沖擊碾壓法加固堰塞壩料的室內模型試驗研究

占鑫杰 ，李文煒，楊守華，朱群峰，許小龍，黃慧興

(1. 南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 2. 水文水資源與水利工程科學國家重點試驗室，江蘇 南京210029； 3. 河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098)

堰塞壩是由滑坡、崩塌、泥石流等地質自然災害形成，其構成材料主要為成分復雜、級配較寬、整體松散的土石混合料[1]。由于地質災害持續時間較短，因此堰塞壩料通常在短時間迅速堆積，無法在土層重力作用下充分壓實，因此其天然密度較低，結構松散，內部存在較多的孔隙[2]。此類材料在天然狀態下缺陷明顯，但堆積體方量極大，例如2000 年發生的易貢大滑坡[3]，形成的堰塞體方量超過3 億m3；2008 年，由汶川地震引發的山體崩塌形成了方量約2 037 萬m3的唐家山堰塞體[4]；2010 年，特大暴雨導致甘肅舟曲發生山洪泥石流[5]，形成的堰塞體方量約140 萬m3。國內外學者指出，對近期來水情況下整體穩定的堰塞體，可開展堰塞壩開發利用的評估與設計，達到變廢為寶的效果。何寧等[6]研究了堰塞體的加固和開發，從環境、社會、經濟三方面進行評估，建議采用密實加固、防滲加固、堰塞體加固與堰塞湖開發利用的銜接技術進行加固和開發。同時，我國云南紅石巖、重慶小南海、疊溪大海子堰塞體整治工程均取得了成功[7-8]，證明了堰塞體開發利用的可行性。

堰塞體的開發利用，首先要解決的是堰塞體的表層密實問題，以便后續施工設備進場和施工作業開展。但目前針對堰塞壩料的相關研究主要集中于力學強度、滲透及沖蝕特性等，有關密實特性的研究很少，更沒有考慮各密實加固工藝參數對材料密實性的影響，因此有必要研究傳統動力密實方法對堰塞壩料的改良效果。

沖擊碾壓是工程中常見的動力加固方法，該方法將沖擊和碾壓相結合，利用非圓形沖擊輪在運動過程中由于重心變化產生的沖擊力和自重產生的壓力對土體進行壓實，相比傳統的靜壓密實技術，加固深度更深，壓實效率提高3 倍以上。近年來，沖擊碾壓技術已廣泛應用于公路、機場等工程的地基加固中，國內外學者通過現場試驗[9]和數值模擬[10-12]等手段對沖擊碾壓的加固機理和方案進行了有益探索。卞學良等[13]采用有限元法模擬三邊形沖擊壓路機的壓實過程，認為沖擊輪的外輪廓曲線形狀對其壓實效果有較明顯的影響；Kimk 等[14]通過有限元數值模擬分析發現沖擊碾壓的壓實效果與沖擊作用時的接觸及接觸應力密切相關；王生新等[15]研究路基黃土在沖碾前后的微觀結構和孔隙特征，表明淺層黃土的微結構發生明顯變化，且小孔隙明顯增多；陳忠清等[16-17]采用研制的沖擊碾壓試驗設備，對影響砂土沖碾加固效果的因素及加固機制進行了研究，探討了沖擊輪質量和牽引速度對加固效果的影響。

但目前沖擊碾壓加固效果的研究主要針對黃土、粉土、砂土等級配均勻的細粒土，未見對寬級配堰塞壩料的沖擊碾壓加固效果的研究報道。本文基于相似定律設計不同能量的堰塞壩料沖擊碾壓模型試驗，綜合宏-微觀分析手段，對沖擊碾壓過程中的動應力發展傳播規律、位移變化特性、加固效果等進行系統研究。

1 模型試驗設計

1.1 模型相似比設計

基于相似定律進行堰塞壩料沖擊碾壓模型試驗的設計，包括以下相似條件：（1）模型與原型幾何相似；（2）模型與原型系統應是屬于同一種性質的相似現象，可用同一個微分方程描述；（3）模型與原型的同類物理參數成比例，且比例為常數；（4）模型與原型的初始條件與邊界條件相似。

