甘濤 許健 張世茂

摘要：

采用風(fēng)積沙作為堤壩填筑材料是一項(xiàng)新技術(shù)，它對(duì)沙漠區(qū)興修水利工程具有重要意義。為研究風(fēng)積沙碾壓工藝性能并確定合理的施工工藝和參數(shù)，依托古浪縣黃花灘調(diào)蓄水供水工程，通過(guò)對(duì)風(fēng)積沙和粉土風(fēng)積沙混合料進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)以及不同組合工況的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，開(kāi)展了風(fēng)積沙堤壩碾壓工藝性能研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：在現(xiàn)場(chǎng)施工條件下，干作業(yè)下最大干密度呈“雙峰”特性的低含泥量天然風(fēng)積沙呈不可碾壓性，推薦采用濕作業(yè)；采用輕重振動(dòng)組合碾壓工況更加合理，天然風(fēng)積沙濕作業(yè)時(shí)，單層攤鋪厚度取400 mm，采用26 t壓路機(jī)碾壓5遍（靜壓1遍、輕振碾壓1遍、重振碾壓2遍、最后再靜壓1遍），壓實(shí)度可以滿足要求；摻入13%粉土后的風(fēng)積沙混合料可碾壓性更好，可有效提高壩面施工效率和工程質(zhì)量；上層風(fēng)積沙填筑碾壓過(guò)程對(duì)下層風(fēng)積沙的壓實(shí)度有再次提升效果。

關(guān) 鍵 詞：

風(fēng)積沙； 碾壓工藝； 碾壓遍數(shù)； 壓實(shí)度； 可碾壓性

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV522

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.07.020

0 引 言

隨著中國(guó)西部建設(shè)的推進(jìn)，近年來(lái)開(kāi)始在沙漠區(qū)興建鐵路、公路、水利等基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，出于就地取材、節(jié)約成本的原則，風(fēng)積沙成為了當(dāng)?shù)刂饕墓こ滩牧稀Ｓ捎陲L(fēng)積沙填料具有粒徑單一、黏聚性差等特殊的工程性質(zhì)，因此其壓實(shí)特性及壓實(shí)效果則是影響填筑質(zhì)量的關(guān)鍵因素，故研究其碾壓工藝性能意義重大。目前諸多學(xué)者就風(fēng)積沙用于路基填筑等方面開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究，并取得了較多的研究成果。如陳忠達(dá)等［1］通過(guò)動(dòng)態(tài)力學(xué)分析得出風(fēng)積沙振動(dòng)壓實(shí)時(shí)宜采用高頻率（45～50 Hz）和小振幅（0.4～1.0 mm）；楊人鳳等［2］發(fā)現(xiàn)了沖擊振動(dòng)復(fù)合壓路機(jī)對(duì)風(fēng)積沙在天然含水量下的壓實(shí)效果最好，且含水量對(duì)風(fēng)積沙壓實(shí)的最佳頻率影響不大；楊玉春等［3］通過(guò)路基現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，確定了風(fēng)積沙鋪土厚度50 cm、浸水后壓路機(jī)平碾2遍、振動(dòng)6遍碾壓組合為最好壓實(shí)工況；尹文華等［4］探究并發(fā)現(xiàn)風(fēng)積沙路基在振動(dòng)壓實(shí)填筑中，壓實(shí)度隨振動(dòng)遍數(shù)的過(guò)多開(kāi)始弱化，壓路機(jī)靜壓1遍+振動(dòng)2遍可滿足施工要求；劉超等［5］證實(shí)了風(fēng)積沙干壓法施工在新疆等地區(qū)是可行的，干壓厚度為60 cm時(shí)壓實(shí)效果較好；張洋等［6］在進(jìn)行風(fēng)積沙路基填筑壓實(shí)時(shí)，采用裝載機(jī)滿鏟壓實(shí)6遍，松鋪厚度選定為36 cm，雙控指標(biāo)可滿足路基基床的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，前人在風(fēng)積沙碾壓試驗(yàn)研究上已取得了豐碩的成果，但其對(duì)象主要以公路或鐵路路基材料為主，鮮有用于堤壩填筑等水利工程建筑領(lǐng)域。大部分研究以壓路機(jī)為主要壓實(shí)機(jī)械開(kāi)展風(fēng)積沙現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，僅分析了碾壓遍數(shù)組合中靜碾和振動(dòng)碾的壓實(shí)工況，對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)方式的輕重組合及細(xì)化研究鮮有討論。而輕重碾壓組合在一定程度上能較好地貼合風(fēng)積沙的壓實(shí)機(jī)理，故細(xì)化輕重碾壓組合，可有效提高施工效率。其次，已有研究未深入分析風(fēng)積沙分層填筑壓實(shí)時(shí)的層間影響情況。

