风积砂填筑标准及施工关键技术研究

苏都都，张彦忠

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000； 2.甘肃水利机械化工程有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

随着我国经济社会进一步发展以及西部大开发的深入推进，沙漠地区各类工程项目日益增多。风积砂作为一种特殊的工程材料，与沙壤土不同，其具有颗粒间无黏聚力、表面活性低、天然含水率小、保水性及整体性较差等特性。以风积砂作为工程基础，其压实标准确定、施工方法研究是当前沙漠地区工程建设亟待解决的问题。

黄花滩灌区1号调蓄水池位于甘肃省古浪县腾格里沙漠南缘，项目区属典型的干旱型大陆性气候，全年平均气温6.6℃，多年平均降水量207.7mm，多年平均蒸发量2807mm，多年平均日照时数2852.3h。黄花滩灌区1号调蓄水池设计容积220万m3，为半挖半填结构，水池最大深度11.3m，基础为风积砂。

本文以甘肃省古浪县黄花滩灌区1号调蓄水池工程为例，对该区域风积砂材料物理力学特性、调蓄水池池堤压实标准、碾压施工工艺进行室内和现场试验研究。可为沙漠地区调蓄水池、渠道等工程设计、施工等方面提供借鉴和参考。

1 风积砂的物理特性

黄花滩灌区1号调蓄水池工程区风积细砂，天然密度1.50～1.69g/cm3，密实度不均一，不均匀系数1.85，曲率系数0.85。

根据SL237—1999《土工试验规程》规定，对风积砂料进行颗粒分析试验，颗粒分析的结果见表1，颗粒级配曲线如图1所示。

表1 风积砂筛分试验成果

图1 风积砂颗粒级配曲线

2 风积砂室内击实试验

土的室内击实试验是通过模拟现场碾压条件、方法，在标准的击实筒内对土施加一定的击实功能，确定该功能下土的最大干密度与相应的最优含水率。

根据相关研究，由于风积砂比较松散，常规击实试验方法，所得的试验结果比较凌乱，规律性比较差，采用重型击实试验效果相对较好。

本次根据SL237—1999，采用重型击实仪进行了室内击实试验，击实试验结果表明，风积砂最大干密度1.76g/cm3，最优含水率击实试验成果见表2，室内击实试验曲线如图2所示。

表2 风积砂室内击实试验成果

图2 风积砂室内击实曲线

从室内击实试验曲线可以看出，与黏性土和砂类土击实曲线特征不同，风积砂压实曲线具有独特之处：①风积砂压实曲线存在两个峰值点，含水率在3%～4%之间时，干密度较小，随着含水率的增大或减小，干密度均增大。②风积砂含水率为0时，干密度值较大，说明其具备干压实的可能。

3 风积砂填筑标准

3.1 我国现行规范体系压实控制标准

目前我国现行规范体系中，对无黏性土的设计控制指标主要有相对密度和压实度两种，主要规范的压实控制指标见表3。

3.2 国外规范体系压实控制标准

美国水道试验站(WSE)建议，细粒土(<0.075mm)含量超过5%时，应分别进行标准击实试验和相对密度试验，当击实试验所得的最大干密度的85%比相对密度85%时的相应干密度大时，则用击实试验。美国垦务局规定，如细粒土(<0.075mm)含量超过12%时分别作相对密度和标准击实试验，当70%相对密度时的相应干密度小于击实最大干密度的95%，则应用击实试验，否则采用相对密度控制。

可以看出，美国水道试验站和美国垦务局对风积砂填筑标准的规定亦存在不同之处。

表3 无黏性土填筑设计控制指标

3.3 两种控制指标的对比分析

根据颗分成果，黄花滩灌区1号调蓄水池工程细粒土(<0.075mm)含量在10%～15%之间，其填筑标准采用相对密度还是压实度是一个重要的技术问题。按照我国现行规范体系，应遵照水利行业标准，采用相对密度作为填筑控制标准；根据美国水道试验站和美国垦务局的标准，应进行压实度与相对密度比较。为此，我们按照本工程相关参数进行了压实度与相对密度比较，比较结果见表4。

