之间的摩擦力也由初始的静摩擦状态逐步进入到动摩擦状态。同时,由于材料中水分的离析作用,使材料颗粒的外层包围一层水膜,形成了颗粒运动的润滑剂,为颗粒的运动提供了十分有利的条件。被压实材料颗粒之间在非密实状态下存在许多大小不等的间隙,在振动冲击作用下,其颗粒间的相对位置发生变化出现了相互填充现象,即较大颗粒形成的间隙由较小颗粒来填充,较小颗粒的间隙由水分或空气来填充。被压实材料中的空气含量也在振动冲击过程中减小了,被压实材料颗粒间隙的减小,意味着密实度的增加,颗粒间接触面,导致被压实材料内摩擦阻力增大,意味着其承载能力的提高。(1)在有侧限条件下采用“埋桶法”取得最大干密度,按控制粒径d=300mm,以及粒径比大于等于3～5,径高比大于2的原则,用5mm厚槽钢制作锥形带底铁桶,埋于待压料中,桶内装填工程实际上坝用料,填筑层顶高程高于桶顶20cm。该桶标准体积用灌水法得出。试验中采用实际施工所用推土机推平,用20t自行式振动碾强振16遍,弱振4遍,并在桶上定点振动30s,从而认为桶内干密度为最大干密度,最小干密度采用在该桶内人工松填同一种料求得。本次试验制作的埋桶体积相对较大,搬动、埋设、挖出有很大难度,故本次只埋设2次,目的用以校核。(2)在无侧限条件下采用灌水法取得最大干密度,用原级配料、生产用推土机整平、20t自行式振动碾强振16遍,弱振4遍,铺料厚70cm,在拟进行挖坑取样并做好标记的位置上定点振动30s,试验前曾计划定点振动时间为10min,但实际操作中鉴于本坝壳料的特殊性,振动时间超过30s时,碾轮急剧下沉,周边砂砾料隆起,如再振动则振动碾深陷其中不能自行开出。所有标记点定点振动后整个试验区弱振补压4遍整平,从而认为标记点处的干密度为最大干密度,最小干密度采用桶内人工松填同一种料求得。试验时严格按规范要求进行灌水法操作,保证试坑尺寸符合规范,加设套环采用“二次灌水”保证体积量测精度,同时用上述“埋桶法”埋置于待测坑旁以校核用无侧限条件下取得的最大干密度值。(3)最小干密度测定采用固定体积法,试样筒直径54cm、筒深70cm,试样筒体积157.75L。检测与试坑开挖同时进行,由人工用铁勺将挖出砂砾料分层缓慢均匀地铺填到试样筒内,台秤称量试样重量。进行最大最小干密度试验的同时要进行P5(大于5mm砾石)含量测定,并测定试样的含水率,为得到真实的试样含水率,采用“全料法”烘干。由于上述第一种方法能取得较为理想和较大数值的最大干密度,但因操作难度、投入人力、物力、耗时较第二种方法都大,试验时主要采用第二种方法,但必须用“埋桶法”校核。(4)干密度检测采用灌水法,试坑直径约90cm(同“埋桶法”)、深约70cm。采用人工挖坑,台秤称量,灌水检测试坑体积,从开挖出砂砾料中取样检测含水率和砾石率。现场共检测56点。3干密度的修正最大干密度与最小干密度曲线绘制。以干密度为纵坐标,砾石率为横坐标,绘制干密度与砾石率的关系曲线。本次试验共有56组,数量较多,曲线绘制时根据多数点分布情况绘制平滑的相关曲线,个别点分布离散,绘制曲线时未考虑。由于这些点试验测定无误,其偏差主要由于试坑中超径砾石偏多造成,其干密度结果一并纪录,对以后施工及试验检测有指导作用。根据分析整理后的数据绘制“砂石含量～最大干密度”曲线、“砂石含量～最小干密度”曲线,曲线首先经Excel表自动绘图功能拟合出来,而后经人工进行修正,从而得到相应的最大、最小干密度曲线。