粘土心墙碾压压实度超百现象浅析

王先忠

（河南省水利勘测有限公司，河南 郑州 450008）

摘  要  河南省出山店水库混合坝型的土坝段采用粘土心墙砂壳坝型，在使用粉质粘土土料进行坝体碾压填筑过程中，共检测压实度4592组，压实度超百组数320组，超百组数约占总检测组数7%，超百百分点多为100.6%，少量101.2%。分析认为，土的指标离散性是碾压压实度超百的根本原因，细粒土的最优含水率约在塑限附近，轻型击实试验指导现场碾压试验。通过现场碾压试验，选定适应市场且适宜的压实机具的技术参数以及碾压遍数、铺土厚度等的施工压实参数，以此对细粒土合理功进行合理分化，以期用细粒土合理功获得最好的密度。

关键词  粘土心墙；压实度;超百；轻型击实试验；碾压试验；指标离散性。

                          中图分类号：P64          文献标志码：A

1工程概况

河南省出山店水库是淮河干流上的大型防洪控制工程，其上游河流长度124km，控制流域面积2900 km²，多年平均流量35.2 m³/s，多年平均年径流11.1亿m³，多年平均悬移质年输砂量73.1万t。是一座以防洪为主、结合供水、灌溉、兼顾发电等综合利用的大型水利枢纽工程，总库容12.51亿m³。水库正常蓄水位为88.0m，汛期限制水位86.0m，死水位84.0m，5年一遇洪水位88.0 m，20年一遇洪水位92.3 m，防洪高水位(p=1%)94.80 m，水库按1000年一遇洪水设计，设计洪水位为95.78m， 10000年一遇洪水校核，校核水位98.12m，大坝型式为混合坝型，主坝轴线长3694.57m，其中土坝段长3265 m，混凝土坝段长429.57m（含连接坝段），坝顶高程100.4m，最大坝高40.6m，迎水面半坡高程91.01m。河南省出山店水库工程为Ⅰ等工程，主坝[土坝段、混凝土坝段（溢流坝段、底孔坝段、电站厂房坝段、南灌溉洞坝段、连接坝段）]、副坝、北灌溉洞等主要建筑物级别1级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物施工围堰及导流明渠为4级建筑物，电站厂房级别为5级。

土坝段坝型为粘土心墙砂壳坝，粘土心墙顶宽4m，边坡比为1:0.5，心墙与上游坝壳料之间铺设水平宽度为3m的反滤料，心墙下游铺设水平宽度为3m的反滤层、水平宽度为2m的排水带、水平宽度为1m的反滤层，上游坝坡采用混凝土连锁块护砌、下游坝坡采用砼预制块护砌。粘土心墙碾压压实度不小于99%控制。

2粘土心墙碾压施工中存在压实度超百现象

出山店水库施工1标采用坝前土料场粉质粘土作为土坝段粘土心墙填筑土料，坝基渗漏问题处理中，坝前500m范围内表层土料作为天然水平铺盖增加渗径的安全储备不予取用，其运距为0.5~1km。勘测期间取土样室内轻型击实试验9组，最大干密度范围为1.65~1.74g/cm³，平均值为1.68 g/cm³；最大含水率范围值为15.7%~20.8%，平均值为18.0%。

粘土心墙土方填筑碾压试验前进行了土料击实试验复核，最大干密度1.71 g/cm³，最大含水率18.2%，压实度按不小于99%控制。

表1  碾压试验区检测数据统计表

现场碾压试验_[1]的目的主要包括检查压实机具的性能是否满足施工要求以及选定合理的铺土厚度、压实方法和碾压遍数等施工压实参数，碾压试验选择20t凸块振动碾为主要压实器具，选择3个试验场区，分别对应不同的含水率（16.2%、18.2%、21.2%）、不同的铺土厚度（30cm、35cm、40cm）和碾压遍数（4、6、8）分别进行试验；3种不同含水率土料、同一铺土厚度、同一碾压遍数的试验组作为一个试验组合，共27个试验组合，试验完成后每个试验组合均取样10点，共270个点。

