2.3　技施阶段砾石土碾压试验研究

2.3.1　试验使用的土料选取

试验使用的土料取料位置是在分析以往勘察试验资料并结合复勘结果的基础上，经业主、设计、监理与试验中心共同选定的。对Ⅰ区洪积亚区选取了两个取料点（取样点1号和2号），对Ⅰ区坡洪积亚区选取了1个取料点。

Ⅰ区洪积亚区所选的1号试验取样点实测全料颗分结果表明：大于80mm的颗粒含量约为10%，P5含量为58%；使用调整后的条栅筛筛分后，实测颗分结果：大于80mm的颗粒含量约在3.3%～3.4%之间，P5含量在59%～60%之间；勘察设计阶段提出的级配曲线经剔除大于80mm的颗粒后，P5含量在35%～67%之间，平均为51%。试筛级配曲线略偏下于平均级配曲线。

碾压试验1号取料点剔除80mm粒径后的碾前颗粒分析表明：P5含量在45%～59%之间，大部分的P5含量位于设计平均级配线略偏上处；试验场地所测P5含量在36%～63%之间，A区平均值为48%，B区碾前平均值51%、碾后43%，小于0.075mm的含量在8%～25%之间，在设计级配包络线范围内，并接近于平均级配曲线；其全料的含水量也高于全料重型击实试验后修正的最优含水量1%～2%。1号取料点剔除150mm粒径后土料的P5含量比相应剔除80mm粒径后土料的P5含量高约5%左右，相应的小于0.075mm的含量也有所减小，平均含量少4%，对防渗不利。

碾压试验2号取料点剔除80mm粒径后的所测P5含量在39%～65%之间，其平均值为52%，小于0.075mm的含量在12%～23%之间，P5含量略高于设计级配曲线；其全料的含水量也普遍高于全料重型击实试验所得最优含水量1%～2%。

Ⅰ区坡洪积亚区所选的试验取土坑实测全料颗分结果表明：大于80mm的颗粒含量约为8%，P5含量为68%；使用调整后的条栅筛筛分后，大于80mm的颗粒含量约小于5%之间，P5含量为45%～59%；勘察设计阶段提出的级配曲线剔除大于80mm的颗粒后，P5含量在42%～58%之间，平均为55%。

Ⅰ区坡洪积亚区试筛后的实测级配在设计级配下包线偏下侧，比原来碾压试验的试验土料取样要求更粗一些。从完成的剔除80mm的A9条块的试验情况来看，Ⅰ区坡洪积亚区剔除大于80mm的颗粒后，P5含量为44%～58%，平均为51%。与设计的平均级配曲线比较接近。

2.3.2　试验准备工作

2.3.2.1　砾石土料开采与筛分

碾压试验砾石土料来源于黑马Ⅰ区洪积亚区和坡积洪积亚区共3个取料点。其中洪积亚区包括1号和2号两个采样点，坡洪积亚区1个采样点。

各取样点在取样前要清除耕植土剥离层，采用反铲立采开挖，一次开挖到有效取土层底面，当取样厚度超过6m时，应采用两台反铲立采开挖掺合。所有开采料全部运至条筛过筛后再运至试验场铺土或集料场进行含水量调整和掺合黏土。

2.3.2.2　试验砾石土料含水量调整

若其全料的天然含水量与相应碾压场次要求的碾压含水量接近（±1%），则直接铺料整平后进行碾压。若其含水量低于相应碾压场次的含水率，则调整含水量到符合设计指标（按体积法进行调整）。若其含水量高于相应碾压场次的含水量，则在试验场或含水量调整场进行堆放晾晒。

2.3.2.3　铺土与碾压

碾压试验中，采用20t自卸汽车运土，A区第一层至第三层和B区均采用后退法卸料，第四层复核试验均采用进占法进料，推土机粗平，人工精平。

A区碾压机具包括25t自行式振动平碾碾压机和18t自行式振动凸块碾压机，振动平碾、振动凸块碾均采用进退错距法进行碾压，行车速度2～3km/h，相邻碾迹的搭接宽度不小于碾宽的1/10。B区主要采用25t自行式三边轮和五边轮冲击碾碾压，采用转圈法进行碾压，行车速度11～16km/h。对冲击碾缓冲区待冲击碾完成后采用振动凸块碾碾压处理。