手工修正应用最小二乘法,求出各条曲线的数学经验公式,根据手工修正后的28组数据。根据和曲线上不同砾石含量分别对应的最大、最小干密度,按公式ρd=ρdmaxρdmin/[ρdmax-Dr(ρdmax-ρdmin)]计算出Dr=0.75、Dr=0.85的ρd值,最后根据不同相对密度Dr和计算得到的ρd值,绘制出多条“级配～干密度～相对密度”控制曲线,以便现场挖坑取样检查时能够根据实测的砾石含量和干密度值,查出相对密度是否满足要求。式中,Dr为相对密度;ρdmax为最大干密度(g/cm3);ρd为Dr=0.75、0.85时的干密度(g/cm3);ρdmin为最小干密度(g/cm3)。4试验中存在的问题(1)坝壳材料压缩特性的分析通过本次53组有效最大干密度数据统计,平均值为2.19t/m3,碾压20遍。与前一阶段碾压8遍的干密度检验结果比较,其平均值是2.14t/m3,碾压20遍的干密度结果只比碾压8遍的干密度结果提高了2.3%,由此可以看出此种坝壳料的压缩特性偏小。其原因是这种坝壳料的不均匀系数偏小,缺少5mm以下粒径的细颗粒,在碾压振动时颗粒间的相对位置虽然发生变化,出现了相互填充现象,但较大颗粒间形成的间隙没有完全由较小颗粒来填充,而是由较大颗粒搭棚咬合在一起,被压实材料颗粒间隙虽然减小,但不明显,就像把一堆1cm大小的钢珠铺在一块碾压的状态相似,除非将其压碎,否则钢珠的堆积密度和压实密度及其接近。经分析有以下几种原因:①桶的内壁是平的,槽钢与所填砂砾料间形成很多空隙,使孔隙率增大,桶内部填料与桶外部砂砾料之间不能相互填充形成犬牙状分界线。②由于“埋桶”是槽钢制作,桶高60cm,填筑厚度70cm,碾压振动时与振动碾产生共振,使得内部填料未达到密实状态。③“埋桶”体积约为0.75m3,体积偏小。(3)压实干密度与土壤压度的关系鉴于本工程坝壳料的特殊性,并通过对现场施工过程的实际了解,当砂石含量超过80%,采用20t振动碾碾压8遍干密度皆能超过2.05t/m3,而单纯采取相对密度大于0.75作为控制指标,砂石含量在92%～100%之间时,对应的压实干密度超过2.062～1.983t/m3即可满足要求,以砂石含量80%为例,压实干密度超过2.002t/m3即为合格,按70cm铺土厚,实际碾压8遍可以100%超过2.002t/m3,甚至于碾压8遍就可达到,由此可以推断单纯采取相对密度来作为老龙口这种特殊坝壳料的控制指标标准偏低。通过上述最紧状态的孔隙率计算,取坝壳砂砾料的平均密度值2.75t/m3,根据公式n=1-rd/Grw,当压实干密度为2.06t/m3时,孔隙率为25%,一般认为孔隙率在20%～25%之间尚属密实状态,因而建议砾石含量在92%～100%之间时才用相对密度和孔隙率双重标准进行控制。(4)复压和振动处理通常的碾压顺序包括初压、复压、终压3个步骤。初压是为了稳定混合料并使其具有一定的密实度,从而建立较强的承载能力,使大吨位压路机进行复压时不致产生隆起和推移,保证有较好的平整度;复压是混合料密实、稳定、成型的关键工序,主要以振动变频碾压为主,首先采用强振即低频高振幅,使砾料基层的中、下部分密实,之后采用高频低振幅对中、上部进行压实,使上下一致密实;终压主要采用大吨位压路机,以消除轮迹和提高压实度,老龙口土石坝原碾压试验只确定了采用振动碾强振的压实工艺,故建议后期施工应按本补充试验所论述的碾压工艺进行。5关于本试验的影响因素(1)本次试验所选试样具有代表性,从试验成果来看,