本文依托甘肅省古浪縣黃花灘4號(hào)調(diào)蓄水池工程開(kāi)展風(fēng)積沙筑堤壩技術(shù)研究。本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)主要采用靜輕重碾壓的組合工況進(jìn)行分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)核查干壓法在該地區(qū)工程的適用性，確定風(fēng)積沙合理的施工工藝，并利用上下層碾壓探究風(fēng)積沙壓實(shí)過(guò)程中的層間影響，并通過(guò)摻入適量粉土來(lái)優(yōu)化風(fēng)積沙堤壩填筑施工。

1 工程概況

甘肅省古浪縣生態(tài)移民暨扶貧開(kāi)發(fā)黃花灘調(diào)蓄供水工程緊鄰騰格里沙漠，該工程通過(guò)調(diào)蓄水池群實(shí)現(xiàn)黃花灘移民區(qū)供水，以解決當(dāng)?shù)叵募靖叻迤诩胺醇竟?jié)種植的缺水問(wèn)題，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)增收。其中，4號(hào)蓄水池總庫(kù)容150萬(wàn)m3，堤壩填筑料為天然風(fēng)積沙，壩體為梯形斷面，迎水、背水壩坡均為1∶3，最大壩高11.8 m，壩長(zhǎng)1570 m，風(fēng)積沙填筑工程量為44萬(wàn)m3。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料采用天然風(fēng)積沙（含泥量3.2%～5.6%）和摻13%粉土的風(fēng)積沙混合料。由于當(dāng)?shù)胤弁烈椎茫蚁嚓P(guān)成果［7-11］證明風(fēng)積沙摻和粉土后可有效改良其顆粒級(jí)配和力學(xué)性質(zhì)（通過(guò)室內(nèi)不同粉土摻比風(fēng)積沙混合料的顆分試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉土改良比在13%時(shí)較為經(jīng)濟(jì)有效），故選取其為研究對(duì)象?，F(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。從表1和圖1可以看出：4號(hào)調(diào)蓄水池料場(chǎng)天然風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)單一，級(jí)配不良；摻入粉土后，粉土顆粒填充風(fēng)積沙孔隙，0.075 mm以下粒徑顆粒增多，風(fēng)積沙的級(jí)配得到有效改善。

分別采用輕型擊實(shí)、重型擊實(shí)和振動(dòng)錘擊法對(duì)天然風(fēng)積沙進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同試驗(yàn)方法所得最大干密度差別較大，輕型擊實(shí)試驗(yàn)得出平均最大干密度為1.72 g/cm3，最優(yōu)含水率為15.1%；重型擊實(shí)試驗(yàn)得出最大干密度為1.80 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.1%；振動(dòng)錘擊法得出最大干密度為1.77 g/cm3。且天然風(fēng)積沙干密度曲線“雙峰”特征明顯，在含水量小于5%的情況下，其擊實(shí)密度也可以接近最大干密度，這一特征與文獻(xiàn)［11-13］研究結(jié)果一致。由于振動(dòng)錘擊法能更好地?cái)M合天然風(fēng)積沙現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)工況，故選取1.77 g/cm3為工程最大干密度控制指標(biāo)。采用重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得摻13%粉土的混合料其最大干密度控制指標(biāo)為1.94 g/cm3，最優(yōu)含水率為10.6%。擊實(shí)曲線如圖2所示。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)區(qū)布置及工況設(shè)計(jì)

碾壓試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證復(fù)核壩料設(shè)計(jì)指標(biāo)并確定碾壓施工參數(shù)［14］。本次試驗(yàn)區(qū)位于古浪縣生態(tài)移民暨扶貧開(kāi)發(fā)黃花灘調(diào)蓄供水工程4號(hào)調(diào)蓄水池現(xiàn)場(chǎng)。如圖3所示，試驗(yàn)區(qū)分天然風(fēng)積沙（干壓，Ⅰ區(qū)）、天然風(fēng)積沙（濕壓，Ⅱ區(qū)）、摻13%粉土的風(fēng)積沙混合料（濕壓，Ⅲ區(qū)），各區(qū)第一層均設(shè)置250，350，450 mm和550 mm共4種攤鋪厚度試驗(yàn)段，Ⅱ區(qū)第二層設(shè)置350，400 mm和500 mm 3種攤鋪厚度試驗(yàn)段（只有Ⅱ區(qū)進(jìn)行了第二層攤鋪）。