基于相似原理，試驗涉及的參數主要有：沖擊輪質量m，沖擊輪密度ρ，沖擊輪直徑L，沖擊輪體積V，沖擊輪牽引力F，沖擊輪支持力T，滾動摩擦力f，滾動摩擦系數μ，沖擊輪速度v，沖擊輪作用時間t，沖擊輪作用距離s，沖碾遍數N，土的含水量w、干重度γd，有效加固深度H，用函數表示上述參數的關系為：

式（1）以沖擊輪質量m和直徑L為獨立物理量，根據π定理對其余物理量進行量綱分析，得到各自的無量綱π數為：

因此方程（1）可以變為：

根據相似第二定理，得到各相似指標為：

本次模型試驗中，根據試驗目的、試驗材料的顆粒級配，進行了一些有針對性的物理量假定，認為模型和原型中堰塞壩料的密度和壓縮模量參數保持不變，即Cρ=1。

1.2 模型試驗方案

根據式（4）可知，只要確定沖擊輪直徑的相似系數CL，其他的相似系數便可確定，這樣可以保證模型與原型的相似?？紤]到模型試驗箱的寬度應大于沖擊輪寬度的5 倍，確定沖擊輪尺寸的相似系數為CL=12，密度相似系數Cρ=1，各相似系數如下：Cm=1 728，CL=12，Cv=3.46，Ct=3.46，CF=1 728。

采用以上相似比例系數，設計4 種不同參數的堰塞壩料沖擊碾壓模型試驗，原型參數與模型對照如表1 所示。

表1 沖擊碾壓試驗原型與模型參數對照Tab. 1 Comparison of parameters for inrolling dynamic compaction between prototype and model test

1.3 模型試驗裝置

堰塞壩（體）材料的沖擊碾壓模型試驗裝置示意圖及實物圖如圖1 所示，由模型箱、三邊形沖擊輪、牽引系統、控制系統、圖像采集系統，傳感器及數據采集裝置組成。模型箱的尺寸為250 cm×55 cm×70 cm（長×寬×高），模型箱內部采用2 個隔板形成3 個區域空間，模型箱的實際有效距離為150 cm。模型箱整體固定在底盤支座上。兩側布置承臺，用于支撐初始狀態和結束狀態的模型沖擊輪。模型箱正面開設可視窗口，在視窗位置安裝1 cm 厚的鋼化玻璃，玻璃視窗的長度和高度分別為140 cm 和65 cm。通過該視窗可觀測土顆粒在沖擊碾壓作用的位移變化；同時結合圖像分析技術，可對其位移特征進行分析。在模型箱內壁鋪設1~2 cm 厚的泡沫來消除可能的邊界反射波對試驗結果的影響。

圖1 模型裝置示意及實物Fig. 1 Schematic diagram of model device

試驗采用三邊形模型沖擊輪，根據模型沖擊輪的幾何相似分析（幾何相似系數CL=12，Cm=1 728），模型沖擊輪的外接圓直徑為175 mm，輪寬為108 mm，對應于原型沖擊輪的直徑為2.1 m。模型試驗采用的沖擊輪質量分別為4.22 和7.81 kg，可通過在其內部更換質量塊的方式來調節質量大小，對應于原型沖擊輪質量分別為7.3 和13.5 t。試驗過程中可通過操作臺的參數設置調節電動卷線器的工作頻率來更改牽引力的大小，使沖擊輪具有不同的牽引速度。

1.4 材料及制備

本次模型試驗的堰塞壩料取自西藏波密易貢大滑坡舊址，為滑坡后殘存的堆積體。對現場取樣獲取的易貢堰塞壩料進行篩分試驗、密度及含水率測試等，其天然干密度為1.81 g/cm3，含水率為6%，不均勻系數為20.7，曲率系數為2.0。根據《土的工程分類》[18]，現場取樣堰塞壩料為級配良好礫。

考慮到堰塞壩料的寬級配特性，將試驗材料的最大粒徑控制為20 mm，采用等量替代的方法，保持顆粒粒徑小于5 mm 的含量不變，將大于2 cm 的超徑粒徑用5~20 mm 粒徑土體按比例等質量替換，縮尺后的堰塞壩料級配如圖2 所示。