2.3.3　振动凸碾碾压试验成果分析

2.3.3.1　试验内容

振动凸块碾进行的试验工作量及试验内容见表2.34。

2.3.3.2　颗分试验成果

颗分试验采用筛分法，由3道程序组成，40mm以上粒径在现场挖坑称重时分级过筛；1～40mm颗粒之间的筛分则从现场取样在室内烘干碾碎后分级过筛；0.075～1mm之间的颗粒筛分采用干筛和水筛两种方法进行，大部分采用干筛，少部采用洗筛法；0.075mm以下的颗分均采用比重计法。洪积亚区砾石土及其掺和料颗分试验级配曲线特征粒径含量统计见表2.35、表2.36和图2.18。

颗分试验试验成果表明：

（1）洪积亚区1号采样点砾石土①（剔除80mm以上粒径）的平均P5含量较设计平均值低，砾石土②（剔除150mm以上粒径）和2号采样点的平均P5含量约高于设计平均值，但两采样点小于0.075mm颗粒含量较设计平均值低3%～14%，存在一定差距。

（2）洪积亚区2号采样点砾石土掺15%黏土后，P5含量减小，细粒含量增大。

2.3.3.3　含水率、密度试验及压实性

全料含水量计算涉及两部分含水量，以40mm为分界点，烘干法实测的是40mm以下土料的含水量，40mm以上砾石的含水量按岩性及细料含水状态取2%～3%，二者根据各自所占比例加权平均得到全料含水量。密度试验成果包括全料干密度和细料干密度，其中全料干密度是采用挖坑法实测得到的，而细料干密度则是根据P5含量和土料比重换算得到的。干密度与碾压遍数的关系以及干密度与铺土厚度的关系分别见图2.19和图2.20。主要试验成果见表2.37和表2.38。

以上试验成果表明：

（1）干密度随碾压遍次的增加有增大趋势，铺土30～40cm时，碾压6～8遍时干密度最大、铺土50cm时碾压10遍时干密度最大，干密度随铺土厚度的增加而减小。

（2）黑马Ⅰ区洪积亚区砾石土①（剔除80mm以上粒径）的全料含水量高于相应修正普氏标准击实最优含水量1%～2%时，铺土厚30～40cm、碾压8遍时其压实度和垂直渗透系数均满足设计要求；铺土厚50cm、碾压10遍以上的全料和细料压实度基本能满足设计要求，但渗透系数离散性较大，不满足设计要求。

（3）洪积亚区砾石土②的全料含水量与相应级配修正普氏标准击实最优含水量相当时，铺土厚30～40cm、碾压6～8遍的全料压实度满足设计要求，细料压实度和渗透系数不满足设计要求。

（4）洪积亚区2号采样点砾石土掺15%黏土后，P5含量有所下降，渗透性略有改善但不明显。垂直渗透系数不能完全满足设计要求，水平渗透系数均在10－5数量级，也不满足设计要求。由于砾石土和黏土受碾压功能不协调，难以掺和均匀，如果掺合不均匀，反而影响其压实性和防渗性。

（5）砾石土③（坡洪积亚区砾石土剔除80mm以上粒径），其细料压实度和渗透系数均不满足设计要求，说明该种土料不能单独作为心墙防渗料使用。掺合15%～20%黏土后，全料的含水量与相应级配修正普氏标准击实最优含水量接近时，铺土厚30cm、18t振动凸块碾碾压6遍以上和铺土厚40cm、18t振动凸块碾碾压8遍以上的压实度和渗透系数均不能完全满足设计要求；掺合25%黏土后，全料的含水量高于相应级配修正普氏标准击实最优含水量1%左右时，铺土厚30cm、碾6遍以上和铺土厚40cm、碾8遍以上的全料压实度满足设计要求，与掺合20%黏土的坡洪积土相比，渗透系数得到进一步的改善，更接近设计要求。

2.3.3.4　沉降观测成果

每个条块的沉降观测布置6个测点，检测沉降的碾压遍次为2遍、4遍、6遍、8遍、10遍、12遍。部分试验条块碾压遍数与沉降关系见图2.21和图2.22。观测成果表明：

