水工混凝土强度标准有关问题的探讨和改进建议.pdf

水利水 电施 工2 0 1 2 第 1 期 总第 1 3 0 期 厂 c f ( 1 一托 ) ( 3 ) 一 + 打 ( 4 ) 式 ( 2 ) 式( 4 )是 A C I 2 1 4 1 9 7 7增 加 的 ，A C I 2 1 4 1 9 5 7 、AC I 2 1 4 1 9 6 5都只使用式 ( 1 ) 。因为那时 认为，变异系数 是变异性的相对指标，不随强度变化； 标准差 是变 异性 的绝对 指标 ，随强 度变 化 ，故 只应用 ，而不应用 a 。实际上， 和d都是随强度变化的。由于 ：d ，代入式 ( 1 )便得式 ( 2 ) 。所以，应用 或 都 可以，式 ( 1 )和式 ( 2 )计算得到的 _厂 c 是相 同的；而 由 衍生得，故式 ( 2 )更直接、简便。 不同 工 程 结 构 低 于 ， 的 概 率 户凭 经 验 确 定 ， AC I 2 1 4 1 9 5 7的规定见表 2 。 表 2 概 率 户 取 值 结构混凝土 路面 不受强度 水坝与 控制的 破损强 普通设计 抗压强度 抗弯强度 灌溉工程 度设计 其他工程 1 2 0 1 l O 2 1 0 2 1 0 2 1 0 3 1 0 AC I 2 1 4 1 9 6 5中精简为：1 级混凝土 ( 按极限强度 设计的结构混凝土) ，1 l O ；2级混凝土 ( 按容许应力设 计的结构混凝土路面、坝、灌溉工程) ，2 1 0 。 AC I 2 1 4 1 9 7 7中没 有 明确 系数 t 应取 多 大 ，只在 计算例题中介绍 了别的标准的采用值 。如使用式 ( 1 ) 或式 ( 2 )时，“ 对 于按 极 限强 度 方 法 设计 的结 构， A S T M 建议 ，低于规定强度 的强度不得超过试验总次 数的 1 0 ” ，即取 一1 2 8 ；又如使用式 ( 3 )或式 ( 4 ) 时 ，“ AC I 3 1 8 1 9 7 1建议 ， 3个 连续 试 验 的 平均 值 低 于 的发 生 频 率 1 0 0次 中不 应 超 过 1次 ” ，即取 一2 3 3 ，将 ：3代入 ，则 和 d前面 的系数 一 1 3 5 ，和使用式 ( 1 )或式 ( 2 )的 1 2 8仅相差 o 0 7 ， 最终计算得的 是相近的，仅相差 0 0 7 a 。应该指出 的是 ，r 增大 ，t 值也增大 ，不是 固定不变的 ，而是保 持 和 前面的系数 大致不变 ，使计算得的 基 本相 同 。 1 1 2 验收强度 A CI 2 1 4 1 9 7 7中没有明确规定，但 由其第 4章中的 要求可得出，连续低强度试验结果的评价见表 3 。 表 3中第 2列和第 3 列就是试件强度平均值的验收强 度 R 验 ( R验应是试件强度平均值 的验收强度 。此外，还 应设试件强度最小值的验收强度，以检验强度的变异性。 AC I 2 1 4 1 9 7 7中没有设试件强度最小值的验收强度，限 于篇幅，不加讨论。本文 中的 “ 验收强度”都是 “ 试件 强度平均值 的验收强度” 。 ) ，但这是建立在 “ 初始选择 的准则为低于 的概率 户 ：1 0 ”的基础上的，即建 立在确定配制强度 的保证率 P=9 0 的基础上，若低 于 的概率 P改变，R验也随之改变。 由表 3中注可得 AC I 2 1 4 1 9 7 7中的验收强度 R验 一 一 2 O 5 ( 5 ) 1 4 式中 试验次数 ( 即试件组数 ) ； 一 2 O 5 与表 3中注 “ 试件强度平均值小于表列值 的概率为 2 ”相应的概率度，2 就是抽样 检验的第 1 类错误 ，是将合格的错判为不合 格的概率，或称生产方损失 。 