砾石土防渗料压实特性
第51卷第8期2020年8月
中南大学学报(自然科学版)
Journal of Central South University (Science and Technology)
V ol.51No.8Aug.2020
砾石土防渗料压实特性
周怡1,2，彭振斌1，何忠明3，尹泉2
(1.中南大学地球科学与信息物理学院，湖南长沙，410083；
2.湖南城市学院土木工程学院，湖南益阳，413000；
3.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410114)
摘要：为了研究砾石土防渗料的压实特性，采用凸碾和冲碾2种方式对室内击实试验筛选的3种不同级配的砾石土(砾石土①、砾石土②和砾石土③)进行大型碾压试验。研究结果表明：3种级配砾石土防渗料压实度均满足压实度大于98%的要求；砾石土防渗料的渗透系数和压缩模量均随砾石粒度低于5mm 的质量
分数增大而减小；当砾石粒度小于5mm 的质量分数分别为45%，50%和55%时，凸碾压实的渗透系数分别为8.58×10−6，6.61×10−6和4.45×10−6cm/s ，渗透系数最大减小幅度达48.2%；冲碾压实的渗透系数分别为7.72×10−6，5.60×10−6和3.30×10−6cm/s ，渗透系数最大减小幅度达57.2%；凸碾压实的压缩模量分别为81.84，77.35和66.95MPa ，压缩模量最大减小幅度为18.2%；冲碾压实的压缩模量分别为84.96，79.52和73.65MPa ，压缩模量最大减小幅度为13.3%。综合分析3种级配砾石土的压实渗透系数和压缩模量，砾石土②为最佳级配选择。
关键词：砾石土；防渗料；压实特性；碾压中图分类号：TU42
文献标志码：A
开放科学(资源服务)标识码(OSID)
文章编号：1672-7207（2020）08-2061-08
Compaction property of gravelly soil as impermeable material
ZHOU Yi 1,2,PENG Zhenbin 1,HE Zhongming 3,YIN Quan 2
(1.School of Geosciences and Info-Physics,Central South University,Changsha 410083,China;
2.School of Civil Engineering,Hunan City University,Yiyang 413000,China;
3.School of Traffic and Transportation Engineering,Changsha University of Science &Technology,
Changsha 410114,China)
Abstract:To study the compaction characteristics of the anti-seepage material of gravelly soil,large-scale compaction tests were designed for three kinds of gravelly avelly soils ①,②and ③,by using convex rolling and impact rolling to test the compaction characteristics of three different graded gravel soils that screened from the laboratory compaction tests.The results show that the compaction of three graded gravelly soils meets the requirement that the compaction is greater than 98%.The permeability coefficient and compression modulus of the gravel soil impervious material decrease with the increase of the mass fraction of fines less than
DOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.08.002
收稿日期：2020−01−10；修回日期：2020−03−12
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51978084)(Project(51978084)supported by the National Natural Science
Foundation of China)
通信作者：周怡，博士，高级工程师，从事地质工程研究；E-mail:
***************
第51卷
中南大学学报(自然科学版)
5mm.When the mass fractions of fine particles less than5mm are45%,50%and55%,the permeability coefficients of convex rolling compaction are8.58×10−6,6.61×10−6and4.45×10−6cm/s,respectively,with the maximun reduction extent of48.2%.The permeability coefficients of impact roller compaction are7.72×10−6, 5.60×10−6and3.30×10−6cm/s respectively with the maximun reduction extent of57.2%.The compression modulus of convex rolling are81.84,77.35and66.95MPa respectively with the maximun reduction extent of 18.2%.The compression modulus of impact roller compaction are84.96,79.52and
73.65MPa respectively with
the maximun reduction extent of13.3%.According to the comprehensive analysis of the compaction permeability coefficient and compression modulus of three graded gravelly soil,gravelly soil②is the best choice.
