粘土心墙土石坝掺和料最大干密度及颗分关系试验
2010-01-25 17:49阅读：
某水电站粘土心墙土石坝
掺和料最大干密度及颗分关系试验
帅兴
一、工程概况
粘土心墙土石坝最大坝高32m，坝顶高程4318m，坝顶长407.45m，宽6.00m，上、下游坝坡分别为1：2.2和1：2.0，粘土心墙上、下游坡均为1：0.25，心墙主要采用反滤料与塔那波粘土1：1的掺和料。
针对塔那波料场粘土天然含水量低、分散性等特点，根据设计要求粘土
和≤40mm砂砾料按质量比1:1的比例进行掺合，通过大量的试验，采取如下掺合工艺：第一步，在粘土堆料场用反铲挖沟，沟间距3m，沟深2～3m，然后向沟里灌满水，进行自然渗透1～2天后，用反铲进行充分拌合，使粘土含水量均匀，并达到或超过最优含水率。砂砾料进行灌水，使其湿透，达到饱和状态；第二步，测定充分拌合后的粘土含水率、干容重，测定天然状态砂砾料（≤40mm）含水率、干容重；第三步，根据两种料的干容重换算铺料厚度，采用先铺一层砂砾料，铺料厚度约0.8m，再铺粘土料，铺料厚度1.2 m；第三步，用装载机拌合，拌和4~6遍。
本工程反滤料最大干密度2.12~2.15g/cm3，塔那波料粘土最大干密度1.84g/cm3。
二、试验目的
由于掺和料的最大干密度受反滤料与粘土料的掺和比例、反滤料含砂率的影响较大，因此拟通过本试验确定掺和质量比在(46～54):(54～46)范围变化时，反滤料含砂量变化对最大干密度的影响程度及相关参数。
三、试验方法
1、掺和料确定：由于粘土料质量稳定，掺和料料源主要受反滤料质量影响，从料场取砂料偏多（基细）和砂料偏少（基粗）两种基准料。
2、掺和比例确定：设计掺和质量比为50:50，考虑由于现场施工因素的影响，试验掺和质量比在(46～54):(54～46)范围变化，即确定：46:54、48:52、50:50、52:48、54:46等5种掺和比例。
3、含砂量的调整：由于从料场取料有砂料偏多（基细）和砂料偏少（基粗）两种基准料，在基细料中掺加约6%的砂作为砂料较多料（掺细），在基粗料中掺加约6%的细石（2cm-4cm）作为砂料较少料（掺粗），将砂料偏多（基细）和砂料偏少（基粗）两种基准料按1:1进行掺和得到砂料平均的料（基混）。如上操作，可以得到5和不和含砂量的掺和用反滤料：掺细料、基细料、基混料、基粗料、掺粗料等。
4、控制级配：考虑掺和比例一定的情况下，反滤料中的粘土含量基本不变，含砂量直接影响其最大干密度，因此控制级配按掺和料中<5mm以下颗粒百分含量进行控制较合理。
四、理论关系
根据理论分析：在掺和比例一定的情况下，如出现含砂量（<5mm以下颗粒百分含量）过低的情况下，细颗粒主要用于填充粗颗粒孔隙，因此其最大干密度主要受掺和比例（粗颗粒与细颗粒的比例）影响，含砂量对最大干密度影响较小，因此含量在低于某一值（A1）时颗分最大干密度曲线趋于一条水平线；在掺和比例一定的情况下，如出现含砂量（<5mm以下颗粒百分含量）在一个合理范围的情况下，掺和料级配连续，因此其最大干密度主要含砂量和粘土量的影响，因此<5mm以下颗粒百分含量对最大干密度影响较大，因此含砂量在某一范围（A1～Ａ2）时颗分最大干密度曲线趋于一条斜线；在掺和比例一定的情况下，如出现含砂量（<5mm以下颗粒百分含量）过高的情况下，掺和料级配以细颗粒为主，因此其最大干密度主要受掺和比例（细颗粒砂与粘土的比例）影响，因此含砂量在高于某一值（Ａ2）时颗分最大干密度曲线趋于一水平线。在掺和比例变化的情况下，掺和料最大干密度颗分曲线随反滤料的比例变化，上下浮动。
五、试验数据分析
