砂砾料碾压试验报告最终确定

砂砾料碾压试验报告

甘肃省水利水电工程局吉音水利枢纽工程项目部

甘肃科瑞水电工程试验检测有限公司吉音水电枢纽工程

二〇一四年十月十四日

砂砾料碾压试验报告

根据招标文件及合同文件要求，我部于2014年7月下旬开始对维吾尔自治区吉音水利枢纽工程混凝土面板坝工程的填筑砂砾料进行了碾压试验，8月10日已经完成两次碾压试验。为更进一步做好碾压试验工作，论证前两次的碾压试验结果，根据业主及监理的要求，我部于8月16日至8月21日，对砂砾料进行第三次大坝填筑碾压试验工作，现将砂砾料碾压试验成果报告如下：

一、碾压试验目的

1. 核实坝料设计填筑标准的合理性和可行性。

2. 确定达到设计填筑标准的施工方法(包括压实机械类型、机械参数、施工参数等)。

3. 检验所选用的压实机械的适用性及其性能的可靠性。

4. 研究确定坝料填筑工艺，为制定填筑施工实施细则确定依据。

二、引用标准

1. 《土工试验规程》SL237-1999

2. 《水电工程注水试验规程》SL345-2007

3. 《水利水电工程天然建筑材料勘探规程》SL251—2000

三、试验场地的布置

1. 试验区场地选择

此次碾压试验场地选择在坝后左侧的砂砾石原基上，试验区场地使用“山推SD32”推土机进行整平，用水准仪进行测量控制平整度，确保试验区场地平整。然后使用22t自行式振动碾进行基础压实，碾压12遍后，划分碾压试验区域。

2. 试验区划分

此次碾压试验区划分为两个试验区，主要是对自行式和拖式振动碾碾压结果进行对比试验，每一区分别振动碾压6遍、8遍、10遍。每区范围为13×40m（碾压方向长40m）。在每个试验区布置2×2m的方格网，并用全站仪测定各方格网点的座标及高程，作为铺料厚度的控制基准。试验场地布置详见附图1。

四、试验用料及碾压机具

砂砾料采用C3料场不大于600mm的砂砾石全料。

砂砾料碾压机具采用22t自行式振动碾及20t拖式碾比对碾压，碾压机械的技术性能参数见表1。 

表1           碾压机械的技术性能参数表

技术指标	拖式碾	自行式碾
生产厂家	山推工程机械股份 有限公司	山推工程机械股份 有限公司
型号	YZT20A	SC801902G2/SR22m
工作质量(t)	20	22
振动轮尺寸(mm)	2150	2140
振动频率(Hz)	24~29	28/32
激振力@高/低振幅(kN)	499	395/230
振幅(高/低)(mm)	1.8	1.8/0.9
最大功率(kw)	223	136
备   注

五、碾压试验方式

碾压试验的基本流程为：场地平整 → 基面测量 → 进料（进占法）→ 摊铺（控制铺料厚度） → 静压 → 沉降测量 →碾压（6、8、10遍） → 沉降测量 → 密度、级配、比重检测。

1. 料源的选择：选取C3料场第二开采区的砂砾料做为本次碾压试验的料源。装料时先清除表层的草皮及覆土，并对超径料进行筛选，保证试验用料必须合格。

2. 装料及运输

根据选定的C3料场的料源，使用挖掘机反铲法进行装料， 32t德龙自卸汽车运料。

3. 砂砾料的摊铺

根据砂砾石坝料的情况，此次碾压试验坝料摊铺采用进占法卸料，使用山推SD32推土机进行坝料摊铺，人工配合仔细整平，严格控制铺料厚度，厚度误差为-10%～0。摊铺完成后，根据试验区基面布置的方格网坐标，使用全站仪在坝料顶面恢复方格网平面坐标位置，并测量各点高程，从而计算出实际铺料厚度，对于超出误差范围的点，必须进行重新摊铺调整，达到设计要求的铺料厚度，并以此做为计算沉降率的基准高程。