圖2 堰塞體原狀材料和試驗材料的級配曲線Fig. 2 Gradation curve of undisturbed material and test material of landslide dam

模型箱中堰塞壩料的制備采用落雨法，控制堰塞壩料的干密度為1.81 g/cm3。試驗前采用落雨法對堰塞壩料密度與落雨距離的關系進行標定，確定試驗的撒砂高度為10 cm。

1.5 量測設備

動應力的量測采用微型動態應變式土壓力盒，由于堰塞壩料的粒度分布范圍較廣，要求土壓力盒直徑盡可能大，使壓力盒的直徑大于堰塞壩料的最大直徑。為此選定的土壓力盒的尺寸為φ28 mm×9 mm，并在土壓力盒的周圍采用細砂保護，土壓力盒的布置見圖1。在模型堰塞壩料深度5、10、15、20、25、30 cm 共布置15 個土壓力盒，可獲取沖擊碾壓過程中地基不同深度的動土應力變化。在堰塞體地基表面沖擊輪沖擊處放置有一枚與橡皮墊粘接的土壓力盒，以測試沖擊碾壓的接觸應力。動土應力和沖擊接觸應力的數據由DH5922D 動態信號測試分析系統自動采集，采集頻率為5 kHz，該頻率能夠準確監測沖擊碾壓后堰塞壩料的動應力變化。

圖形測試系統由照明裝置和相機組成。照明裝置采用LED 聚光燈，相機選用PowerShot G5 X 相機，該相機的圖像采集速度30 次/s，單次圖像采集像素達到2 000 萬，可通過藍牙將圖像上傳至計算機，記錄沖擊加固過程中顆粒的運動情況。顆粒運動采用粒子圖像測速法[19]（Particle Image Velocimetry，簡稱PIV）進行分析，首先對部分堰塞壩料進行染色，制作適宜分析的散斑，對沖擊碾壓過程中不同時間段的散斑變化圖片進行對比，記錄位移分布信息。

沖擊碾壓后，采用ZXL-12 型智能填土密實度檢測儀對堰塞壩料進行貫入試驗，獲取不同深度地基的比貫入阻力值。

1.6 試驗流程

堰塞壩料沖擊碾壓模型試驗的流程如下：（1）對堰塞壩料進行篩分，按照粒徑分為8 個粒組，每組分別放置于不同的裝樣桶；每次取樣前根據級配數據取樣混合配置相應的試驗材料。（2）通過砂雨法制樣裝置將堰塞壩料按照固定落距裝入模型箱中。（3）在裝樣過程中進行傳感器的布置，傳感器間距由直尺測量，確保位置準確。（4）在裝樣完成后，在堰塞壩料表面鋪一層厚3 mm 的橡膠墊；在橡膠墊表面，找準沖擊作用位置布置1 個土壓力盒，直接粘貼在橡膠墊下面。（5）將模型沖擊輪放置在模型箱左側起始位置的承臺上，每遍碾壓時沖擊輪的起始位置固定，保證模型沖擊輪在試驗過程中能夠沿規定路線運動。（6）打開電機，通過牽引繩拉動牽引裝置，使沖擊輪按照設置的速度運動，當沖擊輪到達右側承臺后自動切斷電源。（7）開啟返回開關使沖擊輪返回左側起始承臺，放置于起始位置，視為1 遍碾壓結束。（8）試驗過程中共進行15 遍沖擊碾壓，每3 遍沖碾后在不同的沖擊處進行貫入試驗，測試深度為40 cm，貫入速度為5 mm/s。