在試驗(yàn)場(chǎng)地基處理過(guò)程中，可以進(jìn)行試驗(yàn)工況方案的預(yù)試驗(yàn)，此舉既可以檢驗(yàn)方案的可行性，又可以節(jié)約試驗(yàn)成本。分別采用靜壓、輕振、重振進(jìn)行壓實(shí)，結(jié)果表明：?jiǎn)渭儾捎靡环N碾壓工況，壓實(shí)效果并不理想，靜壓6遍壓實(shí)度僅92%，9遍才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；振動(dòng)工況更能符合風(fēng)積沙壓實(shí)特性，但重振次數(shù)過(guò)多反而會(huì)引起壓實(shí)度降低，如重振8遍的壓實(shí)度僅為89%，因此試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)應(yīng)考慮3種壓實(shí)方式組合，且遍數(shù)不宜過(guò)多。

相關(guān)風(fēng)積沙壓實(shí)特性研究也表明，振動(dòng)碾壓效果較好。這是由于風(fēng)積沙主要由巖屑、長(zhǎng)石和石英等礦物顆粒組成，其顆粒均勻［15］，內(nèi)摩擦力相對(duì)較小、無(wú)黏聚力，故振動(dòng)作用使風(fēng)積沙顆粒處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，更易相對(duì)移動(dòng)、充填和嵌擠，振動(dòng)壓力波也可以傳遞到較深處，獲得較大的有效壓實(shí)深度和較好的壓實(shí)效果。其次，振動(dòng)壓實(shí)是需要一定剛度的介質(zhì)才能將沖擊作用傳遞給較為松散的土體，所以在實(shí)際工程中振動(dòng)壓路機(jī)在進(jìn)行壓實(shí)作業(yè)時(shí)應(yīng)該先進(jìn)行一到兩遍的靜壓［16］。且風(fēng)積沙自振頻率一般隨壓實(shí)度的提高而增大，這是由于在風(fēng)積沙壓實(shí)過(guò)程中，其抗剪強(qiáng)度也逐漸提高，剛度增大，從而導(dǎo)致自振頻率的提高［17］。為使振動(dòng)頻率接近風(fēng)積沙的自振頻率而提高壓實(shí)效率和壓實(shí)效果，壓實(shí)機(jī)械的振動(dòng)頻率應(yīng)逐漸提高［2，6，11］，故選擇先輕振后重振。此種工況組合方式也可最大限度地消除剪脹現(xiàn)象的影響［13］。

綜合以上考量，故本次試驗(yàn)選擇先靜碾、后輕振、再重振、最后靜壓收面的碾壓工況更為合理。主要碾壓機(jī)械為26 t雙驅(qū)壓路機(jī)，其輕振振動(dòng)頻率為28 Hz，激振力為310 kN；重振振動(dòng)頻率為32 Hz，激振力為420 kN。各試驗(yàn)區(qū)通過(guò)組合采用不同碾壓遍數(shù)的靜壓、輕振、重振，設(shè)計(jì)試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。

為避免攤鋪和平整過(guò)程中含水量的損失，攤鋪完成后再采用灑水車(chē)人工澆水；為保證混合料摻和均勻，試驗(yàn)采用WDB-600型穩(wěn)定土拌和站（雙臥軸連續(xù)式）進(jìn)行風(fēng)積沙粉土的摻和。

2.2.2 測(cè)定項(xiàng)目和方法

（1） 干密度測(cè)定：按照GBT50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［18］，采用環(huán)刀法對(duì)碾壓區(qū)塊分別取樣測(cè)定壓實(shí)干密度。每區(qū)塊取樣3組，每組3個(gè)試樣，取樣部位為碾壓層下部厚度1/3處，試樣采用電熱烘箱烘干，以3組測(cè)定干密度的平均值為測(cè)定區(qū)塊的實(shí)測(cè)干密度。

（2） 壓實(shí)度計(jì)算：采用壓實(shí)度作為風(fēng)積沙填筑控制指標(biāo)，較以相對(duì)密度作為控制指標(biāo)偏安全，且具有簡(jiǎn)單、明了、易操作的優(yōu)點(diǎn)［19］。壓實(shí)度計(jì)算公式為

Rc=ρd0ρdmax≥Rc

式中：Rc為壓實(shí)度；ρd0為實(shí)測(cè)壓實(shí)干密度，g/cm3；ρdmax為填筑料最大干密度，g/cm3；風(fēng)積沙最大干密度采用振動(dòng)錘擊法測(cè)得，混合料最大干密度采用重型擊實(shí)測(cè)得；［Rc］為允許最小壓實(shí)度。根據(jù)SL 274-2020《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［20］（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）和工程設(shè)計(jì)要求，［Rc］取0.96。