4. 砂砾料的碾压

坝料摊铺合格后，采用拖式和自行式振动碾压设备，在各自的试验区域按规定的碾压方式及遍数进行碾压。碾压方式：先静碾2遍，然后按确定的碾压遍数进行振动碾压。振动碾按1档中油门控制，行车速度（2.5～3km/h）碾压各试验区。碾压时采用满辊错距法，振动碾前进后退一次按两遍计算，要求顺碾压方向碾筒轮迹的重叠宽度为碾筒宽度的10%（20cm）。相邻试验区预留1m非碾压区，以区别不同碾压及避免坝料不同碾压遍数之间影响。各试验区碾压工作完成后，振动碾退出试验区。依据碾压试验场地基面方格网平面坐标位置，再次恢复各试验单元方格网，测量各网点高程，填写《砂砾料碾压试验观测点记录表》，从而计算出各遍数碾压后的厚度和沉降率。

六、碾压试验检测

此次碾压试验检测项目包括：碾压前砂砾料全颗粒分析、比重、压实后原位密度、颗粒分析、渗透系数、含水率、含泥量。

1. 颗粒分析试验，严格按照《土工试验规程》中SL237-006-1999的筛析法条款进行,关键控制程序为，筛分过程中每级筛筛到没有土颗粒下落为止。

2. 原位密度试验，严格按照《土工试验规程》中SL237-041-1999的灌砂法条款进行，试坑内挖出的土料要全部回收，确保称量准确。

3. 原位渗透试验，严格按照《水电工程注水试验规程》SL345-2007中的单环法条款进行，注水环安装要水平，注水环与测试面接触部位用粘土捣实，保持注水环侧面不漏水。

4. 含水率试验，严格按照《土工试验规程》中SL237-003-1999的烘干法条款进行，每个试坑分P5及P5以下颗粒分别测含水率，最后算得加权平均含水率。

5. 比重试验，严格按照《土工试验规程》中SL237-005-1999的比重瓶法及虹吸筒法条款进行，5mm以下颗粒测比重时，要保证足够的沸煮时间，以排除颗粒内的空气，5mm以上颗粒测比重时，要保证24h的浸水时间，颗粒表面的水膜要擦拭干。

6. 量砂回收及校准其密度，按照SL237-041-1999《土工试验规程》中附a条款进行，量砂回收要用0.25mm-0.5mm土工筛过筛，并保持量砂的干燥，灌砂时，要保持灌砂过程要与量砂标定过程保持一致。

七、试验及成果分析

1. 检测项目及成果整理

此次碾压试验检测项目包括压实后干密度、颗分、原位渗透、含水率及含泥量、比重。干密度测定采用灌砂法，含水率测定采用烘干法，颗粒级配筛分是将试坑内测定干密度用的全料分级筛分，原位渗透采用单环法测定，比重采用各粒级分别测量，每一试坑均做比重检测。

通过此次碾压试验得到的拖式和自行式碾压设备各自的参数，及两种碾压设备碾压效果比对，最后确定两种碾压设备各自的施工碾压参数。

2. 试验成果分析

1）碾压前后颗粒级配变化曲线

全颗粒分析试验7组，碾压前1组，自行碾、拖式碾碾压后6、8、10遍各1组。颗粒分析每碾压一遍做3组，共18组。从附表2和附图2及现场目测可以看出，砂砾料经自行式和拖式碾碾压后无明显破碎，粒径变化不大。

2）碾压遍数与干密度关系曲线

现场共检测原位密度18个，自行碾、拖式碾各9个。从附表3和附图3看出，砂砾料干密度都随着碾压遍数的增加而增大，砂砾料铺厚80cm，自行式碾碾压8、10遍时的相对密度，拖式碾碾压6、8、10遍的相对密度均达到设计要求。8遍时已基本密实，碾压10遍的干密度较8遍上升的趋势已稳定，自行式和拖式碾碾压8遍的相对密度满足设计要求。

3）沉降量与碾压遍数关系曲线

沉降量观测，现场分布24个控制点，碾压前，碾压后每次检测一遍。砂砾料的沉降随碾压遍数的增加而增大，砂砾料沉降率从6遍到8遍自行式增加了1.0%，拖式增加了1.0%；从8遍到10遍自行式增加了0.25%，拖式增加了0.26%，从附表4和附图4可以看出，沉降已趋于稳定。