2 試驗結果與分析

2.1 沖擊接觸應力

堰塞壩料模型試驗第9 遍碾壓時的沖擊接觸應力測試結果如圖3 所示。從圖3 可知，沖擊輪與地基表面接觸后，接觸應力急劇增大，達到峰值后又迅速減小，曲線形態為類三角形，整個過程持續時間約為0.1 s，這說明沖擊碾壓過程中主要的有效加固過程為1 次脈沖沖擊。根據試驗參數，不同牽引速度和沖擊輪質量組合下的沖擊應力峰值分別為2.5、2.9、5.0、7.1 MPa，數值隨著牽引速度和沖擊輪質量的增大而增大。同時可以發現沖擊接觸應力時程曲線在前期存在一定的波動，這主要是因為堰塞壩料的結構松散，顆粒容易發生錯動，導致測試結果出現波動。

圖3 沖擊碾壓荷載作用下堰塞壩料的典型接觸應力測試結果Fig. 3 Test results of typical contact stress of landslide dam material during rolling dynamic compaction

2.2 動土應力發展及傳播規律

2.2.1 動土應力隨沖擊遍數發展規律 沖擊碾壓后堰塞壩料地基不同深度（0.6、1.2、2.4、3.0 m）的動應力峰值與碾壓遍數變化關系見圖4。從圖4 可見，沖擊碾壓引起的動土應力整體上隨著碾壓遍數的增加而增加，且在前3 遍碾壓的增長幅度明顯大于后續的增長幅度，12 遍后數值基本穩定。值得注意的是，當牽引速度或沖擊輪質量較小時，動土應力的增長幅度明顯較小，甚至在后期出現了持續下降。相同條件下，高牽引速度對較深（2.4、3.0 m）處堰塞壩料的加固效果提升明顯，較深處土體動應力隨碾壓遍數有明顯增長，15 遍碾壓后數值提升了6~10 倍，這說明提高牽引速度有助于沖擊輪產生的沖擊荷載及碾壓效果向更深處傳遞。

圖4 不同深度動土應力峰值隨沖擊碾壓遍數變化Fig. 4 Variation of dynamic stress peak value with number of passes at different depths

2.2.2 動土應力隨深度的衰減規律 不同牽引速度及沖擊輪質量組合下，動應力峰值隨深度的衰減規律見圖5。從圖5 可知，沖擊碾壓引起的地基動土應力峰值隨深度的增加不斷減小，且0~2.4 m 的衰減超過70%，這說明沖擊碾壓的加固效果主要集中于2.4 m 以上。同時可以發現，當牽引速度由1.73 m/s 提升至3.46 m/s 時，2.4~3.6 m 區間的曲線斜率明顯增大，且3.0 m 深度處動應力峰值可在15 遍碾壓后達到100 kPa以上，這意味著有效加固深度從2.4 m 增大到3.6 m，同時表明牽引速度對加固效果的影響更大，牽引速度的提升有助于動土應力向地基深層傳遞。

圖5 堰塞壩料地基中動應力峰值隨深度的衰減規律曲線Fig. 5 Attenuation curve of dynamic stress peak value with depth in landslide dam material foundation

2.3 沖擊碾壓后地基的變形特性

每遍碾壓后，對碾壓路徑中心位置附近沖擊輪形成的沖擊坑的最大沉降進行了量測，多個沖擊坑取均值確定為每遍碾壓后的沉降。不同沖擊輪牽引速度和質量條件下，堰塞壩料地基表面沉降與碾壓遍數的關系如圖6 所示。

圖6 堰塞壩料地基表面沉降與碾壓遍數的關系Fig. 6 Relationship between surface settlement of landslide dam material and number of passes

由圖6 可知，隨沖擊碾壓遍數的增加，地基表面沉降呈增長趨勢，且主要沉降發生在前7 遍碾壓，此后沉降的增加幅度減小，碾壓遍數超過12 遍后，表面沉降基本穩定。如沖擊輪質量為7.3 和13.5 t 時，7 遍沖擊碾壓后沉降分別為28 和36.2 cm，占15 遍碾壓后沉降的81.6%和78.4%。同時可以發現，沉降數值隨牽引速度的增加增長明顯，且數值穩定所需的碾壓遍數相應增加。這說明提高沖擊輪的牽引速度，有助于促進地基表面土體向下運動，促進土體密實。