根据表1综合分析后，粘土心墙土方填筑施工主要采用：铺土厚度为35cm，采用20T的凸块振动碾先静压1遍，再强振振压6遍；振动碾振压时行驶速度不超过4km/h等参数。

施工过程中共检测压实度4592组，合格率为100%，压实度超百组数320组，超百组数约占总检测组数7%，超百百分点多为100.6%，少量101.2%。

3压实度超百原因分析

土是自然界漫长的地质年代内所形成的性质复杂、不均匀、各向异性且随时间不断变化的材料，存在条件的不确知性和参数的不确定性，只能通过勘察查明而又不可能完全查明。我们把物理组成、物理化学状态基本一致，工程性质大体相同的同一层土称为土层。自然界的岩土，即使是同一层，其性质也是有差别的，既有规律性的水平相变和竖向相变，也有无规律的指标离散。由于土性指标的变异性，单个指标不能代表土的工程特性，必须通过统计分析确定其代表性_[2]，所以规范明确规定每一主要土层土样或原位测试不应少于一定组（件）数。

如前所述，勘测期间取土样9组，室内轻型击实试验测得最大干密度为范围值，即：1.65~1.74g/cm³，粘土心墙土方填筑碾压试验所采用的最大干密度为1.71 g/cm³，压实度按不小于99%控制进行碾压，如此，从纯数值理论上看，若粘土心墙土方填筑碾压合格，则必然存在大于1.71而小于1.74的数值的99%比值，即1.72 g/cm³、1.73 g/cm³，若碾压压实度为100%时，则存在1.74 g/cm³。由此可知，若粘土心墙土方填筑碾压合格，从土的指标离散性来讲，土的压实度超百现象的存在是合理的。

综上所述，由于土的指标离散性，工程中所采用的土的最大干密度为代表值，其一般在测试值范围之内，以该代表值99%为控制指标，必然存在大于代表值控制指标的测试值，故土的压实度超百现象_{[3] [4]}的存在是合理的。

4关于土的击实试验

击实试验是研究土的压实性能的基本方法，通过击实试验，确定在什么样的情况下，才能使填土达到最好的密实效果。也即找出在击实作用下，土的干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律_[5]，并考虑击实土的结构、变形能力及强度等特征，从而选定合适的工程需要的填土的干密度和其相应的含水率，以期用较小的能量获得最好的压实密度。

（1）最优含水率估算

细粒土的最优含水率的大小随土的性质而异，试验表明，细粒土的最优含水率约在塑限附近_[6]，约为液限的0.55~0.65倍。在最优含水率时，水膜厚度适中，土粒连接较弱，又不存在多余水分，易于击实，使土粒靠拢而紧密排列，达到最大干密度。

当含水率大于最优含水率时，细粒土结合水膜较厚，虽然土粒易于移动，但多余的水分因其渗透性小不宜排出，产生一定的孔隙水压力，抵消了冲击作用，所需的击实功较大，也因其含水率较高而压实干密度较小，甚至会导致土体在击实过程中被破坏出现“橡皮土”现象；该击实土具有分散结构特征，可塑性大，虽适应变形能力强，但其具有不等向性，且强度低、干密度小。

当含水率小于最优含水率时，细粒土结合水膜较薄，连接牢固，土粒不易移动，所需的击实功较大，所得干密度较大；该击实土常具有凝聚结构的特征，较脆硬，适应变形能力弱，强度较高，但在浸水时容易产生附加沉降从而发生坝体裂缝等危害。

所以，工况下压实细粒土存在浸水过程的水利工程，其土的击实试验应以细粒土的液塑限值估算最优含水率，作为细粒土的击实试验含水率控制基值。

（2）合理功的选择

当细粒土的含水率一定时，击实功较小时，土的干密度随着击实功的增大而迅速增大，以后随着击实功的增大干密度却增加缓慢，当达到一个转折点后，随着击实功的增大干密度呈近于水平线的微增长状态，该转折点对应的击实功称为临界功（如图1所示），用此功击实细粒土能达到较好的效果；用大于临界功的击实功击实时，由于最大干密度增加不多，击实效果不佳。此临界功亦称为合理功。