（3） 碾壓參數(shù)選定：各區(qū)塊每遍碾壓均通過(guò)測(cè)定最大干密度計(jì)算其壓實(shí)度，以達(dá)到《規(guī)范》規(guī)定的壓實(shí)度指標(biāo)，隨后結(jié)合施工條件分析確定攤鋪厚度（δ）和碾壓遍數(shù)（n）。

3 結(jié)果與討論

3.1 可碾壓性

風(fēng)積沙的可碾壓性是指風(fēng)積沙碾壓時(shí)碾壓設(shè)備和土料運(yùn)輸車(chē)輛在作業(yè)面可以正常行駛的性能。Ⅰ區(qū)碾壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，風(fēng)積沙的可碾壓性與其含泥量大小有關(guān)，當(dāng)風(fēng)積沙的含泥量小于5%時(shí)，若采用干壓作業(yè)，22 t單驅(qū)壓路機(jī)、26 t全驅(qū)壓路機(jī)和載重50%的雙橋四驅(qū)運(yùn)輸車(chē)輛（5～8 km/h）均因陷車(chē)無(wú)法正常行駛，呈不可碾壓性。

而Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)澆水后的濕壓作業(yè)區(qū)運(yùn)輸車(chē)輛（8～10 km/h）和壓路機(jī)均可在攤鋪后的作業(yè)面正常行駛。這是因?yàn)樯衬畢^(qū)蒸發(fā)量大，天然風(fēng)積沙在室外水分散失快，在低含水量（小于4%）下風(fēng)積沙無(wú)黏結(jié)力，呈松散狀態(tài)，而通過(guò)壩面澆灑水，使風(fēng)積沙含水率達(dá)到12%～15%時(shí)，從形態(tài)判斷風(fēng)積沙具有一定的黏結(jié)性。圖4為等體積的風(fēng)積沙在低含水率和含水率為 14.6% 時(shí)自然堆積形態(tài)。

由此可見(jiàn)，風(fēng)積沙擊實(shí)曲線的“雙峰”特性雖然理論上在較低含水率情況下可以將其壓實(shí)至接近最大干密度，但在現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)面采用壓路機(jī)碾壓和四驅(qū)自卸汽車(chē)運(yùn)輸土料均不可行。而全驅(qū)壓路機(jī)碾壓行駛穩(wěn)定性要優(yōu)于單驅(qū)壓路機(jī)，濕作業(yè)工況下壩面土料運(yùn)輸和碾壓施工效率更高，因此施工時(shí)應(yīng)采用重型全驅(qū)壓路機(jī)濕壓作業(yè)。其次，在條件允許的情況下，當(dāng)天然風(fēng)積沙的含泥量小于5%時(shí)，宜適量摻入粉土，采用拌和樓攪拌均勻后再上壩攤鋪碾壓，以提高風(fēng)積沙的可碾壓性，使壩面運(yùn)輸和碾壓工序工效更高。

3.2 工藝參數(shù)研究

3.2.1 天然風(fēng)積沙碾壓工藝參數(shù)

圖5為Ⅱ區(qū)第一層不同攤鋪厚度試驗(yàn)段壓實(shí)度Rc與碾壓遍數(shù)n關(guān)系曲線。由圖5可以看出：壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)增加呈波動(dòng)變化特征，攤鋪厚度越小波動(dòng)越大；攤鋪厚度在250 mm和350 mm時(shí)，均在第5遍碾壓后壓實(shí)度最大；攤鋪厚度在450 mm和550 mm時(shí)，分別在第6、7遍碾壓后壓實(shí)度最大；壓實(shí)度達(dá)到最大值后若繼續(xù)碾壓，壓實(shí)度會(huì)波動(dòng)變小，尤其重振碾壓時(shí)變小明顯；但最后一次靜壓各攤鋪厚度的壓實(shí)度均有升高趨勢(shì)。攤鋪厚度為250 mm時(shí)，雖然在第5遍碾壓后壓實(shí)度達(dá)到最大值，但與攤鋪厚度350 mm時(shí)同樣第5遍碾壓后壓實(shí)度達(dá)到最大值相比，工效降低，故攤鋪厚度250 mm不予采用。攤鋪厚度為350 mm時(shí)，第5遍碾壓后壓實(shí)度為0.986。攤鋪厚度為450 mm時(shí)，第6遍碾壓后壓實(shí)度為0.972，均滿足《規(guī)范》的要求。攤鋪厚度為550 mm時(shí)，第7遍碾壓后壓實(shí)度可以達(dá)到0.971，小于攤鋪厚度450 mm時(shí)第6遍碾壓后的最大值，接近《規(guī)范》規(guī)定的最小值?？紤]壩面實(shí)際施工條件比試驗(yàn)場(chǎng)復(fù)雜，對(duì)施工的不利影響因素多，綜合分析后初步選擇實(shí)際施工壩面料攤鋪厚度為400 mm，碾壓遍數(shù)為6+1遍，即先靜壓1遍，再輕振碾壓3遍，重振碾壓2遍（壓實(shí)度達(dá)到最大值），最后靜壓1遍。