Key words:gravelly soil;impermeable material;compaction property;roller compacted
砾石土具有压实性好、工后沉降小等优点，应用于高土石坝心墙防渗。由于这种土料颗粒级配范围宽广，且多具有不均匀、不稳定、不连续的特点，其工程性质的研究[1−5]一直是土石坝工程研究者的重点。随着国内外土石坝发展迅速，人们对砾石土作为防渗料进行了大量研究[6−12]，如：陈志波等[6]对不同掺砾量的砾石土进行了击实试验，研究了砾石土在不同粗粒质量分数、不同结构下的压实特性，并对击实作用下颗粒破碎规律进行了分析；饶锡保等[7]结合水布垭工程实际研究了粗粒质量分数对砾石土压实性、渗透性、压缩性、应力应变关系参数的影响，认为砾石土压实性和渗透性除与粗粒质量分数有关外，还与细料特性有关；史新等[8]通过试验探究了土体的细粒质量分数、细粒物理特性、击实功以及颗粒级配等多种因素对渗透系数的影响规律，并提出了以界限含水率和细粒料质量分数为控制指标的宽级配土防渗料的控制标准；高鹏等[9]通过试验研究认为掺砾比为40%的心墙防渗料的变形和强度较高，临界水力梯度最高，掺砾比为30%和40%的心墙防渗料渗透系数更接近规范要求。
由于砾石土具有级配范围广、均匀性差的特殊性，其室内试验与现场压实试验之间的对应关系还不明确，仅仅依靠室内试验结果难以反映实际填筑坝体的工程特性。现行的“土工试验规程”“碾压式土石坝施工规范”等[13−14]都没有明确其质量控制标准。为此，人们对尺寸效应进行了大量研究，如翁厚洋等[15−17]对粗粒料缩尺效应影响因素进行了系列研究，认为缩尺后的试验级配料工程特性与原型级配料工程特性往往存在很大差异；保华富等[18]认为对于相同P5(即粒径大于5mm的颗粒)质量分数和相同击实功能，增大试验仪器尺寸可提高砾石土的最大干密度，特别是当P5质量分数较高时更明显，反映了土料级配缩尺效应的影响。虽然人们积累了很多相关土石坝施工经验，但由于土的种类等千差万别，研究结果缺乏可比性，因此，在当前实际工程状况下，一些重大的水电站大坝[9,11−12,19]填筑工程依然需要通过现场碾压试验[20−23]来论证根据室内试验成果确定的土料控制标准在当前施工水平和工艺条件下的可靠性。本文作者围绕土料的压实性以及渗透性问题，在室内试验基础上选出具有代表性的砾石土防料进行现场碾压试验，在碾压过程中进行含水率试验、灌砂法密度试验、双环垂直渗透试验和取样压缩试验，探究不同碾压方式下不同级配砾石土的压实度、渗透系数和压缩模量等压实特性，选出砾石土最优级配及其对应的碾压参数，以便为其他类似土石坝工程设计提供借鉴。
1试验材料
试验采用由室内试验结果筛选出具有代表性的3组不同级配土料进行现场碾压试验。土样颗粒级配组成见表1。表1中，土样中颗粒粒径均小于60mm，其中粒径小于5mm的颗粒质量分数为45%~55%，依
据SL234—2001“碾压式土石坝设计规范”，土样命名为砾石土。
利用重型击实仪通过对不同含水率的土体进行标准击实，测定各种状态下土的含水率与干密度的关系，见图1。由图1得出3种级配土料(砾石土①、砾石土②和砾石土③)的最大干密度和最优含水率。
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第8期
周怡，等：砾石土防渗料压实特性
2碾压实验方案
采用18t 振动凸块碾进退错距法和25kJ 三边
轮冲击碾回转法进行碾压，最后采用Z18光轮机平碾1遍，试验选取碾压参数，如表2所示。
结合砾石土防渗料特点和试验目的，分A 区和B 区进行碾压实验，分别采用2种碾压方式对3种不同级配砾石土进行试验。碾压试验共设试验条块数6个，在每个试验条块分层压实土体进行现场密度试验、含水率试验、渗透试验、压缩试验，分别在每一次碾压后对各层土进行上述试验，每种试验各进行3次，在允许误差范围内取各指标的算术平均值，若指标算术平均值超过允许值则补做1组。试验单元共432组，现场碾压试验分区如图2所示。
3
碾压试验结果与分析
对于砾石土心墙而言，重点考察的指标为压
实度、渗透系数和压缩模量，故选这3种指标进行试验研究。3.1压实度
砾石土的压实效果直接影响土石坝的变形和稳定，同时影响土料的防渗性能，而现场干密度是控制压实度是否满足设计要求的最直接指标。本次采用灌砂法现场进行干密度试验，对3种不同级配砾石土的含水率ωf 和密实度进行检测，计算土料干密度ρdf ，再由干密度ρdf 与现场取样进行室内击实试验所得最大干密度ρdmax 的比值求出压实度，不同碾压条件下压实度见表3~5。