表 3 连 续低 强度试验 结果的评价 1 2 3 4 5 平均值 平均值低于表列的 低于 数值需要进行研究 的概率 取平均 ( ) 值的连 初始选择 l厂 c r 的准则 续试验 次数 低于 一 低于 的概率 p一1 o 5 0 0 磅 英寸0 低于 ， 的概率 声一1 的概率 p ：1 0 对于 一1 5 对于给定的 对于给定的 1 0 8 6 o 7 7 a 一 5 0 0 + 0 2 8 a 1 0 0 2 0 9 7 一 O 1 7 a 一 5 0 O + o 8 8 a 3 5 3 1 0 2 + o 1 O a 一 5 0 0 + 1 1 5 a 1 3 4 1 0 5 + o 2 6 ,1 一 5 0 0 4 - 1 3 1 a O 5 5 1 O 7 + o 3 6 o 一 5 o o + 1 4 1 a 0 2 6 1 0 8 + O 4 4 a 一 5 o o + 1 4 9 a O 1 如总体的平均值等于 _厂 c r ，并且标准差或变异系数在预定的水 平上，则试件强度平均值小于表列值的概率为 2 。 假定总体平 均值等于 和标准差或 变异系数在 预定 的水 平 上 。 本文作者注：第 4栏中 前的系数有下横线 者原文有误 ，已 改正 。 式 ( 5 )示 于图 1 。 值 Z0 5 d 计 设 布 鎏 啪 概 率 -2 翟 碾 备 g 概 率P 一 ， 图 1 AC I 2 1 4 1 9 7 7中的配制强度 验收 强度 R验 确定方法图示 ( ， 口 一 + ，R验一 -2 0 5 o f ) 1 2 S D J 2 O 7 1 9 8 2的强度标准 1 2 1 配制强度 S D J 2 O 7 1 9 8 2中第 4 2 。 2条规定配制强度按下式计 算，即 R 配 = R 标 ( 1 一t C ) ( 6 ) 式中R配 混凝土配制强度 ； R 标混凝土设计标号； 保证率系数，其值见表 4 ； 离差系数 。 表 4 保证率和保证率系数的关系 保 证 率 P ( ) 8 0 8 5 l 9 0 l 9 5 保 证 率 系 数 t 0 8 4 1 o 41 2 8 I 1 6 5 S DJ 2 O 7 1 9 8 2中的式 ( 4 2 2 )就是 A C I 2 1 4 1 9 7 7 中的式( 41 ) 。 8 D J 2 O 7 1 9 8 2中没有规定保证率 P和保证率系数 t 的大小。实际上则都参照 A C I 2 1 4 1 9 6 5的规定，按许 可应力法设计的结构 ( 如大坝等) ，保证率取 8 O 。按极 限状态法设计 的钢筋混凝 土结构 ( 如厂房等 ) ，保证率 取 9 0 。 1 2 2 验收 强度 S D J 2 O 7 1 9 8 2中第 4 9 1 6条规定： ( 1 )按许可应力法设计 的结构 ( 如大坝等) ，混凝 土同批试件 ( 3 O 组)统计强度保证率最低不得小 于 8 O ( 2 )按极 限状 态法 设计 的钢筋 混凝 土结 构( 如 厂房 等) ，同批试件 ( 3 O组)统计强度保证率最低不得小 于 9 O 。 由此得 混凝 土验收强度为 R验 一 R标+ 厶 s ( 6 ) 式中R 标一 一混凝土设计标号 ； S 。 。 一 一n 3 O组混凝土试件的强度标准差 ； f 一强 度保 证 率 系数 ，大 坝 为 0 8 4 ，厂 房 等 为 1 2 8 。 因 3 0 、S 。 。 和 IT相 近，故 可 以 近似 地 认 为 3 0 一 ，代人式( 6 )得 R验 一 R标十 ta ( 7 ) 因 C v =a R ，代入 8 D J 2 O 7 1 9 8 2的式 ( 6 )得 Re = R标+ ta ( 8 ) 式 ( 7 ) 、式 ( 8 )等号右边 相同 ，均为 R标+ ，于是 尺 验一R 配，即 S DJ 2 O 7 1 9 8 2中的验 收强度等 于配制 强 度。 1 3 D T 5 1 4 4 2 0 0 1的强度标准 1 3 1 配制强度 DL T 5 1 4 4 -2 0 0 1中第 6 0 2条规定，混凝土配制 强度按下式计算，即 -， 。 o= f o ， k + 打 ( 9 ) 式 中 ， 。 混凝 土的配制强度 ，MP a ； ， 混凝土设计龄期强度标准值 ，MP a ； 一概率度系数，依据保证率 P选定； 一 混凝 土强 度标 准差 ，MP a 。 