為進(jìn)一步優(yōu)化碾壓工藝，Ⅱ區(qū)第二層采用350，400 mm和500 mm 3種攤鋪厚度分別通過(guò)靜壓1遍、輕振1遍、重振3遍、輕振1遍、靜壓1遍進(jìn)行碾壓試驗(yàn)，壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可以看出：350 mm、400 mm厚度試驗(yàn)段，壓實(shí)度隨著振動(dòng)碾壓波動(dòng)明顯，第4遍碾壓后壓實(shí)度即達(dá)到最大值，分別為0.978、0.975；500 mm厚度試驗(yàn)段，壓實(shí)度隨振動(dòng)碾壓波動(dòng)減弱，但第6遍碾壓后壓實(shí)度才可達(dá)到0.972。因此，最終確定采用壩面單層攤鋪厚度為400 mm，碾壓5遍，依次為：靜壓1遍、輕振碾壓1遍、重振碾壓2遍，最后再靜壓1遍。該遍數(shù)的選定高于《規(guī)范》規(guī)定的壓實(shí)度指標(biāo)，是因?yàn)榭紤]了壩面實(shí)際施工的不利影響因素對(duì)壓實(shí)效果的影響，可以提高工程施工質(zhì)量的可靠度。

在試驗(yàn)過(guò)程中，如圖5～6所示，風(fēng)積沙的壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)的增加呈波動(dòng)狀態(tài)，甚至出現(xiàn)降低情況，這正是風(fēng)積沙壓實(shí)特性的體現(xiàn)。作為一種砂性土，風(fēng)積沙同樣存在剪脹現(xiàn)象［21］。過(guò)大的擊實(shí)功（過(guò)大激振力作用下）進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的振動(dòng)壓實(shí)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)密實(shí)度不但不會(huì)增長(zhǎng)，反而變得更加疏松的現(xiàn)象，使壓實(shí)后的風(fēng)積沙重回松散狀態(tài)。即在一定擊實(shí)功內(nèi)，風(fēng)積沙的密實(shí)度會(huì)增加；但當(dāng)超過(guò)一定的擊實(shí)功后會(huì)出現(xiàn)“過(guò)振”情況［21］，密實(shí)度將會(huì)降低。分析其原因，在于沙粒振動(dòng)過(guò)程中，受到重力、碰撞力和振動(dòng)力的作用后重新排列組合，其中一些小顆粒移動(dòng)到大顆粒之間的縫隙中，且排列比較密實(shí)，即達(dá)到最大干密度。再繼續(xù)振動(dòng)，因沙粒之間摩擦力和碰撞力作用，這種多余能量破壞了沙粒原有的最佳排列狀態(tài)，原先已經(jīng)密實(shí)的結(jié)構(gòu)被部分破壞，從而引起干密度下降。風(fēng)積沙剪脹現(xiàn)象的存在，反映到施工碾壓中表現(xiàn)為在已經(jīng)壓實(shí)的風(fēng)積沙上重復(fù)多次碾壓會(huì)使其重新恢復(fù)到松散狀態(tài)。因此在現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)施工時(shí)，建議準(zhǔn)確控制碾壓遍數(shù)并進(jìn)行過(guò)程抽檢，以保證工程質(zhì)量。

3.2.2 天然風(fēng)積沙+粉土混合料碾壓工藝參數(shù)

Ⅲ區(qū)為天然風(fēng)積沙摻和13%粉土的混合料，采用250，350，450 mm和550 mm 4種攤鋪厚度，采用靜壓1遍，輕振3遍，重振3遍和靜壓1遍的碾壓組合。得到混合料壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線如圖7所示。

