碾压式土石坝碾压次数的实验确定方法与流程

本发明属于地质工程施工技术领域，涉及一种碾压式土石坝碾压次数的实验确定方法。

背景技术：

根据《DLT5395-2007碾压式土石坝设计规范》，一般土石坝都应进行垂直变形，即沉降分析，估算在土体自重及其他外荷载作用下，坝体及坝基的总沉降量和竣工时的沉降量。确定竣工时坝顶应预留的超高，以及预估坝体各个部位的不均匀沉降量和不均匀沉降梯度，判断发生裂缝的可能性及应采取防止裂缝的工程措施。当计算的竣工后坝顶沉降量与坝高的比值大于1％时，应在分析计算成果的基础上，论证选择的坝料填筑标准的合理性和采取工程措施的必要性。众所周知，土石坝变形分析由于涉及因素太多，难以准确估计，因此规范堆石的碾压质量可用施工参数及用轻型击实或者重型击实实验的最大干密度乘以压实度的设计干密度进行控制。而施工参数一般包括碾压设备的型号、振动频率及重量、行迸速度、铺筑厚度、加水量、碾压遍数等，其一般通过碾压实验取得。针对碾压实验，可以取得诸如碾压设备的型号、振动频率及重量、行迸速度、铺筑厚度、加水量、碾压遍数等参数，通常的作法是固定其它参数，对研究的量进行实验统计，并画出曲线找出曲线的拐点，并认为拐点值即是兼顾经济性与压实性最优点。但是这种方法未体现出对坝体沉降率的要求，尤其是对高土石可能最优拐点法不能满足对坝体沉降的控制。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供一种全新的、间接考虑坝体沉降率影响的，针对碾压式土石坝碾压次数的实验确定方法，可获得满足土石坝沉降要求的最佳碾压次数。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：碾压式土石坝碾压次数的实验确定方法，包括如下步骤：

A、记录土石料单层铺料的初始厚度ΔH；

B、对单层铺料进行碾压实验，记录碾压次数N_i以及测量并记录每次碾压后该单层铺料的总沉降量Δ_i；其中，i取大于等于1的正整数；

C、确定单层铺料达到基本稳定时的碾压次数N_max以及此时该单层铺料的总沉降量Δ_max；所谓单层铺料达到基本稳定是指：第一次出现在后一次碾压后测得该单层铺料的总沉降量Δ_next与在前一次碾压后测得该单层铺料的总沉降量Δ_pre的差值Δ_next-Δ_pre≤0.1cm，此时即认为在后一次碾压次数为N_max；

D、计算各碾压次数N_i对应的压实度λ_i和冗余沉降率γ_i；其中，λ_i＝Δ_i/Δ_max×100％；冗余沉降率γ_i＝(Δ_max-Δ_i)/ΔH×100％；

E、取满足γ_i≤1％条件下所对应的最小碾压次数为N_min1；取满足λ_i≥93％条件下所对应的最小碾压次数为N_min2；

F、取N_min1和N_min2中的较大值作为实际施工的碾压次数。

进一步的是：在步骤F中，对于N_min2的取值按如下情况划分：

1)、当土石坝为一级坝或者二级坝时，取满足λ_i≥95％条件下所对应的最小碾压次数为N_min2；

2)、当土石坝为三级坝及以下时，取值λ_i≥93％条件下所对应的最小碾压次数为N_min2。

进一步的是：土石料单层铺料的理论厚度可为20mm、25mm、30mm、35mm或者40mm。

本发明的有益效果是：通过采用本发明所述的方法，可获得最优的碾压次数，其通过碾压实验，并通过公式计算后获得压实度λ_i和冗余沉降率γ_i等参数，然后在满足相应条件下，根据实验确定出最佳的碾压次数作为实际施工时的碾压次数。由于冗余沉降率γ_i是单层铺料在设定碾压次数后可能发生的沉降率体现，而大坝竣工后最终的沉降率实际与单层铺料的冗余沉降率γ_i呈相关性，并且理论上，当冗余沉降率γ_i越小，则最终大坝的沉降率越小。这样，通过本发明所述的方法确定的碾压次数，其既能满足规范要求的竣工后坝顶沉降量与坝高的比值不大于1％的要求；又能兼顾最优的经济性。