4）碾压后渗透系数

采用单环试坑注水法对各试验区进行原位渗透系数测定，每试验区每遍测定一次，共测得6个数据。砂砾料渗透系数碾压6遍自行式为3.35×10-3cm/s，拖式为3.44×10-3cm/s；8遍自行式为3.24×10-3cm/s，拖式为3.3×10-3cm/s； 10遍自行式为3.19×10-3cm/s，拖式为3.22×10-3cm/s。从附表5可以看出，渗透系数符合设计要求。

5）砂砾料含泥量及比重

C3料场砂砾料含泥量共检测7组，平均值为4.6%；各粒级比重检测18*6组平均值分别为：5mm以下为2.76，5-20mm为2.88，20-40mm为2.86，40-60为2.92，60-200mm为2.83；200-600mm为2.78。

6）砂砾料的相对密度

砂砾料相对密度试验采用混合法求得原型级配最大干密度，采用人工松填法测定最小干密度，并绘制三因素（P5-ρd-Dr）关系曲线。详见附图5。

砂砾料最大、最小干密度由C3料场普查结果的平均级配作为原型级配测得，其颗粒级配见表7-1：

表7-1：

粒  径	800	600	400	300	200	100	80	60	40	20	10	5	2	1	0.5	0.25	0.075
原级配通过率%		100	97.4	85.9	68.9	50.5	43.4	34.9	29.0	21.5	16.3	12.5	10.3	9.6	7.0	5.1	3.3

根据SL237-1999土工试验规程，粗颗粒土的试样制备相关条款及条文说明，采用C3料场砂砾料做最大、最小干密度试验，需处理超过试验仪器容许的最大粒径D=60mm以上的土颗粒，超径颗粒处理方法有四种：

1、剔除法

2、等量替代法

3、相似级配法

4、混合法

由C3料场的平均级配可知，该料超径颗粒含量达65.1%，而剔除法适用于超径颗粒含量极少的土石混合料；等量代替法适用于超粒径颗粒含量小于40%的土石混合料；相似级配法是将原级配的土料根据确定的允许最大粒径按几何相似等比例将原土样粒径缩小，于是颗分曲线平移后，扔保持与原级配曲线相似，故CU、CC可保持不变，但小于5mm颗粒含量有所增加。因此，本法只是几何相似，不能全面的模拟原样的性质，且曲线平移后小于5mm颗粒的含量应控制在15%～30%。而土料级配曲线按相似级配法平移后，小于5mm颗粒含量为31.9%（级配曲线中查得），按相似级配法平移后的级配见表7-2;混合法是先用适宜的比尺缩小，使超径颗粒含量小于40%，再用等量替代法制样。故本次试验采用混合法制备试样。资料表明：混合法所得的最大干密度与现场碾压试验相接近。本次试验所用粒径缩小倍数为7倍，粒径缩小后的级配见表7-3，在单对数坐标中画曲线，从曲线上可查得粒径分别为80mm、60mm、40mm、20mm、10mm、5mm各筛的通过率，见表7-4

表7-2：

粒  径	60	40	30	20	10	8	6	4	2	1	0.500	0.200	0.100	0.050	0.025	0.0075
原级配通过率%	100	97.4	85.9	68.9	50.5	43.4	34.9	29.0	21.5	16.3	12.5	10.3	9.6	7.0	5.1	3.3

表7-3：

粒  径	85.7	57.1	42.9	28.6	14.3	11.4	8.6	5.7	2.9	1.4	0.714	0.286	0.143	0.071	0.036	0.0107
原级配通过率%	100	97.4	85.9	68.9	50.5	43.4	34.9	29.0	21.5	16.3	12.5	10.3	9.6	7.0	5.1	3.3

表7-4：

粒  径	80.0	60.0	40.0	20.0	10.0	5.0
相似级配法 通过率%	100.0	98.2	83.0	59.1	39.3	27.4

从表7-4中可以看出，经过相似级配法处理后，试样粒径还超出最大允许粒径，超径颗粒含量为1.8%，再按等量替代法，按5-40mm颗粒比例等比例替代超径的1.8%的颗粒含量，得出混合法处理后的最后的级配，见表7-5。