从表3~5可知：整体上看，各级配砾石土在凸碾和冲碾试验中压实度均在98%以上，满足碾压土石坝对压实度的要求；砾石土①凸碾含水率为6.7%~7.7%，冲碾含水率为6.5%~7.5%；砾石土②凸碾含水率为7.1%~8.0%，冲碾含水率为6.7%~7.8%；砾石土③凸碾含水率为7.4%~8.3%，冲碾含水率为7.2%~8.3%。3种砾石土含水率均在最优含
表1
土料颗粒级配组成(质量分数)
Table 1Grading compositions of soil particles %
粒径/mm 60.00040.00020.00010.0005.0002.0000.5000.2500.0750.005
砾石土①10090705545352826239
砾石土②10092746150382924208
砾石土③
1009478675541302417
7
图1
不同级配砾石土的干密度(ρd )与水质量分数ω
的关系
Fig.1Relationship between dry density and water mass
fraction with different gradation gravelly soils
表2
碾压试验主要参数
Table 2Main parameters of rolling test
碾压参数铺料厚度/cm 碾压数/遍碾压速度/(km·h −1)
含水率/%
凸碾(A 区)
408凸+1平2～3ωop ±1%
冲碾(B 区)
4020冲+1平10～12ωop ±1%
注：“8凸+1平”表示振动凸块碾石碾压8遍+光轮机平碾1遍；
“20冲+1平”表示冲击碾碾压20遍+光轮机平碾1遍；ωop
为最优含水率。
图2现场碾压试验分区Fig.2
Field rolling test area
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第51卷中南大学学报(自然科学版)
水率ω
op
±1%范围内，说明现场含水率控制得当。
从表3~5还可看出：各砾石土分层碾压测出的压实度非常接近，上下层之间差别甚小，其原因可能是土料颗粒级配组成良好，土体中细颗粒将大颗粒中的孔隙填满，土体颗粒之间的距离接近于双电层的厚度[24]。由于双电层的斥力作用，难以进一步压实，因此，土体孔隙结构、压实度趋于稳定。3.2渗
透系数
作为防渗料，在保证压实度的同时，其渗透性也必须得到保证，防止管涌等情况发生，“碾压式土石坝设计规范”对砾石土防渗料渗透系数的要求小于1.0×10−5cm/s。采用双环法进行现场垂直渗透试验，加水后测量渗透速度，当渗透稳定后，在1h内测量渗入量5～6次，计算平均渗透系数。3种不同级配砾石土在凸碾和冲碾振动压实后的渗透系数试验结果见图3和图4。
表3砾石土①压实度检测结果Table3Compaction test results of gravel soil①
累计铺土厚度/cm
40
80
120测试层
1①
2①
2②
3①
3②
3③
凸碾(A区)
含水率
ω
f
/%
7.5
7.6
7.1
7.7
6.9
6.7
干密度ρ
df
/
(g·cm−3)
2.11
2.13
2.13
2.11
2.13
2.13
最大干密度
ρ
dmax
/(g·cm−3)
2.15
2.15
2.15
2.15
2.15
2.15
压实度
0.98
0.99
0.99
0.98
0.99
0.99
冲碾(B区)
含水率
ω
f
/%
7.4
7.8
6.9
7.5
6.6
6.5
干密度ρ
df
/
(g·cm−3)
2.13
2.13
2.15
2.13
2.15
2.17
最大干密度
ρ
dmax
/(g·cm−3)
2.17
2.17
2.17
2.17
2.17
2.17
压实度
0.98
0.98
0.99
0.98
0.99
1.00
表4砾石土②压实度检测结果
Table4Compaction test results of gravel soil②
累计铺土厚度/cm
40
80
120测试层
1①
2①
2②
3①
3②
3③
凸碾(A区)
含水率
ω
f
/%
7.8
8.0
6.8
7.9
7.2
7.1
干密度ρ
df
/
(g·cm−3)
2.06
2.08
2.07
2.06
2.08
2.08
最大干密度
ρ
dmax
/(g·cm−3)
2.10
2.10
2.10
2.10
2.10
2.10
压实度
0.98
0.99
0.99
0.98
0.99
0.99
冲碾(B区)
含水率
ω
f
/%
7.5
7.8
6.9
7.2
6.8
6.7
干密度ρ
df
/
(g·cm−3)
2.08
2.1
2.1
2.08
2.1
2.11
最大干密度
ρ
dmax
/(g·cm−3)
2.12
2.12
2.12
2.12
2.12
2.12
压实度
0.98
0.99
0.99
0.98
0.99
0.99
表5砾石土③压实度检测结果
Table5Compaction test results of gravel soil③