1、原始数据整理：在反滤料与粘土料掺和比例、掺砂（石）量一定的情况下，调整掺和料的含水率（6～15%）变化，每一组做5种不同含水率的干密度试验，通过绘制含水率最大干密度变化曲线，求取每一组试验的最大干密度。根据试验数据求出每一组不同颗分的最大干密度和最优含水率，共做25组（越多越逼近真实值）试验，以每组<5mm以下颗粒百分含量（%）作X点，以每组最大干密度为Y点，绘制XY散点图，从而分析出颗分最大干密度关系；以每组<5mm以下颗粒百分含量（%）作X点，以每组最优含水率（%）为Y点，绘制XY散点图，从而分析出颗分最优含水率关系。
试验原始数据统计见下表：2、颗分最大干密度分析
根据在现场反滤料、粘土质量分析，
反滤料含砂量变化相对较大，因此在进行颗分最大干密度分析时，主要考虑＜5mm、＜2mm、＜0.075mm三种颗粒含量的变化对最大干密度的影响。
根据＜5mm、＜2mm、＜0.075mm三种压实最大干密度颗分曲线分析，三种散点关系线都较好，＜2mm、＜0.075mm的散点图离散大于＜5mm的散点图离散。因此考虑掺和比例及反滤料含砂率（即＜5mm、＜0.075mm的百分含量）的双重影响，而且掺和比例相对稳定，试验决定用＜5mm的颗粒百分含量控制掺和料最大干密度。
3、颗粒（＜5mm）含量最大干密度关系
根据原始数据得出的颗分最大干密度散点及关系如下图《压实最大干密度颗分曲线》：
关系图如理论分析，其中A1、A2不在此试验范围内，实际施工时＜5mm颗粒百分含量也控制在（A1，A2）内，因此试验不必求证A1、A2。当A＝68%时、最大干密度为2.114g/cm3，当A＝82.2%时、最大干密度为2.073g/cm3。由于掺和比例不同，含砂量与粘土含量的变化对最大干密度的影响变化在±0.02 g/cm3之间，即在最大干密度的1%范围内变化。
如上图，平均（掺和比例50：50）最大干密度颗分关系为：
Y=2.114-0.002887(X-68) 其中X＝67～82.2%
备注：X----＜5mm颗粒百分含量（%）
Y----最大干密度（g/cm3）
3、压实度控制
由以上的散点关系图分析，在试验的掺和比例变化和砂率变化范围内，最大干密度Y的变化在±0.02 g/cm3之间，即YMAX－YMIN＝0.04g/cm3。本试验所求的关系曲线实际为平均最大干密度（掺和比例1：1），即Y＝（YMAX－YMIN）/2。当YMAX按98%的压实度控制时，因为Y＞2.0g/cm3，所以0.98YMAX≤1.00
YMIN，即0.99Y≤1.00 YMIN。
所以，由此分析根据设计和规范的98%压实度的控制要求，当所求的颗分最大干密度关系计算的平均最大干密度按99%的压实度控制时，压实度能保证满足设计和规范要求。
4、颗分最优含水率分析
根据原始数据得出的颗分最大干密度散点及关系如下图《颗分及最优含水率分布图》：
如图分析，最优含水率与颗分没有很明确的关系，但最优含水率主要是在一个范围内波动，因此可以根据《颗分及最优含水率分布图》求出最优含水率的上限与下限：最优含水率为9.30～10.20％。
六、试验结论
1、最大干密度受掺和料掺和比例及反滤料含砂率的双重控制，即受掺和料中＜5mm颗粒百分含量及＜0.075mm颗粒百分含量的双重控制。因此在反滤料与粘土掺和比例一定或比例变化较小的情况下，最大干密度以＜5mm颗粒百分含量控制，效果较好。
2、反滤料与粘土料掺和比例控制：设计要求50:50。
3、＜5mm颗粒百分含量控制：68～78%。
4、最优含水率控制：9.3～10.2%。
5、最大干密度颗分关系：
Y=2.064-0.002887(X-68)
6、压实度控制：
99%。