從圖7可以看出：摻加粉土后的混合料在各種攤鋪厚度下，壓實(shí)度與碾壓遍數(shù)的關(guān)系曲線波動(dòng)特性在最大壓實(shí)度之前基本消失，攤鋪厚度在250 mm和350 mm時(shí)，只在最大壓實(shí)度之后呈現(xiàn)微小波動(dòng)。攤鋪厚度在250 mm和350 mm時(shí)，在第2遍碾壓后即可達(dá)到《規(guī)范》規(guī)定的壓實(shí)度，其中250 mm厚度第2遍碾壓后即達(dá)到最大壓實(shí)度0.982，350 mm厚度在第3遍碾壓后達(dá)到最大壓實(shí)度0.992；450 mm厚度在第3遍碾壓后達(dá)到《規(guī)范》規(guī)定的壓實(shí)度，第5遍碾壓后達(dá)到最大壓實(shí)度0.992；550 mm厚度在第4遍碾壓后達(dá)到《規(guī)范》規(guī)定的壓實(shí)度，第6遍碾壓壓實(shí)度達(dá)到最大值0.982。

與Ⅱ區(qū)碾壓試驗(yàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，摻和粉土后，因粉黏粒可以填充沙粒之間的孔隙，并且黏土顆粒通過(guò)結(jié)合水膜使沙顆粒間粘結(jié)更加緊密，不僅可提高整體密實(shí)度，也更易壓實(shí)。所以混合料級(jí)配的改良（見(jiàn)圖1）和黏結(jié)性的改善（見(jiàn)圖4）使風(fēng)積沙混合料的可碾壓性得到提高，達(dá)到《規(guī)范》規(guī)定壓實(shí)度和最大壓實(shí)度的碾壓遍數(shù)均減少，攤鋪厚度550 mm時(shí)，在第4遍碾壓后壓實(shí)效果也能滿足《規(guī)范》要求。碾壓遍數(shù)減小和攤鋪厚度增加，以及壩面作業(yè)機(jī)械設(shè)備的工效提高可以有效提高施工效率。其次，粉土的摻入也可以改善天然風(fēng)積沙的級(jí)配，粉土顆粒填充風(fēng)積沙孔隙，可以提高壩體的抗?jié)B性能，對(duì)堤壩的滲透穩(wěn)定性有利。但是，摻和粉土需要增加粉土料的開(kāi)采、運(yùn)輸工藝和混合料的拌和工藝，從而增加施工成本，因此尚需深入探討其綜合效益。尤其是風(fēng)積沙為沙漠區(qū)的特有材料，通常沙漠腹地粉土稀缺，摻和粉土拌制混合料的可能性也會(huì)受到限制。此外，摻和粉土后的混合料壓實(shí)度對(duì)含水率的敏感度要高于天然風(fēng)積沙，所以施工時(shí)要嚴(yán)格控制最優(yōu)含水量。

3.2.3 風(fēng)積沙碾壓層間影響分析

為進(jìn)一步探究碾壓過(guò)程中的層間影響，Ⅱ區(qū)第二層采取靜壓1遍、輕振1遍、重振3遍、輕振1遍和靜壓1遍的碾壓工況，在400 mm攤鋪厚度試驗(yàn)段，測(cè)試第一層土料的壓實(shí)度進(jìn)行分析，如圖8所示。

由圖8曲線可以看出：隨著第二層碾壓遍數(shù)增加，第一層壓實(shí)度與其之前終碾后的平均壓實(shí)度相比，第1，2遍靜壓和輕振后的壓實(shí)度基本無(wú)影響，第3，4遍重振時(shí)壓實(shí)度逐漸提高，第5遍后達(dá)到最大值0.992，比起終碾后的壓實(shí)度增加了0.9%，第6，7遍輕振、靜壓時(shí)壓實(shí)度未見(jiàn)明顯提高。

由此說(shuō)明，攤鋪厚度為400 mm時(shí)，上層碾壓對(duì)下層仍有壓實(shí)作用。這是由于下層已達(dá)到較高壓實(shí)度，土體的剛度增大，自振頻率增加，而靜壓和輕振壓力傳遞深度較小，靜壓和輕振對(duì)下層壓實(shí)度影響不大，重振碾壓有較高的振動(dòng)頻率和激振力，影響深度更大，故對(duì)下層風(fēng)積沙的壓實(shí)度有再次提升效果。并且上層填筑的風(fēng)積沙對(duì)下層有了上部約束，所以風(fēng)積沙壓實(shí)度隨碾壓遍數(shù)波動(dòng)也明顯減弱。因此，壩面施工時(shí)，若檢測(cè)得到施工層壓實(shí)度稍有不足，可以不用補(bǔ)壓，繼續(xù)此工況上層施工，但需在上層碾壓施工完成后對(duì)下層壓實(shí)度抽檢復(fù)測(cè)，以確認(rèn)其施工質(zhì)量是否滿足設(shè)計(jì)及《規(guī)范》要求。