附图说明

图1为不同铺料厚度下，压实度λ_i与碾压次数关系曲线图；

图2为不同铺料厚度下，冗余沉降率γ_i与碾压次数关系曲线图；

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明进一步说明。需要指出的是，本发明中所指的碾压式土石坝，是指通过将土石料用分层碾压的方法建成的坝体。本发明是针对碾压式土石坝施工中对于每层土石料所需碾压次数的实验确定方法；即通过碾压实验确定土石坝施工过程中每层铺料的碾压次数。当然，本发明中通过碾压实验确定的碾压次数，是在除碾压次数以外的其余参数已经确定的情况下进行的实验选取，该其余的参数包括如土石料成分、选用的碾压设备型号、振动频率、行迸速度、含水量等参数；至于对于该其余的参数的选取或者确定，并非本发明所涉及的具体方案。

本发明所述的碾压式土石坝碾压次数的实验确定方法，在除了碾压次数N_i以外的其它参数已定的情况下，包括如下步骤：

A、记录土石料单层铺料的初始厚度ΔH；

B、对单层铺料进行碾压实验，记录碾压次数N_i以及测量并记录每次碾压后该单层铺料的总沉降量Δ_i；其中，i取大于等于1的正整数；

C、确定单层铺料达到基本稳定时的碾压次数N_max以及此时该单层铺料的总沉降量Δ_max；所谓单层铺料达到基本稳定是指：第一次出现在后一次碾压后测得该单层铺料的总沉降量Δ_next与在前一次碾压后测得该单层铺料的总沉降量Δ_pre的差值Δ_next-Δ_pre≤0.1cm，此时即认为在后一次碾压次数为N_max；

D、计算各碾压次数N_i对应的压实度λ_i和冗余沉降率γ_i；其中，λ_i＝Δ_i/Δ_max×100％；冗余沉降率γ_i＝(Δ_max-Δ_i)/ΔH×100％；

E、取满足γ_i≤1％条件下所对应的最小碾压次数为N_min1；取满足λ_i≥93％条件下所对应的最小碾压次数为N_min2；

F、取N_min1和N_min2中的较大值作为实际施工的碾压次数。

需要指出的是，上述碾压实验，是本领域的一种常规实验方法，其具体的实验步骤可参照《碾压式土石坝施工规范》DL/T529-2013中第43页的“A.4碾压实验”所述的具体步骤进行。当然，在进行本发明所述的碾压实验过程中，所选用的土石料、选用的碾压设备等均应当与实际土石坝施工时所对应的实际土石料和实际碾压设备等一致。这样才能保证土石坝修筑后实际的碾压效果与实验的结果一致。另外，本发明中个步骤内的参数中的各下标，表明的是某一特定的碾压次数下对应的参数，例如N_i表明的是某一碾压次数，当下标i取值为10时，即N₁₀表示第十次碾压。

另外，一般情况下，在步骤A中，记录土石料单层铺料的初始厚度ΔH时，土石料单层铺料的理论铺设厚度可取20mm、25mm、30mm、35mm或者40mm中的一种。也就是，在步骤A之前，进行土石料的单层铺料时，应当确定一个理念铺料厚度，然后再在理论铺设厚度的情况下，进行单层土石料的实际铺料，然后通过测量记录其实际的初始厚度ΔH。当然，由于实际铺料和测量中存在一定的误差，因此允许实际铺料厚度与理论铺料厚度之间存在一定的厚度差。另外，本发明还可在实验过程中，通过对各种不同单层铺料的理论厚度分别进行实验，以获得不同理论铺料厚度的情况下的对比实验，然后再根据实际情况选取相应的最优理念铺料厚度。

另外，还需要指出的是，上述所谓单层铺料达到基本稳定所指：第一次出现在后一次碾压后测得该单层铺料的总沉降量Δ_next与在前一次碾压后测得该单层铺料的总沉降量Δ_pre的差值Δ_next-Δ_pre≤0.1cm，此时即认为在后一次碾压次数为N_max。由于本发明中Δ_next和Δ_pre都是通过人为测量获得的，因此测量过程中必然存在测量误差；因而由于测量误差的存在，当第一次出现Δ_next-Δ_pre≤0.1cm的情况时，即表明额外增加的碾压次数已经无法使得铺料厚度发生明显的变化，即之后再增加的碾压次数所对应的总沉降量Δ_i已经不再发生明显变化，取而代之的是总沉降量Δ_i可能在较小的幅度范围内发生波动。