表7-5：

粒  径	60.0	40.0	20.0	10.0	5.0	2.9	1.429	0.714	0.286	0.143	0.071	0.036	0.011
混合法级配通过率%	100	84.4	59.9	39.6	27.4	21.5	16.3	12.5	10.3	9.6	7	5.1	3.3

超径处理后的各级配曲线见附图6。

由最大、最小干密度试验得，P5含量为72.6%时的最大干密度为2.39g/cm3,最小干密度为2.02 g/cm3，以P5含量72.6%为准，按10%的含量递增、递减，分别得到P5含量为32.6%、42.6%、52.6%、62.6%、82.6%、92.6%时的最大、最小干密度，再分别算得每个P5含量所对应的相对密度为0.95、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7时的干密度，在平面坐标系中，以干密度为纵坐标，P5含量为横坐标，绘制曲线，得到P5-ρd-Dr关系曲线。从超径颗粒含量处理的过程可以看到，在相似级配法处理时，曲线向右平移后，5mm粒径筛的通过率增大了14.9%，则P5含量减小了14.9%，故实际土料的P5含量87.5%所对应的三因素曲线上的P5含量应该是72.6%(87.5%-14.9%=72.6%)，所以在对照三因素曲线时，应将实际测得的P5含量减去相似级配曲线平移时所产生的差值14.9%。

由于实际测得砂砾料原料的比重较大，且目前的振动碾压设备技术发展较快，激振力较大，而室内最大干密度试验装置试验所得的最大干密度较现场实际的最大干密度偏小，故现场实测的干密度较大。

因此砂砾料相对密度试验采用规范《NB/T 35016-2013》砂砾料原级配现场相对密度试验求得原型级配最大干密度及最小干密度，并绘制三因素（P5-ρd-Dr）关系曲线。详见附图5。

本试验适用于最大粒径不大于600mm的砂砾料，符合现场填筑砂砾料粒径要求。加工密度桶壁厚为20mm，直径为140cm，高度为80cm的带底无盖钢桶4个。振动碾采用拖式碾，振动相关参数符合规范要求。其试验过程均按规范进行。

首先进行筛料和配料，配料采用替代法对原平均级配超径部分的替代，按照原位三因素P5和P超的关系以及比例对筛分的每一级颗粒进行掺配，掺配成P5含量为40%、50%、60%、70%、80%、90%混合砂砾料。

掺配表如下：

各级配制样数量
配样	（kg)	4000	4000	4000	4000	4000	4000	4000	4000	4000
300	（kg)	484.8	430.9	377.0	323.2	269.3	215.5	161.6	107.7	53.9
200	（kg)	724.0	3.5	563.1	482.7	402.2	321.8	241.3	160.9	80.4
100	（kg)	777.0	690.7	604.3	518.0	431.7	345.3	259.0	172.7	86.3
80	（kg)	304.9	271.1	237.2	203.3	169.4	135.5	101.6	67.8	33.9
60	（kg)	356.7	317.1	277.4	237.8	198.2	158.5	118.9	79.3	39.6
40	（kg)	250.7	222.8	195.0	167.1	139.3	111.4	83.6	55.7	27.9
20	（kg)	318.5	283.1	247.7	212.3	177.0	141.6	106.2	70.8	35.4
10	（kg)	222.2	197.5	172.9	148.2	123.5	98.8	74.1	49.4	24.7
5	（kg)	161.2	143.3	125.4	107.4	.5	71.6	53.7	35.8	17.9
﹤5	（kg)	400	3500.8	1200	1600	2000	2400	2800	3200	3600
P5	/	90.0%	80.0%	70.0%	60.0%	50.0%	40.0%	30.0%	20.0%	10.0%
		10.0%	20.0%	30.0%	40.0%	50.0%	60.0%	70.0%	80.0%	90.0%

其次对密度桶的体积率定，率定时采用灌水法，结果如下：

体积cm3	1#桶	2#桶	3#桶	4#桶
第一次	1220590	1228150	122760	1221080
第一次	1228200	1236800	1225400	1233200
第一次	1228200	1236800	1225400	1233200

