塔里木河流域管理局 新疆库尔勒 841000
摘要：粒径大于100mm的粗粒土已被广泛作为大坝的筑坝材料，其相对密度试验方法已录入现有的规范中，但定性的试验参数还有待于进一步研究。本文依托新疆大石峡堆石面板坝工程，在原有原型级配“密度桶法”原理的基础上，针对大粒径粗粒土相对密度试验参数进行研究论证，以解决土石坝以及相似工程中 “最大干密度”试验方法，确定出相对密度试验中的定性参数标准，使这一科技成果进一步推广和应用。
关键词：大粒径粗粒土 试验方法 参数 确定
1、概述
粒径大于100mm粗粒土相对密度试验方法已经纳入NB/T35016-2013规范中，但规范中对于现场试验时振动参数即刚桶高度、碾压遍数、定点振动时间、密度桶尺寸等没有一个定量的参数，结合新疆大石峡工程确定了出相关参数，解决了土石坝以及类似工程中大粒径粗粒土试验技术标准等问题。
2、定性参数研究方法
2.1规范中试样桶的厚度是没有进行试验选择、单一采用14mm，是一个比较保守的厚度。本文通过试验研究，确定密度桶钢板的临界值厚度，确定密度桶钢板厚度的可靠且最小值。试验是采用选择不同厚度的钢板，制作密度桶，用测密度桶壁外侧是否有应变变形、碾压后是否有直观变形，确定密度桶钢板的厚度是否可靠。
2.2规范中试样压实方法是振动碾压24遍，再定点振动压实15分钟。此次试验确定达到最大干密度时的最小压实功能，试验的方法是选择不同的压实功能碾压，确定出密度与压实功能曲线的收敛点，即是达到最大干密度的最小压实功能。
2.3规范中试样的高度是1m，此次试验确定1m的试样高度是否是最佳且合理的试验厚度。试验方法是选择不同厚度的试样，并在试样的底部埋设应力传感器，确定试验高度的合理性。
2.4目前国内大中型土石坝施工中普遍采用的压实设备为20～26吨振动碾，且随着坝高的不断增加和碾压设备的发展，26吨甚至更高吨位的振动碾已被广泛用于现场施工，以往的试验没有用26吨振动碾试验的数据，本次试验采用目前普遍采用的26吨自行式振动碾进行试验研究。
3、室内试验研究
通过室内振动台法试验最大、最小干密度与现场原型级配最大、最小干密度的比较，定量的论证现场大粒径粗粒土试验方法技术标准的科学性。
试验方法参照SL237-1999《土工试验规程》进行。采用与现场试验同一料场的同一种砂卵石料分级筛分，将超过100㎜的超径料剔除，采用等质量替换法按比例缩分处理，按比例配料，人工掺合后松填入试验桶内，测得最小干密度，再在振动台上加配重振动大约8～10分钟，至体积不再变化为止，测得最大干密度。
室内不同砾石含量时最大干密度试验时采用等重量替换法对现场原型级配料进行缩分。试验成果见表1至表3、图1、图2。
表1 室内试验平均颗粒分析试验结果表
图2 室内Pd-P5-Dr三因数相关图
4、 现场试验研究
4.1现场主要从以下几个方面进行研究。
1） 最大、最小干密度试验。用原型级配料，人工虚填法进行最小干密度试验，在不同碾压参数完成后，进行填筑料最大干密度试验。
2）用料选择：现场选择最大粒径不大于400mm、平均级配、砾石含量为76.6%的砂砾料进行现场相关参数试验。
3）密度桶钢板厚度试验
选择五个钢板厚度4mm、6mm、8mm、10mm、12mm，在钢桶外侧上、中、下部位的两侧黏贴应变片，并将应变片引线连接在传感器上；将密度桶埋在试验场内。应变片引线引至地上，连接到检测设备上。通过观察试样在密度桶内碾压时，密度桶侧壁有无直观变形和应变变形确定能满足要求的密度桶的最小钢板厚度。
4）密度桶高度（试样高度）的试验
选择三个筒高40cm、60cm、100cm；二个直径120cm、160cm，在桶底部放置压力传感器，试验用料回填至桶顶。传感器引线引至地面，连接到检测设备上，监测在密度桶不同深度（不同试样高度）时的应力，确定适宜的密度桶高度（试样高度）。
5）最大干密度的最小压实功能试验
用试验确定的高度（试样高度）进行密度桶装样，碾压和定点微动振压相结合的方式做不同压实功能试验，检测不同压实功能情况下的干密度，确定最大干密度的临界最小压实功能。
6）选择桶顶上部三种铺料厚度20cm、25cm、30cm，检测碾压10分钟、15分钟、20分钟后桶顶余料高度，确定密度桶顶部的最佳虚铺厚度。
4.2现场试验