图1含水率一定时细粒土的干密度与击实功的关系曲线

关于细粒土合理功的选择，各国及各行业标准都规定某一击实功作为击实试验的标准。其中《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）_[7]规定的击实功为591.6 kJ/m³，《土工试验规程》（SL237-1999）_[8]规定的击实功为592.2 kJ/m³，适用于粒径小于5mm的粘性土。

综上所述，本文认为，水利标准《土工试验规程》（SL237-1999）中轻型击实试验所求得的细粒土最大干密度是适宜的，适用于指导水利工程现场碾压试验。

5关于现场碾压试验

振动凸块碾是粘性土碾压实的适用器具_[9]，近几年碾压土石坝粘性土碾压常用的碾压器具为20t振动凸块碾，根据振动凸块碾单位压实功计算公式_[10]（式1），当选定压实器具及其技术参数后，细粒土合理功一定下，确定合理的施工压实参数是碾压试验的目的，以期用较小的能量获得最好的压实密度。

E_s=（2δ_s+δ_k）fAN/(vh)     （式1）

式中：E_s——单位压实功能（tm/m³）；

δ_s——静态线压力（t/m）；

δ_k——动态线压力（t/m）；

f——振动频率（HZ）；A——振幅（m）;

N——累计碾压遍数（4、6、8、10……）；

v——行驶速度（m/s）；

h——压实层厚度（m）。

即：细粒土现场碾压试验是在室内轻型击实指导下，通过选择适应市场且适宜的压实机具以及施工的铺土厚度和碾压遍数等，来对细粒土合理功的一个合理分化。以压实器具技术参数和施工压实参数的形式合理分化后的细粒土合理功进行施工碾压，获得最好的压实密度。

建议碾压器具选择时，可考虑以下原则。

碾压器具：首先，重型碾压器具不等于重型击实，当碾压器具重量加重时，随之调配的是碾压遍数和压实层厚度。碾压器具选择时，第一，不宜过重，防止碾压中造成碾压器具沉陷以及土体被破坏出现“橡皮土”现象；第二，为防止欠压、漏压，碾压遍数不会过度减小，碾压器具过重时，多余的压实功增加的最大干密度却不多，不经济适用。近几年碾压土石坝粘性土碾压常用的碾压器具为20t振动凸块碾。

振频：根据振动原理，当激振频率接近或等于被碾压材料的固有频率时压实效果最强_[11]。98%~100%压实细粒土的固有频率在29~32HZ左右，96%~98%压实细粒土的固有频率在27~29HZ左右_[12]。

振幅：厚度不大的粘性土层，无须适用大振幅，振幅过大，过高的压实能量不会被碾压材料吸收，反而会使已压实的薄层产生松散现象_[11]。

行驶速度：经验粘性土碾压速度一般不超过4km/h，约为0.09f为最佳作业速度。

6结论与建议

通过本文论述，形成以下结论：

1）土的压实度超百现象的存在是合理的，土的指标离散性是碾压压实度超百的根本原因。

2）工况下压实细粒土存在浸水过程的水利工程，其土的击实试验应以细粒土的液塑限值估算最优含水率，作为细粒土的击实试验含水率控制基值。

3）用大于合理功的击实功击实时，由于最大干密度增加不多，击实效果不佳。

4）水利标准《土工试验规程》（SL237-1999）中轻型击实试验所求得的细粒土最大干密度是适宜的，适用于指导水利工程现场碾压试验

5）细粒土的现场碾压试验是把细粒土合理功以压实器具的技术参数和施工压实参数的形式进行合理分化，以细粒土合理功进行施工碾压，获得最好的压实密度。

6）根据合理功原理，重型碾压器具不等于重型击实，随之调配的是碾压遍数和压实层厚度，可以提高生产效率。重型碾压器具的选择原则以不造成器具沉陷及土体破坏为原则。