式 ( 9 )与式 ( 6 )的计算结果是相同的，只是以 代 替 进行计算 ，代表符号不同。即原来采用式 ( 1 ) ，现 改用式 ( 2 ) ；代表符号 ， 。 代替 R 配， ， k 代替 R标。 1 3 2 验收 强度 DL T 5 1 4 4 -2 0 0 1中第 1 1 5 6条规定 ，验收批混凝 混凝 土工程 土强度平均值和最小值应同时满足下列要求 -厂 c ， k +Kt a o ( 1 O ) 式中 混 凝 土 ( 混 凝 土 试 件 )强 度 平 均 值 ，MP a ； 一混凝土设计龄期强度标准值，MP a ； K合格判定系数，根据验 收批统计组数 值，按表 5选取； f 概率度系数 ； a 0 一 验收批混凝土强度标准差，MP a 。 表 5 合格 判定 系数 K值 n l 2 l 3 I 4 5 6 1 0 1 1 1 5 1 6 2 5 2 5 K l 0 7 1 【 o 5 8 1 0 5 0 0 4 5 l 0 3 6 0 2 8 0 2 3 0 2 O DL T 5 1 4 4 -2 0 0 1中 “ 条文说明”对式 ( 1 O )的来 源作 了说明：“ 混凝土强度的评定，系参 考 AC I 2 1 4 1 9 7 7 混凝土强度试验结果评定推荐方法 ，该标准系 1 9 8 9 年重新批准。据检索，该标准仍在执行中，未修订” 。 对于任何设计 ，其需要的平均强度可根据使用的标 准差 由下式计算，即 = f t a 1 1 ) 如果标准中牵扯到 n次试件的平均值，则公式为 一 +打 ( 1 2 ) 式 中 一需要 的平 均强度 ； 规定的设计强度； 概率度 ； 标准差的预测值。 将式 ( 1 2 )中的 1 佩为常数K， 则式 ( 1 2 )变为 Ar一 +Kt IT ( 1 3 ) 值大于 5时，按区间划分，取其中值，构成表 5中的合 格判定系数 K值。 将 K一1 ，0 0统 一 改 为 d ，则得 D T 5 1 4 4 -2 0 0 1 中的验收强度 R验一 _厂 k + ( 1 4 ) 2 A C I 2 1 l _ 一1 9 7 7 、S D J 2 0 7 1 9 8 2 、D L T 5 1 4 4 2 0 0 1强度标准 的评析 2 1 配制 强度 综上所述 ，将代表符号统一，即配制强度 ， c 、R e、 ，。都以R配代表，设计强度 、R标、 ， k 都以 R 标代 表，强度标准差都 以 代表 ，则 A C I 2 1 4 1 9 7 7 、S D J 2 0 7 - 1 9 8 2 、DL T 5 1 4 4 - 2 0 0 1的 配制 强 度 都 是 ：R e R标+ ；再因t 的取值相同，故所得配制强度都相同。 以上确定混凝 土配 制强 度 的方法 ，既将 预期 强度按 正态分布计，又采用了概率计算，配制强度Re随强度变 异性 ( 以 或 c 代表)的增大而增大，随强度保证率 P 的增大而增大，似乎是正确 的了。正因为如此 ，此法由 2 o世纪 5 0 年代开始，直到现在仍在普遍应用。但经仔细 1 5 水利水 电施工 2 0 1 2 第 1 期 总第 1 3 0期 分析 ，该方法 主要存 在以下三大问题 ： ( 1 )没有将强度都按正态分布计。只将预期强度按正 态分 布计 ，即图 1中的 N ( f o ， ) ；没有将设 计强度 按 正态分布计，仍然按定值计，即图 1中的 和文中的R 标 和 厂 叫 l k 。既然混凝土强度按正态分布计，则设计强度和 预期强度一样 ，都应按正态分布计。配制强度 R 配是预期 强度正态分布的平均值 ，则设计强度 f ( 或 R标和 f c ， k ) 应是设计强度正态分布的平均值，而不应是定值 ( 或 单值 ) 。 ( 2 )计算得的配制强度仍然是经验值。由于强度保证 率 P ( 只能)凭经验确定，因此计算式中相应的 t 是经验 值，最终计算得的配制强度 R 配也是经验值。 另外，通常取强度保证率 P一8 O 9 O ，则相应 地在结构中有 1 O 2 O 的混凝土强度达不到设计要求。 这是不能接受的，也解释不通。