（1）砾石土①（A3～A5、A10～A11）各条块的沉降率在15%～26%之间；从沉降曲线看，铺土厚度30cm，碾压遍次6遍时，含水率高的沉降曲线首先出现反弹，在碾压8遍时都出现不同程度的反弹，铺土厚度40cm，碾压8遍时，都出现了反弹，而铺土厚度达到50cm时，碾压至12遍都没有出现反弹。

（2）砾石土②两条块的沉降率在20%～22%之间；铺土30～40cm、碾压6～8遍时均出现反弹迹象。

（3）掺合料③（洪积亚区土过筛80mm掺15%管家山黏土）和掺合料④（洪积亚区土过筛150mm掺15%管家山黏土）的沉降率在19%～31%之间；含水率相对较低的条块在碾压8遍后出现反弹，而含水量较高条块的沉降量随碾压遍次的增加渐渐收敛。

（4）砾石土③（坡积土剔除80mm以上粒径）在碾压6～10遍时沉降量保持增大趋势。掺15%～25%黏土后，铺土30～40cm的沉降率在20%～31%之间。

2.3.3.5　渗透试验成果

A区共完成双环渗透试验104组、水平渗透48组，主要试验成果见表2.39～表2.40，双环渗透系数合格率统计见表2.41。试验成果表明：

（1）砾石土①的碾压后渗透性最好，砾石土②由于剔除粒径增大，P5含量增加，土料不均性增大，试验成果离散性很大，土料防渗性能有所下降；掺和料防渗性能改善效果不明显，反倒不均匀性增强。

（2）洪积亚区土料及其掺合料在一定的碾压参数控制下，渗透系数均可达到小于1.0× 10－5cm/s，但数据比较离散。且铺土厚度越厚，碾压效果越不均匀；含水量越不均匀，碾压效果也越不均匀；且渗透系数的空间变异性也越大；过筛150mm的土料较过筛80mm的土料试验成果更离散。选择合适的碾压参数（铺土30cm、40cm，碾压8遍），控制好含水量和级配，可提高碾压效果的均匀性；其中复核试验中渗透系数小于1.0×10－5cm/s的比例大大提高。

原状样室内水平渗透变形试验表明，洪积亚区砾石土及其掺合料的渗透变形形式一般都是过渡型和流土型破坏。

（3）砾石土③的渗透系数为10－4cm/s量级，渗透变形形式为管涌，且临界比降和破坏比降较小，不宜单独做心墙防渗料使用。掺合管家山黏土料后渗透性显著减小，且随着掺合黏土比例的增加渗透系数逐渐减小，渗透稳定性也显著增强，渗透变形形式为过渡型，临界比降和破坏比降增大。但掺合料试验成果有很大的离散性，表明掺合料不均匀；铺土越厚时，试验数据就越易出现不均匀性。铺厚30cm更易于碾压均匀，提高土料的防渗性能；碾压8遍时，除去个别异常较大点外，大部分数据均小于1.0×10－5cm/s。

2.3.4　试验综合评价与建议

2.3.4.1　对心墙砾石土料的综合评价

（1）从大量的击实试验成果可见：黑马Ⅰ区洪积亚区和坡洪积亚区砾石土料有较好的压实性能；洪积亚区砾石土在修正普氏击实标准下，当P5含量在30%～60%范围时，最优含水量的范围为5.3%～6.5%，最大干密度为2.30～2.38g/cm3；坡洪积亚区砾石土在相同的P5含量下，其最大干密度更高，最优含水量有所降低，当P5含量在65%时，最优含水量为4.5%，最大干密度为2.46g/cm3。室内渗透试验表明，洪积亚区砾石土料压实后的渗透系数均满足小于1×10－5cm/s的设计要求，坡洪积亚区砾石土料压实后的渗透系数在10－4cm/s量级，不能满足小于1×10－5cm/s的设计要求，洪积亚区砾石土料经超径剔除后可作防渗料使用，坡洪积亚区砾石土料不能单独作为防渗料使用。

（2）从黑马Ⅰ区洪积亚区的两个碾压试验取样点开挖掌子面的土料情况来看，地表以下2m左右范围内细料含量偏低，特别是含泥量偏低，土层中夹有厚度不等的粉质黏土层，通过立采并经筛分剔除后，土料得可以得有效掺合，掺合后的渗透性满足设计要求。