对于上述步骤E，其实际是通过分别满足压实度λ_i和冗余沉降率γ_i的条件去选取相应的最小碾压次数(N_min1和N_min2)，然后对于上述步骤F，则是在步骤E中选取出的两个最小碾压次数(N_min1和N_min2)中取出较大值作为实际施工的碾压次数。通过步骤E和步骤F后，可使得最终确定出的碾压次数能同时满足压实度λ_i和冗余沉降率γ_i的条件要求。进而确保最终砌筑后的土石坝能满足相应的质量要求。

本发明中，通过直接控制单层土石料的冗余沉降率γ_i≤1％，因此，对应于碾压式土石坝而言，由于其每层土石料的冗余沉降率γ_i≤1％，故可基本保证大坝在修筑后总体的沉降率小于1％。这样，即可基本满足竣工后坝顶沉降量与坝高的比值小于1％的要求。

更具体的，考虑到在相应的规范文件中，如在《DLT5395-2007碾压式土石坝设计规范》中，有根据土石坝的分级不同，需要土石坝碾压后的压实度满足不同要求；为了适应对不同的土石坝分级，本发明中在步骤F中，对于N_min2的取值可按如下情况划分：1)、当土石坝为一级坝或者二级坝时，取满足λ_i≥95％条件下所对应的最小碾压次数为N_min2；2)、当土石坝为三级坝及以下时，取值λ_i≥93％条件下所对应的最小碾压次数为N_min2。

下面结合某一级土石坝的碾压实验数据对本发明做进一步的阐述，并且下表1中同时对三种不同的理论铺料厚度分别进行了实验具体数据参照下表1.。需要指出的是，实际铺料厚度由于误差的原因，因此与理论铺料厚度存在一定的误差，这种误差是允许的；另外，本次实验中，每记录一次数据，实际是对单层铺料进行了来回碾压，因此实际相当于每碾压两次记录一次数据；或者可以理解为对单层铺料进行一次来回碾压作为本发明中所指的一次碾压次数N_i。

表1不同铺料厚度下各碾压次数对应的总沉降量实验数据

以上表1中理论铺料厚度25cm对应的数据为例，其中，N_i对应的一栏数据和Δ_i对应的一栏数据均为实验的记录数据；而λ_i对应的一栏数据和γ_i对应的一栏数据则需要通过相应的公式计算后得到。其中，从Δ_i对应的一栏数据中，可以发现第14次碾压对应的数据与第12碾压所对应的数据之间的差值(4.61-4.56＝0.05mm)小于0.1cm；因此，可认定碾压14次时铺料已经达到基本稳定；因此可取N_max＝N₁₄，Δ_max＝Δ₁₄＝4.61cm；之后，根据相应的公式即可得到各λ_i对应的数据和各γ_i对应的数据，具体可参照上表1中所示。

通过上表1中得到的各λ_i对应的数据和各γ_i对应的数据；在满足γ_i≤1％条件下所对应的最小碾压次数N_min1取N₁₀，即需要碾压10次；在满足λ_i≥93％条件下所对应的最小碾压次数N_min2取N ₁₀，即需要碾压10次；这样可确定出最终作为实际施工的碾压次数为10次。另外，在不同土石坝分级的情况下，对于N_min2的选取有不同的λ_i条件要求时，具体的碾压次数将可能不同；当然，上述情况下，当土石坝为一级坝或者二级坝时，在满足λ_i≥95％条件下所对应的最小碾压次数N_min2实际也是N ₁₀。

另外，从上表1、图1和图2中可进一步发现，通过对不同理论铺料厚度的实验，发现在上述25cm、30cm、35cm的不同理论铺料厚度下，对实际需要的碾压次数没有显著的影响，通过综合分析判定后可得出实际的最优碾压次数取值为10次。