2.4 沖擊碾壓后地基的強度特性

為評價不同沖擊輪牽引速度及質量組合下的沖擊碾壓加固效果，試驗結束后采用小型貫入儀對多個沖擊坑中心位置的地基進行貫入試驗，取均值計算其貫入阻力，不同參數下的比貫入阻力與深度的關系如圖7 所示。

圖7 不同牽引速度下模型地基比貫入阻力與深度的關系Fig. 7 Relationships between specific penetration resistance and depth of model foundation under different traction speeds

從圖7 可知，沖擊碾壓后的比貫入阻力相較未處理時提升明顯，深度2.4 m 以上提升幅度超過200%，這說明沖擊碾壓對表層堰塞壩料的加固效果良好；同時比貫入阻力值隨著沖擊輪質量增加而增大。值得注意的是當深度超過3.0 m 時，1.73 m/s 的牽引速度下，比貫入阻力數值差距較小，15 遍碾壓后地基強度增長幅度為16%和50%，但牽引速度提高至3.46 m/s 后，增幅則超過85%。這意味著當沖擊輪質量一定時，提高牽引速度有助于提高影響深度；但是當堰塞壩料地基的強度提高后，繼續提高沖擊碾壓的遍數，加固效果不明顯。綜合不同方案的試驗結果可知，滿足易貢堰塞壩材料的沖擊碾壓參數：沖擊輪質量為13.5 t，牽引速度為3.46 m/s，碾壓遍數為12 遍。

2.5 沖擊碾壓后地基內部位移特性

為評價不同沖擊輪牽引速度及質量組合下的堰塞壩料顆粒運動情況，對試驗中使用的堰塞壩料進行了染色（圖8），對沖擊輪碾壓前后堰塞壩料的散斑變化情況進行PIV 分析，得到顆粒運動分布。

圖8 堰塞壩料散斑的制作Fig. 8 Fabrication of material speckle in landslide dam material

沖擊碾壓荷載下堰塞壩料顆粒位移分布如圖9所示。從圖9 可知，沖擊碾壓引起的顆粒運動非對稱，運動方向前側的影響范圍更大。沖擊碾壓后堰塞壩料顆粒位移分布呈現明顯分區，沿沖擊輪運動方向可分擠壓區、沖擊區和波動影響區，其中沖擊區位移以豎向位移為主，數值隨著深度的增加而衰減，且在2 m 深度處數值明顯變小，說明豎向位移主要集中于2 m 范圍內，這也與分析動土應力得到的結論類似。波動影響區則以與沖擊輪運動方向平行的水平位移為主，主要集中在距離沖擊點中心2 m 范圍內；擠壓區在表層大多出現向上的顆粒運動，位移主要集中在距離沖擊點中心1 m 范圍內。

圖9 堰塞壩料強夯及沖擊碾壓加固顆粒運動情況Fig. 9 Movement of reinforcement particles of landslide dam material by rolling dynamic compaction

3 結 語

為深入研究沖擊碾壓法對堰塞壩料的加固效果和加固機理，通過設計4 種不同沖擊輪質量及牽引速度的室內沖擊碾壓模型試驗，系統研究了沖擊碾壓后地基的動應力發展傳播規律、位移發展規律、顆粒運動和加固效果。主要結論如下：

（1）三邊形沖擊輪引起的沖擊荷載為脈沖荷載，持續時間約為0.1 s，到達峰值后迅速衰減，是動力加固的主要能量來源。沖碾產生的接觸應力隨著牽引速度和沖擊輪質量的增大而增大。沖擊碾壓對堰塞壩料地基表層加固效果良好，深度3.6 m 范圍內的堰塞壩料密實度提升明顯。沖擊碾壓引起的動土應力隨著碾壓遍數的增加而增加，12 遍后數值基本穩定。沖碾引起的地基動土應力隨著深度迅速減小，0~2.4 m 深度處的動應力衰減超過70%。

（2）動應力、比貫入阻力、內部位移試驗結果均表明提高沖擊輪的速度對加固效果的影響更大，更高的牽引速度可以有效提高沖擊動應力，使沖碾加固效果向深層傳遞。堰塞壩料顆粒的運動呈現出分區特點，沿沖擊輪運動方向可分擠壓區、沖擊區和波動影響區。