（3）从剔除150mm以上粒径和剔除80mm以上粒径的黑马Ⅰ区洪积亚区土料的比较试验成果来看，铺土厚度为30cm、40cm时，使用18t振动凸块碾碾压，剔除150mm以上粒径后的土料比剔除80mm以上粒径的土料更难保证其渗透性的均匀性，降低了渗透性指标的合格率。对于使用18t振动凸块碾作为碾压机具时，只能采用剔除80mm以上粒径后的土料进行铺土碾压。

对于铺土厚度为60cm，剔除150mm以上粒径和剔除80mm以上粒径的黑马Ⅰ区洪积亚区土料，使用冲击碾碾压后两者的渗透性指标均满足设计要求，没有实质性的差异。

（4）当黑马Ⅰ区洪积亚区砾石土的全料含水量比其重型击实标准最优含水量高1%～2%时，使用18t振动凸块碾碾压易于压实均匀，且现场检测渗透性指标基本满足设计要求；当黑马Ⅰ区洪积亚区砾石土的全料含水量高于其重型击实标准最优含水量2%时，使用18t振动凸块碾碾压虽然没有明显的反弹现象，双环渗透系数满足设计要求，但压实度难以满足设计要求。当黑马Ⅰ区洪积亚区砾石土的全料含水量低于其重型击实标准最优含水量加1%时，使用18t振动凸块碾虽然其压实度能够满足设计要求，但难以压实均匀，表层松动现象明显。

当黑马Ⅰ区洪积亚区砾石土的全料含水量比其重型击实标准最优含水量高1%～2%时，采用冲击碾碾压时碾压表面出现波峰波谷明显，土体压实效果较差，压实不均匀，表面张拉裂缝明显，回转区更为明显；当土体的全料含水量降至重型击实标准最优含水量－1%至重型击实标准最优含水量＋1%时，采用冲击碾碾压时碾压表面平整，土体压实均匀，检测所得压实度和双环渗透性均满足设计要求，此种情况下使用冲击碾碾压后的检测成果均优于用18t振动凸块碾压后的效果。

（5）黑马Ⅰ区坡洪积亚区砾石土剔除80mm以上粒径后，经18t振动凸块碾和25kJ冲击碾碾压后其渗透性仍不能满足设计要求，不能单独作为防渗料使用。先对其剔除80mm以上粒径后的土料洒水，增加1%～2%的含水量后，再掺入20%（重量比）以上的黏土（含水量接近于其塑限含水量）并掺均匀后用防雨布覆盖24h以上，再碾压后的渗透性能够满足设计要求。掺合料更适合于使用冲击碾碾压。

（6）冲击碾每台班可完成约8000m2的碾压（碾压20遍以上），折合4000m3，振动凸块每台班可完成约4000m2的碾压（碾压8遍），折合1200m3，冲击碾的施工效率约为振动凸块碾的3倍以上。当防渗土料的含水量适中，冲击碾用于防渗料的碾压时在技术上是可行的。对其施工中易出现的表面起伏不平的问题可通过采用三边形压实轮与五边形压实轮配合的方式和蓝派冲击式压实机自带刮平设备来处理；针对部分工作面由于填料含水量非常合适，冲碾后表面光滑平整的问题，一方面在冲碾设备配备刮平机之后，这一问题可以得到缓解，另一方面可以通过在压实轮表面焊接凸块来解决。对于对冲击碾边角及转弯部分，可以在冲碾之后采用凸块碾对转弯处进行碾压，以消除土体扰动现象。对边角处冲击压实机无法压到的地方，可以采用凸块碾增加碾压遍数或采用小型液压夯锤来处理。从冲击碾铺土厚度为60cm的试验条块来以下不同深度（碾压层面以下10～160cm）埋设的土压力计在碾压期间的观测情况看：只要在碾压层面以下达100cm埋设观测设备，不会影响观测设备的正常使用。

（7）坝体堆石料可采用附加质量法进行密度快速检测，洪积亚区砾石土、坡洪积亚区砾石土、坡洪积亚区砾石土掺和料的干密度检测可采用核子密度计。面波法检测填筑土料的干密度还有待进一步验证与研究。