3.3 工藝可行性

經(jīng)研究和對(duì)比分析，在采用壓路機(jī)濕壓進(jìn)行風(fēng)積沙堤壩填筑壓實(shí)作業(yè)時(shí)，為同時(shí)考慮施工質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益，攤鋪厚度應(yīng)采用400 mm，碾壓5遍，具體工況為：靜壓1遍、輕振碾壓1遍、重振碾壓2遍，最后再靜壓1遍。此工況下壓實(shí)度不存在局部不足現(xiàn)象，更有利于項(xiàng)目成本控制，并且壓實(shí)效果更好。本次壓實(shí)工藝研究成果在該工程后續(xù)項(xiàng)目施工時(shí)進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證應(yīng)用，并取得良好效果。

已有的研究表明［22-23］，同一沙漠的風(fēng)積沙在物質(zhì)組成及粒度組成等方面相對(duì)穩(wěn)定；且文獻(xiàn)［21］指出：從目前已有的成果資料來(lái)看，除局部區(qū)域風(fēng)積沙以外，中國(guó)沙漠的風(fēng)積沙顆粒組成基本上相差不大，主要由細(xì)沙粒組成，粉黏粒含量很低，粒徑分布比較集中，并且各地的風(fēng)積沙顆粒級(jí)配比較相近，離散性不大。故本文確定的相關(guān)工藝參數(shù)不僅可以指導(dǎo)當(dāng)?shù)仫L(fēng)積沙筑堤壩施工，也可以為其他地區(qū)的風(fēng)積沙工程碾壓施工提供參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

（1） 風(fēng)積沙在含泥量小于5%的情況下若采用干作業(yè)，因碾壓機(jī)械和運(yùn)輸車(chē)輛在壩面無(wú)法正常行駛而呈不可碾壓性，因此推薦壩面澆水后采用濕作業(yè)。

（2） 對(duì)于該工程，建議壩面施工時(shí)天然風(fēng)積沙單層攤鋪厚度采用400 mm，選取更合理的輕重振動(dòng)組合共計(jì)碾壓5遍，依次為：靜壓1遍、輕振碾壓1遍、重振碾壓2遍，最后再靜壓1遍為推薦施工工況。

（3） 摻和13%粉土后的風(fēng)積沙混合料與天然風(fēng)積沙相比，可碾壓性明顯提高，且達(dá)標(biāo)所需碾壓遍數(shù)更少，可有效提高壩面施工效率和工程質(zhì)量，但需嚴(yán)格控制含水率和進(jìn)行成本考量。

（4） 通過(guò)對(duì)風(fēng)積沙碾壓層間影響分析可知，攤鋪厚度為400 mm時(shí)，上層碾壓施工對(duì)下層壓實(shí)度有較明顯的提升效應(yīng)，重振碾壓尤為明顯，對(duì)施工有積極作用。

本文碾壓試驗(yàn)是以最常見(jiàn)的壓路機(jī)為碾壓機(jī)械條件下進(jìn)行的，今后應(yīng)探討采用履帶式、膠輪式等其它壓實(shí)機(jī)械碾壓風(fēng)積沙堤壩的施工規(guī)律，全面研究風(fēng)積沙筑堤壩施工技術(shù)。另外，混合料的摻入選擇了粉土，主要是考慮就地取材，而其他材料（如黏土、水泥等）單摻或者混摻同樣也存在改善風(fēng)積沙工程特性的可能性。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 陳忠達(dá)，李萬(wàn)鵬.風(fēng)積沙振動(dòng)參數(shù)及振動(dòng)壓實(shí)機(jī)理［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007（1）：1-6.

［2］ 楊人鳳，曾家勇，林冬.風(fēng)積沙壓實(shí)機(jī)理及壓實(shí)特性［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，31（4）：22-26，33.

［3］ 楊玉春，程汝恩.風(fēng)積沙工程特性及用作壩殼填筑料可行性研究［J］.人民黃河，2014，36（1）：95-97.

［4］ 尹文華，王旭，張繼周，等.沙漠腹地高速公路風(fēng)積沙填料壓實(shí)特性及填筑方法試驗(yàn)研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，18（5）：1177-1187.

［5］ 劉超，曹亞西.風(fēng)積沙干壓法施工松鋪厚度與壓實(shí)效果研究［J］.公路，2020，65（6）：80-83.

［6］ 張洋，張艷召，吳廣陵，等.風(fēng)積沙壓實(shí)特性及填筑重載鐵路路基壓實(shí)工藝［J］.鐵道建筑，2017（3）：77-80.