表4 压实系数与相对密度对照表

通过相对密度和压实度公式计算，要达到美国水道试验站的规定，则材料最大干密度需达到最小干密度的2倍以上，风积砂材料很难达到这一标准，因此，笔者认为此规定适用性有待商榷。

根据上表比较结果，采用压实度作为填筑控制指标较以相对密度作为控制指标偏安全，且具有简单、明了、易操作的优点，黄花滩灌区1号调蓄水池工程池堤填筑以压实度作为控制指标。

4 风积砂施工关键技术

风积砂作为一种特殊的材料，我国现行工程施工规范中尚未形成完整的填筑施工工艺、压实方法。针对此，为使工程顺利推进，2018年9月6日—2018年10月4日，设计联合施工单位进行了为期近一个月的现场碾压试验，对碾压设备选型、含水率控制、铺层厚度与压实遍数等进行了现场试验研究。

4.1 施工机械选择

土的压实是通过外力克服颗粒间的粘聚力和摩擦力，挤出颗粒间的空气和水，从而使土密度提高。由于风积砂颗粒间几无粘聚力，因此风积砂压实主要是克服摩擦力，根据相关研究成果，振动压实效果较好，试验选取平碾(20t 振动频率33HZ)、羊角碾(20t振动频率33HZ)、挖掘机，分别进行了机械适用性试验。

试验发现平碾在碾压过程中易出现“陷车”问题，在松铺料上，平碾几乎难以行走，适用性较差；羊角碾有较好的适用性，但仍偶尔会出现“陷车”问题；挖掘机无“陷车”问题，但碾压效果达不到设计要求。

由于风积砂碾压后表层有约10cm的松散层，需上层碾压时予以压实，羊角碾对于层间结合具有较好的作用，根据碾压试验成果，以“推土机整平(初压)+羊角碾(振动压实)”组合方案作为最终推荐方案。

4.2 含水率控制

根据室内试验，风积砂最优含水率约为10%～13%，现场试验分别对天然状态、含水率6%、10%、14%四种土料进行了碾压试验(铺土厚度40cm)，碾压试验结果见表5。

表5 风积砂碾压试验结果(虚铺厚度40cm)

根据碾压试验结果，含水率的提高对于提高压实度有一定作用，但整体对碾压效果影响不大，加之沙漠地区施工用水运距一般较远，从施工效率及经济性考虑，推荐天然含水率土料作为填筑料。

试验过程中同时发现，提高含水率对于解决“陷车”问题有益，随着含水率的提高，“陷车”现象有所缓解，因此，在“陷车”严重部位，建议填筑过程中，表层洒水提高填料含水率。

4.3 铺层厚度与碾压遍数

试验分别对铺层厚度30、40、50cm的试验区，碾压4、6、8、10遍后的结果进行了统计，统计结果如表6所示。

表6 虚铺厚度碾压试验结果

从碾压试验结果看，虚铺厚度30cm，碾压6遍、虚铺厚度40cm，碾压8遍、虚铺厚度50cm，碾压10遍压实系数均能够达到设计要求。

为更好地了解风积砂压实特性，试验就碾压遍数与沉降量的关系做了分析，结果如图3—5所示。

图3 沉降量与碾压遍数曲线(虚铺厚度30cm)

图4 沉降量与碾压遍数曲线(虚铺厚度40cm)

图5 沉降量与碾压遍数曲线(虚铺厚度50cm)

经分析，虚铺厚度30cm，碾压6遍与虚铺厚度50cm，碾压10遍其压实系数虽能够达到设计要求，但其沉降尚未收敛，虚铺厚度30cm，碾压6遍的沉降不收敛现象更为明显。

综合考虑压实系数和沉降量两方面因素，工程最终选择虚铺厚度40cm、碾压8遍的方案，经后期施工验证，效果良好。

5 结论

(1)风积砂为颗粒成分较细的无黏性土，在工程设计中应以压实度作为其填筑控制标准，且其粒径较为均匀，振动有利于破坏其空间结构，压实机械应选用振动碾，且以羊角碾为最优。

(2)含水率对风积砂压实效果影响较小，“干压”是经济合理的施工方法，其碾压试验除关注压实系数外，沉降量应作为其主要关注因素。

(3)不同粒径组成下风积砂压实机理及施工关键参数选取有待下一步研究。