（8）对黑马Ⅰ区洪积亚区砾石土及其掺合料，采用18t振动凸块碾或25kJ冲击碾碾压，碾前碾后5mm以下颗粒的变化量不超过10%，颗粒破碎不明显。

（9）对天然的同种土，只要碾压层的厚度与碾压机具相适应，无论是采用18t振动凸块碾还是25kJ冲击碾的层间结合均较好；对于采用掺合料时，由于掺合料中存在不均匀性，使用18t振动凸块碾碾压后，同种材料中的层间结合比天然同种土的稍差。

2.3.4.2　心墙砾石土碾压施工参数

针对瀑布沟大坝工程的实际情况，并结合碾压试验成果，就碾压试验中使用的18t振动凸块碾和25kJ冲击碾作为心墙砾石土施工机具，提出施工控制参数。

1.关于取料问题

从已开采的洪积亚区1号取样点和2号取样点来看，洪积亚区的土料经过反铲立采开挖装车，并经超径剔除后，土料的级配曲线可在设计包络线内，且接近于平均线。取料时要严格控制取料级配达到这两个取料点的级配要求：P5含量控制在40%～55%之间，小于0.075mm颗粒含量不小于15%，全料的天然含水量一般控制在5.5%～7.5%之间；局部含水量高的土料在开采过程中要充分与含水量偏低的土料搅拌均匀后方可装车。

黑马Ⅰ区坡洪积亚区土料不能单独作为防渗料上坝使用。使用该料必须与黏土掺合，如掺管家山黏土，应保持其含水量与塑限含水量接近，而且在掺合黏土前应对坡洪积亚区土料进行加水处理，黏土的掺量（重量比）不小于20%。

2.关于控制粒径

碾压试验结果表明：使用剔除80mm以上颗粒后的砾石土比使用剔除150mm以上颗粒后的砾石土更易保证其均匀性，建议填筑时防渗料的最大粒径选用80mm。试验过程中筛分采用条筛，当遇到含水量偏高的土料过筛时，生产效率低。施工中采用振动筛，虽然可提高生产效率，但也难免会遇到堵筛问题，建议在料场装车时就应避免大土团上车。对于筛分后P5含量和小于0.075mm颗粒含量不能满足设计要求的，还要适当减小筛径。

3.进料与铺土厚度控制

试验中采用了后退法进料和进占法卸料两种方法进料。用后退法进料施工效率高，但对于填筑时土料的含水量偏高时，易造成碾压好的土层产生剪切破坏给心墙留下质量隐患；进占法卸料的施工效率会有所下降，但有利于质量控制。

对于使用18t振动凸块碾作为碾压机具时，建议前期填筑优先采用进占法卸料，特别是在雨后填筑必须采用进占法卸料。采用D60推土机平土，平土后的厚度以35cm为控制，厚度不允许超过40cm。为了确保铺土厚度在施工过程中受控，建议施工中施工单位增加平地机并配备专职测量控制人员，以提高砾石土料的摊铺效率和压实质量。

25kJ五边轮与三边轮冲击碾适宜于碾压含水量在全料击实最优含水量±1%范围内的砾石土，这样既能保证其压实度满足设计要求，又能获得优良的防渗特性。采用25kJ五边轮与三边轮冲击碾作为碾压机具时，正常情况下可采用后20t自卸汽车退法进料，推土机平土，平土后的土层厚度不允许超过60cm。铺土厚度应有专人控制。使用冲击碾碾压前还应作好回转区的规划，回转区要分两层铺土，在冲展后回转区还需要采用液压夯或振动凸块碾进行补压。

4.碾压参数

18t振动凸块碾，行走速度不超过2km/h，碾压8遍，采用进退错距法碾压，轮迹搭接宽度不宜超过1/10的碾宽。

25kJ五边轮与三边轮冲击碾采用回转法对砾石土进行碾压，轮迹不搭接，采用25kJ五边轮12遍（行走速度14km/h）＋25kJ三边轮3遍（行走速度16km/h）＋五边轮2遍（行走速度14km/h）＋三边轮3遍（行走速度16km/h），共20遍。

5.砾石土料堆存

砾石土料应尽可能边生产边填筑少堆存。堆存后应做好防雨防含水量流失处理。

6.层间结合面处理

当填土表面含水量走失，表面发白或起灰尘时，在下一层铺土前应做好洒水处理。