这是设计强度按定值计 造成 的。 ( 3 )没有考虑抽样检验 的影响 。混凝土的强度 由现场 抽样制作的试件强度估计得。由于混凝土强度的变异性 和抽样的随机性，抽样必然对试件强度有影响。一是抽 取的试件组数的影响。抽取试件组数多，试件强度平均 值估计实际强度平均值的误差小 ，则配制强度可低些； 抽取试件 组 数少 ，估 计误 差 大 ，则 配制 强 度 需要 高 些 。 二是抽样检验存在两类错误 ( 第 1类错误是将合格的错 判为不合格，第 类错误是将不合格的漏判为合格) 。要 求两类错误越小，则配制强度越高；允许两类错误越大， 则配制强度越低。所以，确定配制强度不考虑抽样检验 因素的影响是不正确的。 因此 ，配制强度 的确定方法还需改进 。 2 2 验收强度 ACI 2 1 4 1 9 7 7 、S DJ 2 O 7 1 9 8 2 、DL T 5 1 4 4 - 2 0 0 1 的验收强度存在问题 ，分别评析于下。 2 2 1 A C I 2 1 4 1 9 7 7中的验收强 度 A C I 2 1 4 1 9 7 7中的验 收强度的主要 问题是 ： ( 1 )验收强度随试件组数增多而提高，不合理。式 ( 5 )和图 1及表 3都表 明，抽取试件组数 越多，A C I 2 1 4 1 9 7 7中的验收强度 R 验越高。这不符合统计原理， 也有悖常情，起 “ 奖懒罚勤”的作用。按理抽取试件组 数 越多 ，验收强度 R验应 越低 。其 根本 原因 ：一 是 A C I 2 1 4 1 9 7 7中没有将设计强度按正态分布计，仍然按定值 计；二是 AC I 2 1 4 1 9 7 7中配制强度 _厂 c 的确定方法不正 确，主要是没有随试件组数 增多而降低。 ( 2 )过分维护生产方利益，没有考虑使用方风险。 A C I 2 1 4 1 9 7 7中没有考虑使用方风险 ( 抽样检验的第 类错误) ，而只考虑生产方风险 ( 抽样检验第 1类错 误)a ，且取值很小，仅为 2 ，过分维护生产方利益。 实际上，当混凝土设计强度和预期强度都按正态分布计 时，抽样检验必然存在 a和 。AC I 2 1 4 1 9 7 7中将设计 强度按定值计，a =0 ，就不会有 口 。 1 6 2 2 2 S D J 2 0 7 1 9 8 2的验收强度 S DJ 2 0 7 -1 9 8 2的验收强度的主要 问题如下 ： ( 1 )验收强度等于配制强度 ，偏高。配制强度 R 是 预期的实际强度平均值。在现场，有利于强度的因素和 不利于强度的因素，发生 的概率各约 5 O ，则将有约 5 0 的强度高于R配，另有约 5 O 低于 R 配。加上取样的 随机性 ， 3 O组混凝土试件强度平均值将有约 5 O 的 强度高于R 一R 验，被评为合格；另有约 5 O 低于R配一 R验，被评为不合格，即抽样检验第 1类错误 ( 生产方风 险)a高达 5 O ，故验收强度应小于配制强度。之所以 没有出现 5 O 不合格的现象 ，是因为实际的大坝混凝土 普遍超强过多。 ( 2 )试件组数 R 验R 。 4 几种标准的验收强度和配制强度的举例比较 设大坝混凝 土设 计强 度平 均值为 3 0 MP a ，即 ， k R标一 =3 0 MP a ，预估强度标准差 一5 O MP a ，用 A CI 2 1 4 1 9 7 7 、S D J 2 O 7 1 9 8 2 、D L T 5 1 4 4 2 。 0 1 及建议方 法计算得不同试件组数 的R验、R e见表 6 。 表 6 表 明 ，因为确 定 方 法及 计 算 式 和参 数 都 相 同 ， 也 都 没 有 考 虑 n 的 影 响 ，故 S D J 2 O 7 1 9 8 2 、DL T 5 1 4 4 -2 0 0 1 和 AC I 2 1 4 1 9 7 7中的 R 相 同，均为 3 4 2 MP a 。建议方法 R 的确定方法由于主要考虑了 n的影 响，明显 地随 增大而降低， 一3 0时，比 A C I 2 1 4 1 9 7 7 、S D J 2 O 7 1 9 8 2 、D L T 5 1 4 4 2 O O 1 降低了1 9 MP a ， 从而可降低水泥用量和成本。