根据目前面板堆石坝和土石坝填筑分区和坝料粒径范围，结合大石峡现场坝料的实际情况，选择最大粒径400mm的砂砾料进行试验研究。
1）坝料碾压前级配试验
坝料现场碾压前颗粒级配分析试验结果见表4。
2）试验场地要求与布置
根据新疆大石峡工程现场实际地形，试验场地选择在大坝下游河床砂砾石上进行。
场地处理：先用试验料在地基上铺压一层，按照《碾压式土石坝施工规范》中要求进行平整和碾压，将这一层作为基层，在其上进行现场试验。试验场地见图5。
3）最小压实功能试验
（1）现场碾压方式选择
采用单纯碾压、单纯碾压与定点碾压相结合的不同碾压方式，观察并记录密度桶内填料不在沉降时所对应的碾压功能，根据密度桶中最大干密度试验结果，确定碾压方式。
表4 现场相对密度桶砂卵石料碾压前后级配变化检测成果汇总表
图4 定点振动碾压时间与干密度关系曲线
根据表5、图3试验结果可以看出，随着碾压遍数增加，干密度值增大，碾压到12遍时干密度趋于平稳，因此选择单纯碾压12遍进行不同时间的定点碾压试验。
定点碾压时间分别为10分钟、15分钟、20分钟。从表6、图4试验结果可以看出，定点碾压15分钟与定点碾压20分钟，砂卵石料的最大干密度值增长0.01 g/cm3～0.02g/cm3，变化甚微。
故碾压12遍、定点振压不小于15分钟即可达最大密实度状态。
4）密度桶钢板厚度选择试验
将直径120cm、高度100cm、厚度分别为4mm、6mm、8mm、10mm、12mm密度桶埋在试验场内，不同位置安装应变片，采用碾压与定点振压相结合的碾压方式，用DH-3820静态应变测试系统进行应变测试。试验的检测结果见表7、图5。
表7 不同钢桶高度、厚度在应力作用下钢桶的变形统计分析
图5 不同钢板厚度、定点碾压时间与应变变相的关系曲线
经表7、图5的分析，在桶高、直径相同，碾压功能相同的情况下，随密度桶钢板厚度的增加，应变片变形在减小，即应变片变形随钢板厚度的增加而减小，从现场试验观察和数据显示：
密度桶钢板厚度4mm、6mm，钢桶在碾压10分钟时顶部变形；当密度桶钢板厚度在8mm时，有一个钢桶在碾压15～20分钟时顶部变形；
桶壁厚度在10mm及以上时，密度桶顶部及周边无变形。
综合考虑各种外界因素影响，钢板厚度不小于10mm时可满足确定压实标准要求的密度桶变形要求。
5）密度桶高度、直径选择试验
不同高度密度桶碾压时的应力采集，采用ZZY- A（量程分别为50kN、100kN） 传感器进行应力测试。测试结果见表8、图6。
（1）密度桶高度确定：根据表9、图6分析，在桶径相同，应力影响深度随桶高的增加而减小（1#、2#、3#桶）。在桶高（传感器放置深度）不大于100cm时，底部压实功能仍能达到10kN以上，且底部碾压后密度桶底部有很明显的挤压痕迹，说明桶深与试验料最大粒径之比不宜小于2且不宜超过100cm密度桶高度确定方案是合理的。
（2）密度桶直径确定：当桶高、桶厚度、桶深度相同，在相同碾压功能下，压强随桶直径（受压面积）的增大而变小，即压实功能同时减弱（6#桶直径160cm），说明试验采用120cm密度桶直径是准确的，密度桶直径采用径径比为3～5是适宜的。
（3）密度桶顶部铺料高度及碾压后余料高度确定是采用以往试验总结的经验，选择桶顶虚铺高度28～30cm，碾压20分钟后余料高度不大于10cm。
（4）砂卵石料密度桶法碾压后各项参数试验成果统计表9。
表9 砂卵石料密度桶法碾压后各项参数试验成果统计表
5.4、对于最大粒径大于500mm的砂砾料、使用此方法确定碾压试验标准时，对径高比、径径比应进行专门的试验研究。
参考文献：
1、《土石筑坝材料碾压试验规程》NBT 35016-2013；
2、《水电水利工程粗粒土试验规程》DL/T5356-2006；
3、《碾压式土石坝施工规范》DLT 5129-2013；
4、《水电水利工程砂砾石料压实质量密度桶法检测技术规程》T/CEC 5001—2016；
论文作者:葛方勇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年2期
论文发表时间:2019/5/14
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