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南水北调中线工程总干渠全长约1432km,沿线分布有膨胀岩的渠段长169.7km,分布有膨胀土的渠段长279.7km。膨胀岩土处理技术难度高,制约因素多,是南水北调中线工程的关键技术问题之一。设计中部分填方渠段将用附近开挖的膨胀岩作为填料(开挖后的膨胀岩料类似于土),且拟采用土工合成材料对填方段膨胀岩渠坡进行加固。但是,将土工合成材料用于大规模膨胀岩土高边坡的加固在国内外尚无先例,缺乏成熟的经验和可靠的设计方法。在“十一五”国家科技支撑计划重大项目“南水北调工程若干关键技术研究与应用”的支持下,专门开展了膨胀岩的碾压试验研究,目的是确定膨胀岩的压实特性以进行合理的边坡加固设计。河南省新乡市璐王坟渠段是所选的现场碾压试验点之一。笔者作为主要的成员,全程参加了璐王坟试验段的试验研究和成果分析。本文所记述的成果数据整理和统计分析皆由笔者完成。
试验研究内容主要有:(1)不同铺层厚度及碾压遍数的比较试验,在振动平碾(18t)条件下,进行了40cm、50cm、60cm三种铺土厚度的碾压试验;(2)不同吨位振动平碾的比较试验,选择了16t、18t和20t三种碾压吨位,分别进行了40cm和50cm铺土厚度的碾压试验;(3)必要的室内土性试验。
基于试验结果得到如下结论:
(1)相同碾压吨位条件下,铺厚越小、碾压遍数越多,则膨胀岩压实效果越好。对于18t碾压吨位,铺厚40cm、碾压遍数14时压实效果最好,泥灰岩可以达到1.98g/cm3的最大干密度。
(2)在干密度随碾压遍数增加而逐渐平缓后,通过改变碾压吨位来提高干密度的效果并不明显。40cm铺厚的泥灰岩在20吨位时干密度没有明显的增加,而50cm铺厚20吨位时的干密度与18吨时相比反而下降了0.01g/cm3。
(3)膨胀性随干密度增加而增大,随含水率增加而减小。膨胀率随干密度变化趋势在干密度为1.80g/cm3时产生突变,膨胀性变为强膨胀,改变了原先的弱膨胀性。
(4)运用多元回归分析方法得到压实度、膨胀性与各影响因素的回归方程式,这些方程式有助于解释膨胀岩压实特性和机理。
(5)较优的膨胀岩填料碾压的主要压实参数为:18t的振动平碾,60cm铺厚,碾压遍数10,含水率控制在ωop+1.0~2.0%,对应干密度在1.80g/cm3(压实度约91.0%)左右。
(6)南水北调中线工程河南新乡璐王坟试验段的膨胀岩现场碾压试验成果,为该工程的土工合成材料加筋法提供了压实质量控制指标和碾压工艺参数。