建议方法的R 配须在抽样检 验方案 ( ，R 验)确定后才能计算得，且大于 R 验，符合 抽样理论 。 1 7 水利水 电施工 2 0 1 2 第 1 期 总第 1 3 0期 表 6 几种规 范、方法的验收 强度 R 验 和配制强度 R 配 1 2 3 5 1 0 1 5 3 0 ACI 2 l 4 一 l 9 7 7 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 验收强度 S D J 2 O 7 1 9 8 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 R配 ( MPa ) DT 5 1 4 4 2 O O 1 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 3 4 2 建议方法 4 2 8 3 9 1 3 7 4 3 5 7 3 4 1 3 3 3 3 2 3 ACI 2 1 4 1 9 7 7 2 4 O 2 7 0 2 8 3 2 9 6 3 1 0 3 1 6 3 2 3 配制强度 S D J 2 O 7 1 9 8 2 3 4 2 R验 ( M Pa ) DT 5 l 4 4 - 2 0 0 1 3 4 2 3 3 0 3 2 4 31 9 3 1 3 31 1 3 0 8 建议方法 3 6 4 3 4 5 3 3 7 3 2 9 3 2 0 3 1 7 3 1 2 注因 S D J 2 O 7 1 9 8 2中规 定 3 0 ，所 以表 中无 n 验收强度设计强度平均值 ，比较合理。 ( 上接 第 1 2页) ( 4 )贫胶渣砾料碾压混凝土施工现场综合评价， 导 则建议 “ 在设计对层缝面有抗剪断性能要求时进行 ， 若堰 ( 坝)断面较大，设计对层缝面结合性能要求不高 ， 可不必专门钻孔或槽检进行施工现场综合评价” 。从洪口 贫胶渣砾料碾压混凝土围堰工程实践看，只要设计参数 选择合理、施工受控，贫胶渣砾料碾压混凝土层缝面抗 剪断能力就能达到设计要求。 因贫胶渣砾料碾压混凝土的强度 和密实度比碾压混 凝土低 ，洪 口和沙 沱水 电站贫 胶渣砾 料 碾压 混凝 土 围堰 工程钻孔取芯效果都较差。洪 口贫胶渣砾料碾压混凝土 围堰工程进 行 了孔 内 电视摄 像 、声 波测 试 。声 波 测试 3 个孔，纵波速度最大值 为 3 9 2 2 4 0 8 2 m s ，最小值 为 2 1 0 5 2 4 3 9 m s ，平均值 为 3 0 5 5 3 4 0 0 m s 。据 分析，测试段波形较为杂乱或者波速较低，可能是 因为 石块和接触面胶结不好或者该测试段有蜂窝；波速大于 3 8 0 0 m s 的测试段反 映为 内有大块石 ，波 速小于 2 9 0 0 m s 的测试段一般有蜂窝。故规定，“ 施工现场综合评价，以 钻孔进行孔内电视摄像、声波测试，评价贫胶渣砾料碾压 混凝土内部和层面的骨料均质性和密实性为主” 。 1 8 考虑孔内电视摄像、声波测试对深孔 的钻孔要求仍 较高，并只能以评价孔壁周围的贫胶渣砾料碾压混凝土 内部和层面的骨料均质性和密实性为主，故建议 ，“ 在设 计有要求进行贫胶渣砾料碾压混凝土施工现场综合评价 时 ，可在碾压时选取一部分碾压层进行挖坑槽检，抽取 典型的层缝面抗剪断试件进行检查，结合孔内电视摄像、 声波测试成果作定性分析。坑槽开挖应快速施工 ，避免 影响碾压作业的连续施工” 。 3 结束语 贫胶渣砾料碾压混凝土筑坝技术是一种新工艺，在 贫胶渣砾料碾压混凝土施工导则编制过程中，感谢各 次评审中和导则征求意见过程中相关专家的指导意见和 建议，使编者能不断地对筑坝技术细节和施工导则编制 思路、条文表述进行推敲、明确；同时，希望在应用导 则指 导施 工 过程 中，根 据更 为成熟 的实 践 经验 ，丰 富 、 修正导则内容，促进贫胶渣砾料碾压混凝土筑坝技术 的 进一步提高 。