再次采用人工松填法求最小干密度，采用振碾26遍后，在每个密度桶范围内微动进退碾压15min。行驶速度为2Km/h～3Km/h。在碾压过程中，应根据试验料及周边料的沉降情况，及时补充料源，使振动碾不与密度桶直接接触。然后求得最大干密度。每个P5含量分别装两个桶，试验结果求平均值，两次试验的干密度值不大于0.03g/cm3。灌水法试验符合DL/T5356的相关规定，含水率试验符合DL/T5356的相关规定，结果如下：

P5含量

（%）	最小干密度	最小干密度	最大干密度	最大干密度
	平均值（g/cm3）		平均值（g/cm3）
40	1.96	1.94	2.34	2.36
	1.95		2.35
50	2.00	2.02	2.36	2.36
	2.01		2.36
60	2.06	2.07	2.38	2.38
	2.06		2.38
70	2.07	2.09	2.42	2.40
	2.08		2.41
80	2.14	2.12	2.42	2.42
	2.13		2.42
90	2.10	2.08	2.36	2.36
	2.09		2.36

最后整理数据，绘制三因素曲线。见附图7；

原级配平均曲线见附图8。

八、结论

根据以上碾压试验的成果分析，供选择的砂砾料施工参数为：C3料场砂砾料采用进占法卸料，铺料厚度80cm，天然含水状态碾压，22T自行式振动碾振动碾压8遍，20T拖式振动碾振动碾压8遍，行车速度≤3km/h，压实干密度可满足相对密度＞0.85的设计要求。

附图1             砂砾料填筑碾压试验场地布置示意图

附表2                    砂砾料碾压前后级配颗分表

粒径(mm)	小于某粒径土质量百分数(%)
	碾压前	碾压6遍		碾压8遍		碾压10遍
		自行式	拖式	自行式	拖式	自行式	拖式
600	100	100	100	100	100	100	100
400	96.4	97.2	97.2	98.2	98.4	99.4	99.0
300	.0	90.2	91.0	91.4	92.1	92.3	94.2
200	73.9	75.3	76.1	76.1	77.6	78.6	78.9
100	49.5	51.7	51.4	53.7	52.6	55.1	54.3
80	42.4	44.3	44.2	46.5	46.3	48.5	47.1
60	34.5	35.8	36.1	37.0	37.5	38.4	38.2
40	28.7	29.5	30.5	30.7	31.5	31.3	32.6
20	22.2	23.6	24.2	24.8	25.8	26.0	26.9
10	17.4	18.5	19.4	19.6	21.3	20.7	22.6
5	14.6	16.4	16.4	17.5	17.3	18.5	18.5
2	10.0	11.2	11.4	12.6	12.8	13.2	13.7
1	9.1	10.1	10.4	11.3	11.8	12.0	12.6
0.5	6.3	7.1	7.2	8.4	8.1	9.5	9.4
0.25	5.0	5.7	6.4	6.7	7.1	7.4	8.6
0.075	2.8	3.6	4.1	4.4	5.2	5.2	6.3
P 5含量	85.4	83.6	83.6	82.5	82.7	81.5	81.5

含泥量	3.1	3.9	4.4	4.8	5.5	5.6	5.0
不均匀系数Cu	68.00	128.00	124.20	169.44	173.94	202.63	199.15
曲率系数 Cc	7.28	13.46	12.53	16.01	13.57	18.61	12.98

附图2                                              自行碾碾压前后级配曲线图

拖式碾碾压前后级配曲线图

             附表3                              碾压遍数与干密度成果表

碾压机械	碾压遍数（N）	坑号	实测干密度（g/cm3）	相对 密度	平   均 相对密度	渗透系数(cm/s)	P5含量（%）	实际对应的P5含量（%）	加权 比重	备注
拖 式	6	1	2.32	0.81	0.85	3.35×10-3cm/s	76.3	61.4	2.82
		2	2.31	0.87			90.6	75.7	2.82
		3	2.35	0.87			75.8	60.9	2.83
	8	1	2.33	0.83	0.86	3.24×10-3cm/s	78.0	63.1	2.83
		2	2.32	0.79			80.9	66.0	2.82	×
		3	2.38	0.90			82.8	67.9	2.82
	10	1	2.40	1.02	0.94	3.19×10-3cm/s	76.9	62.0	2.82
		2	2.36	0.90			80.7	65.8	2.84
		3	2.38	0.90			82.4	67.5	2.82
自 行 式	6	1	2.33	0.83	0.76	3.44×10-3cm/s	81.3	66.4	2.83
		2	2.27	0.69			85.7	70.8	2.82
		3	2.31	0.76			78.9	.0	2.82
	8	1	2.36	0.90	0.86	3.3×10-3cm/s	78.1	63.2	2.82
		2	2.34	0.87			85.4	70.5	2.82
		3	2.32	0.81			74.7	59.8	2.82
	10	1	2.40	1.02	0.93	3.22×10-3cm/s	78.7	63.8	2.83
		2	2.36	0.91			76.6	61.7	2.82
		3	2.35	0.87			76.4	61.5	2.82

