土石坝土料压实质量控制分析

摘 要： 结合工作经验论述了在水库实际施工中土料压实难控制的实际问题。主要从土料的颗分试验判明土料及击实试验、压实机械的比选等方面对压实度进行全面控制，提高了水库大坝工程质量为今后类似工程提供工程参考资料。

关键词： 水利工程；土料；压实控制；水库

中图分类号： TB

文献标识码： A

文章编号： 16723198（2013）06018402

1 前言

土料的压实是保证土石坝施工质量的关键。由于土是松散颗粒的集合体，其自然的稳定性主要取决于土粒的内摩擦力和凝聚力；而土料的内摩擦力、凝聚力和抗渗性都与土的密实性有关，密实性越大，其物理力学性能就越好。由于土体是三相体，即土体是由固相的土粒、液相的水和气相的空气所组成。通常土粒和水是不会被压缩的，土料压实的实质是将水包裹的土粒挤压填充到土粒间的空隙里，排走空气占有的空间，使土料的空隙率减少，密实度提高。所以，土料压实的过程实际上就是在外力作用下土料的三相重新组合的过程。土料的压实效果，与土料本身的性质、颗粒组成情况、级配特点、含水量大小以及压实功能等有关。一般黏性土料的黏结力较大，摩擦力较小，具有较大的压缩性，但由于其透水性小，排水困难，压缩过程慢，所以很难达到固结压实。而非黏性土料黏结力小，摩擦力大，具有较小的压缩性，但由于透水性大，排水容易，压缩过程快，能很快达到密实。土料颗粒的大小与组成也影响压实效果。颗粒愈细，孔隙比就愈大，所含矿物分散度愈高，愈不容易压实。所以黏性土的压实干表观密度低于非黏性土的压实干表观密度。颗粒不均匀的砂砾料比颗粒均匀的砂砾料达到的干表观密度要大一些。土料的含水量也是影响压实效果的重要因素之一。当压实功能一定时，黏性土的干表观密度随含水量的增加而增大，当含水量增大到某一临界值时，干表观密度达到最大，此时如进一步增加土体含水量，干密度反而减小，此临界含水量值称为土体的最优含水量，即相同压实功能时压实效果最大的含水量。对于每一种土料，在一定的压实功能下，只有在最优含水量范围内，才能获得最大的干表观密度，且压实也较经济。非黏性土料的透水性大，排水容易，不存在最优含水量，故对含水量不作专门控制。压实功能的大小，也影响着土料干表观密度的大小。压实功能增大，干表观密度也随之增大，而最优含水量随之减小。说明同一种土料的最优含水量和最大干表观密度，随压实功能的改变而变化，一般说来，增加压实功能可增加干表观密度，这种特性对于含水量过低或过高的土料更为突出。

2 土料压实方式比选

土料不同其物理力学性质也不相同，因而使之密实的作用外力也不相同。对于黏性土来说，黏性土料的黏结力是主要的，这就要求压实作用外力能够克服其黏结力；对于砂性土料、石渣料、砾石料等非黏性土料，其内摩擦力是主要的，要求压实作用外力能克服颗料间的内摩擦力。不同的压实机械产生的压实作用外力不同，按其作用原理，大体上可以分为碾压、夯击和振动三种基本类型。碾压的作用力是静压力，其大小不随作用时间变化。夯击的作用力为瞬时动力，具有瞬时脉冲作用，其大小随时间和落高而变化。振动的作用力为周期性的重复动力，其大小随时间呈周期性变化，振动周期的长短，随振动频率的大小而变化。常用的土料压实机械有羊脚碾、气胎碾、振动碾和夯实机械等。

（1）气胎碾：气胎碾是一种拖式碾压机械，分单轴和双轴两种.如图所示是单轴气胎碾.单轴气胎碾的主要构造是由装气胎碾载荷载的金属车箱和装在轴上的4～6个充气轮胎组成.碾压时在金属车厢内加载同时将气胎充气至设计压力.为避免气胎损坏，停工时用千斤顶将金属车箱顶起，并把胎内的气放出一些。气胎碾的适应范围广，对黏性土和非黏性土都能压实，在多雨地区或含水量较高的土料更能突出它的优点。其与羊脚碾联合作业效果更佳。