［7］ 李佳杰，田正宏，許健，等.混摻粉土與水泥改良風(fēng)積沙堤壩性能試驗(yàn)研究［J］.水電能源科學(xué)，2021，39（8）：112-115，132.

［8］ 趙昊宇，田正宏，許健，等.水泥混摻粉土改性風(fēng)積沙凍融特性分析［J］.水利水電科技進(jìn)展，2022，42（2）：107-113.

［9］ 金昌寧，張玉紅.粉黏粒含量對(duì)風(fēng)積沙水穩(wěn)定性影響的初步探討［J］.中外公路，2013，33（4）：255-258.

［10］ 胡三喜.包西鐵路榆林地區(qū)風(fēng)積沙填料物理改良研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012（7）：18-22.

［11］ 袁玉卿，王選倉(cāng).風(fēng)積沙壓實(shí)特性試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007（3）：360-365.

［12］ CHEN H Y，YUAN X Z.Vibration test study on aeolian sand filler of existing slab culvert strengthened by corrugated metal pipe［J］.IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2021，787：4912-4918.

［13］ 陳忠達(dá)，張登良.塔克拉瑪干風(fēng)積沙工程特性［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（3）：1-4.

［14］ 黃長(zhǎng)寬.摻配全強(qiáng)風(fēng)化防滲土料在土石壩中的應(yīng)用研究［J］.人民長(zhǎng)江，2016，47（增2）：79-82.

［15］ 徐玉波，張飛陽(yáng)，崔強(qiáng)，等.水泥加固風(fēng)積沙地基桿塔基礎(chǔ)抗拔性能模型試驗(yàn)［J］.人民長(zhǎng)江，2020，51（4）：208-212.

［16］ 楊興哲.低路堤振動(dòng)碾壓力學(xué)響應(yīng)特征及對(duì)周邊結(jié)構(gòu)影響分析［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2021.

［17］ 李萬(wàn)鵬.風(fēng)積沙的工程特性與應(yīng)用研究［D］.西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2004.

［18］ 中華人民共和國(guó)水利部.土工試驗(yàn)規(guī)范：GBT50123-2019［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2019.

［19］ 蘇都都，張彥忠.風(fēng)積砂填筑標(biāo)準(zhǔn)及施工關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2020（11）：160-163.

［20］ 中華人民共和國(guó)水利部.碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范：SL274-2020［S］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2020.

［21］ 張宏，王智遠(yuǎn)，劉潤(rùn)星.科爾沁沙漠區(qū)風(fēng)積沙動(dòng)力壓實(shí)特性研究［J］.巖土力學(xué)，2013，34（增2）：100-104.

［22］ 金昌寧，張玉紅，李森，等.細(xì)粒物質(zhì)變化對(duì)風(fēng)積沙擊實(shí)特性的影響［J］.公路交通科技，2008（10）：36-40.

［23］ 金昌寧，李志農(nóng)，張登良，等.沙漠地區(qū)風(fēng)積沙路用性能研究［R］.烏魯木齊：新疆交通科學(xué)研究院，2003.

（編輯：胡旭東）

Experimental study on filling and rolling performance of aeolian sand embankment

GAN Tao1，XU Jian1，ZHANG Shimao2

（1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China； 2.Gansu Water Conservancy Engineering Geological Construction Co.，Ltd.，Lanzhou 730000，China）

Abstract：

Using aeolian sand as embankment filling material is a new technology，which is of great significance to the construction of water conservancy projects in desert areas.In order to study the rolling process performance of aeolian sand and determine the reasonable construction technology and parameters，based on the Huanghuatan water storage and water supply project in Gulang County，the particle analysis test，compaction test and field rolling test under different combination conditions were carried out on the mixture of aeolian sand and silt aeolian sand.The test results showed that under the condition of on-site construction，the low mud content natural aeolian sand with the maximum dry density of bimodal characteristics under dry operation was not rollable，and wet operation was recommended.It was more reasonable to adopt the combined rolling condition of light and heavy vibration.When adopting wet construction，the single layer paving thickness was 400 mm，and the 26 t roller was used to roll for 5 times（static pressure 1 time，light vibration rolling 1 time，re-vibration rolling 2 times，and static pressure 1 time），the compaction degree could meet the requirements.The aeolian sand mixture mixed with 13% silt had better rolling performance，which could effectively improve the construction efficiency and engineering quality of the embankment.The filling and rolling process of the upper aeolian sand had a further improvement effect on the compaction degree of the lower rolled aeolian sand.

Key words：

aeolian sand；rolling process；rolling times；compaction degree；rollability