累计铺土厚度/cm
40
80
120测试层
1①
2①
2②
3①
3②
3③
凸碾(A区)
含水率
ω
f
/%
8.3
8.0
7.4
7.9
7.6
7.5
干密度ρ
df
/
(g·cm−3)
2.05
2.05
2.07
2.05
2.07
2.07
最大干密度
ρ
dmax
/(g·cm−3)
2.09
2.09
2.09
2.09
2.09
2.09
压实度
0.98
0.98
0.99
0.98
0.99
0.99
冲碾(B区)
含水率
ω
f
/%
8.2
7.9
7.7
8.3
7.3
7.2
干密度ρ
df
/
(g·cm−3)
2.06
2.08
2.06
2.06
2.08
2.09
最大干密度
ρ
dmax
/(g·cm−3)
2.10
2.10
2.10
2.10
2.10
2.10
压实度
0.98
0.99
0.98
0.98
0.99
1.00
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第8期
周怡，等：砾石土防渗料压实特性
从图3可以看出：砾石土①的渗透系数为9.37×10−6～9.56×10−6cm/s ，最上层渗透系数分别为9.37×10−6，9.56×10−6和9.37×10−6cm/s ，第二层渗透系数为8.67×10−6和8.50×10−6cm/s ，最下层渗透系数为8.40×10−6cm/s ，下层土渗透系数比上层土的小，减小幅度达到10%以上，而相同土层检测的渗透系数相近，相对幅值不超过5%；第二层渗透系数与底层土的渗透系数几乎一致，相对幅值不超过1%。由此可见，第二层土为相对稳定层，故本实验中取第二层土的渗透系数算术平均值来表征该级配的渗透性能，从而得出砾石土①的渗透系数为8.58×10−6cm/s 。类似地，可得砾石土②的渗透
系数为6.61×10−6cm/s ，砾石土③的渗透系数为4.45×10−6cm/s 。从图4同理得出冲碾试验中砾石土①的渗透系数为7.72×10−6cm/s ，砾石土②的渗透系数为5.60×10−6cm/s ，砾石土③的渗透系数为
3.30×10−6cm/s 。由试验结果可知，渗透系数随砾石土粒度中小于5mm 颗粒质量分数的增加而减小，砾石土细粒质量分数由45%增加到55%，凸碾试验渗透系数由8.58×10−6cm/s 减小至
4.45×10−6cm/s ，减小幅值为48.2%，冲碾试验渗透系数由7.72×10−6cm/s 减小至3.30×10−6cm/s ，减小幅值为57.2%，但均未出现数量级变化。这是因为砾质土随颗粒质量分数变化呈现出悬浮−密实、密实−骨架和骨架−空隙3种不同结构，不同颗粒结构表现出不同的压实特性。本试验所选细粒质量分数为45%~55%的砾石土结构为密实−骨架结构，孔
隙比维持在较高值。细粒质量分数越高，孔隙的孔径会越小，渗流路径不如骨架孔隙结构通畅，而是变得迂回曲折，所以，当细粒质量分数增加、粗粒质量分数减小时，土体渗透系数有所增大，但不会呈数量级增大。
对比图3和图4还可发现：同一砾石土由于碾压方式不同，所得渗透系数出现一定差异，同一级配砾石土凸碾渗透系数整体上大于冲碾渗透系数。例如，砾石土①凸碾渗透系数为8.58×10−6cm/s ，冲碾渗透系数为7.72×10−6cm/s ，相对差为10%；砾石土②凸碾渗透系数为6.61×10−6cm/s ，冲碾渗透系数为5.60×10−6cm/s ，相对差为15%。究其原因是影响砾石土渗透系数的因素除了土料性质和土料结构
之外，压实设备也有很大影响，主要包括压实设备的振动频率、激振力等。试验中采用的2种设备中，冲碾速度为10～12km/s ，比凸碾速度2～3km/s 高4～5倍。速度越快，振动频率越高，作用能越大，颗粒压实更紧密，进而使得渗透系数更小。综合上述分析，本试验中对砾石土渗透系数而言，采用冲碾压实的砾石土③渗透系数最小。3.3
压缩模量
采取现场取样进行快速固结压缩试验，由固结压缩试验得到的压缩性指标主要有压缩系数和压缩模量等。压缩系数是评价土体压缩性的主要参数，压缩模量则用于计算沉降，是评价防渗料力学性质的重要指标。本次试验检测结果如图5和图6所示。
土加于在0.1~0.2MPa 压强下，砾石土的压缩模量E S1−2一般都在50MPa 以上，压缩性较低，这是由砾石土的颗粒组成决定的。由图5
可看出：砾石土
图3
凸碾渗透试验结果
Fig.3
Penetration test results of convex
roller
图4
冲碾渗透试验结果
Fig.4
Penetration test results of impact roller
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