附表3                     碾压遍数与干密度的成果表

碾压遍数	6	8	10
自行式	2.30	2.34	2.37
拖  式	2.33	2.36	2.38

附图3                    碾压遍数与干密度的曲线图

附表4                   碾压遍数与沉降率成果表

碾压遍数	6遍		8遍		10遍
	自行式	拖式	自行式	拖式	自行式	拖式
沉降量（mm）	32	33	40	41	42	43
沉降率（%）	4.0	4.12	5.0	5.12	5.25	5.38

附图4                    碾压遍数与沉降率曲线图

附表5                   碾压遍数与渗透系数成果表

碾压遍数	6遍		8遍		10遍
	自行式	拖式	自行式	拖式	自行式	拖式
渗透系数（cm/s）	3.35×10-3	3.44×10-3	3.24×10-3	3.3×10-3	3.19×10-3	3.22×10-3

附图5                                           三因素（P5-ρd-Dr）关系曲线图

三因素曲线图
P5含量（%）	32.6	42.6	52.6	62.6	72.6	82.6	92.6
最大干密度	2.231	2.305	2.352	2.396	2.387	2.285	2.127
最小干密度	1.852	1.985	2.016	2.074	2.018	1.952	1.777
相对密实度0.70时的干密度	2.102	2.198	2.240	2.290	2.263	2.173	2.008
相对密实度0.75时的干密度	2.123	2.215	2.258	2.307	2.282	2.191	2.027
相对密实度0.80时的干密度	2.143	2.233	2.276	2.324	2.303	2.209	2.046
相对密实度0.85时的干密度	2.165	2.250	2.295	2.342	2.323	2.228	2.066
相对密实度0.90时的干密度	2.187	2.268	2.313	2.360	2.344	2.246	2.086
相对密实度0.95时的干密度	2.209	2.286	2.333	2.378	2.365	2.265	2.106

附图6

附图7

三因素曲线图
P5含量（%）	40	50	60	70	80	90
最大干密度（g/cm3）	2.35	2.36	2.38	2.41	2.42	2.36
最小干密度（g/cm3）	1.95	2.01	2.06	2.08	2.13	2.09
相对密实度1.00时的干密度（g/cm3）	2.35	2.36	2.38	2.41	2.42	2.36
相对密实度0.95时的干密度（g/cm3）	2.33	2.34	2.36	2.39	2.4	2.34
相对密实度0.90时的干密度（g/cm3）	2.3	2.32	2.34	2.37	2.39	2.33
相对密实度0.85时的干密度（g/cm3）	2.28	2.3	2.33	2.35	2.37	2.32
相对密实度0.80时的干密度（g/cm3）	2.26	2.28	2.31	2.34	2.36	2.3
相对密实度0.75时的干密度（g/cm3）	2.24	2.26	2.29	2.32	2.34	2.29
相对密实度0.70时的干密度（g/cm3）	2.21	2.24	2.27	2.3	2.33	2.27
相对密实度0.00时的干密度（g/cm3）	1.95	2.01	2.06	2.09	2.13	2.09

附图8

C3料场平均级配曲线
粒  径	600	500	400	300	200	100	80	60	40	20	10	5	2	1	0.5	0.25	0.075
设计上限
设计下限
级配通过率%		100.0	97.36	85.93	68.86	50.54	43.35	34.94	29.03	21.52	16.28	12.48	10.30	9.60	7.00	5.10	3.30