（2）羊脚碾：羊脚碾就是在碾压滚筒表面设有交错排列的截头圆锥体，状如羊脚，仅适用于黏性土的压实。碾压时，羊脚插入土料内部，使羊脚底部土料受到正压力，羊脚四周侧面土料受到挤压力，碾筒转动时，土料受到羊脚的揉搓力，从而使土料层均匀受压。对于非黏性土料，由于土颗粒易产生竖向及侧向移动，故而碾压效果较差。进退错距法。即沿直线前进后退压实，反复行驶，达到要求后错距，重复进行。此种方式压实质量好，遍数好控制，但后退操作不便，适用于狭窄的工作面；回转套压法。即先沿填土一侧开始，逐圈错距以螺旋形开行，逐渐移动进行压实，机械始终前进开行，生产率高，适用于宽阔的工作面，并可多台羊脚碾同时前进工作。但拐角处及错距交叉处易产生重压和漏压。当转弯半径小时，容易引起土层扭曲，产生剪力破坏，在转弯的四角容易漏压质量难以保证。

（3）夯实机械：夯实机械是利用夯实机具的冲击力来压实土料的，既可以用来夯实砂砾土料，也可用来夯实黏性土料，常用的机械有挖掘机夯板和强夯机。挖掘机夯板是一种用起重机械或正向铲挖掘机改装而成的夯实机械。夯板多为圆形或方形，面积约1m2，重量为1～2t，提高高度为3～4m，利用冲击作用对土体进行压实。其主要优点是压实功能大，生产率高，有利于雨期、冬期施工。当石块直径大于500mm时，工效大大降低，压实黏性土料时，表层容易发生剪切破坏。强夯机是由高架起重机和铸铁块或钢筋混凝土块做成的夯砣组成。夯砣的重量一般为10～40t，由起重机提升10～40m高后自由下落冲击土层，影响深度达4～5m。压实效果好，生产率高，用于杂土填方、软基及水下地层。

（4）振动碾：振动碾是一种具有静压和振动双重功能的复合型压实机械，它是由起振柴油机带动碾滚内的偏心轴旋转，通过连接碾面的隔板，将振动力传至碾滚表面，然后以压力波的形式传到土体内部。适用于非黏性土料和黏粒含量、含水量不高的黏性土料的压实。振动碾可以有效地压实堆石体、砂砾料和砾质土，是土坝砂壳、堆石坝碾压必不可少的工具。在振动力的作用下，土中的应力可提高4～5倍，压实层达1m以上，有的高达2m。

3 土料压实质量控制措施

土石料压实得越好，物理力学性能指标就越高，坝体填筑质量就越有保证。但土石料的过分压实，不仅提高了压实费用，而且会产生剪切破坏，反而达不到应有的技术经济效果。因此，应确定合理的压实标准。一般，黏性土的压实标准主要是以压实干表观密度帕和施工含水量这两个指标来控制的；非黏性土料是以相对密度来控制的；而石渣或堆石体则可用孔隙率作为压实指标。

（1）黏性土料：压实干表观密度黏性土料的压实干表观密度常用击实试验来确定。这种方法对大多数黏性土料是合理的、适用的。但是，土料的塑限含水量、黏粒含量不同，对压实度都有一定影响，非黏性土料的压实程度与颗粒级配及压实功能关系密切。

（2）施工含水量：施工含水量是由标准击实条件时的最大干表观密度确定的，但最大干表观密度对应的最优含水量是一个点值。而实际的天然含水量总是在某一范围内变化，为适应施工的要求，必须围绕最优含水量规定一个范围，即含水量的上下限。

（3）相对密度与干袁观密度换算：在现场用相对密度来控制施工质量不太方便，通常将相对密度转换成对应的干表观密度来控制，其大小按非黏性土不同砾石含量，分别确定不同标准。

（4）土料压实参数的确定：在确定土料压实参数前必须对土料场进行充分调查，全面掌握各料场土料的物理力学指标，在此基础上选择具有代表性的料场进行现场试验，作为施工过程的控制参数。当所选料场土性差异较大时，应分别进行碾压试验。如试验不能完全与施工条件吻合，在确定压实标准的合格率时，应略高于设计标准。土料填筑压实参数主要包括碾压机具的重量、含水量、碾压遍数及铺土厚度等，对于振动碾还应包括振动频率及行走速率等。压实试验前，应选择具有代表性的料场，通过理论计算并参照已建类似工程的经验，初选几种碾压机械和拟定几组碾压参数，采用逐步收敛法进行试验。先以室内试验确定的最优含水量进行现场试验。

4 结束语

通过对水库大坝不均匀土料填筑过程的压实控制最大干密度变化范围较大的情况时应根据实据情况查明土料的干密度及组成的变化范围，在土石方填筑施工过程中不易采用一个固定的干密度值进行控制遇到土料场土料分布不均匀合理的确定出切实实际的、有利于工程进展的压实控制指标。根据施工实践经验会随着土料场开采深度的加大而增大但我们的目的是使土料最终的填筑密度均值能达到设计要求。

参考文献

[1] 李朝政，李伟，陈江.苗尾水电站心墙防渗土料压实质量检测方法及控制标准[J].水力发电，2011，（10）：5153.