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大粒径无黏性粗粒土填筑压实标准的确定方法
陕工局集团测试中心
王星照 赵继成 李晨 张聪慧
【摘要】大粒径无黏性粗粒土料的压实标准要经过相对密度确定。开始于黑河大坝并应用与公伯下面板堆石坝的”密度桶法”, 是当前确定粗粒料压实标准的一种可行的新方法。
【关键词】土石坝 大粒径 粗粒土 压实 标准 试验 确定方法
1 前言
大粒径无黏性粗粒土作为筑坝材料, 具有易开采、 好施工、 经济、 方便等优越性, 被广泛的应用于碾压式土石坝和面板堆石坝建设中。但对大粒径无黏性粗粒土填筑施工中的压实标准, 一直没有一个科学的、 成熟的确定方法。要确定大粒径无黏性粗粒土的填筑压实标准, 必须在施工前先经过试验确定该料的最大最小干密度, 即进行相对密度试验。其中确定最大干密度, 是一个技术难点。主要是大粒径粗粒土最大粒径一般都在300～400mm, 被用在高土石坝、 堆石坝中的大粒径粗粒土, 最大粒径甚至达500～1000mm。受条件的限制, 试验在室内几乎无法进行。《土工试验规程》( SD128-84) 规定了粒径小于50mm粗砾土的相对密度试验方法, 现行的《土工试验规程》( SL237-1999) 中规定了粒径小于60mm粗砾土的相对密度试验方法。以往国内的一些专家、 学者和工程技术人员曾经进行过试验研究提出过一些确定方法, 这些方法在工程施工中起到了积极的作用, 由于这些方法大多是先用振动台法作小粒径无黏性粗粒土的最大最小干密度, 然后按一定的数学方式推算大粒径粗粒土的最大最小干密度, 工程实践也证明这些方法有几个方面的不足: 一是由于受试验设备的限制不能使用原型级配料作试验, 而使用模拟级配试验, 使得级配、 最大粒径这两个决定最大干密度大小的主要因素与工程实际不符, 得出的数据不是直接的数据, 而是推算的数据; 二是使砂卵石料密实的方法是使用振动台振动, 与施工中振动碾碾压在使粗粒土密实的机理有一定的距离; 三是推算大粒径最大干密度的数学方法的适用性不一定可靠、 合理。由于级配的模拟性和压实方式的不一致以及计算推导的间接性等原因, 往往不是把合格、 优良的工程质量评价为不合格或不优良, 就是施工中使用时经常计算的结果是相对密度大于1.0。不能正确地反映工程的实际质量情况, 也不能给施工质量控制提供可靠、 科学的依据。
2 现场碾压试验的”密度桶法”
2.1确定大粒径无黏性土的最大最小干密度
为了更好、 更准确可靠地评价工程质量情况, 指导施工过程中的质量控制工作, 我们在黑河土石坝坝壳料的相对密度试验和公伯峡面板堆石坝3BⅡ区砂卵石料的相对密度试验中采用了密度桶法。其方法是: 结合砂卵石料的碾压试验, 按照径径比大于等于3～5、 径高比大于2的原则, 制作壁厚14mm的带底铁桶, 埋置在碾压试验场地内, 桶内用工程实际使用的原型级配料人工配料, 人工装填并高出桶顶, 然后铺填桶周围的砂卵石料( 如图1) , 用实际施工用的推土机平整, 用实际施工用的18t自行式振动碾碾压24遍, 振动频率26.5Hz～28.5Hz左右,振幅1.30mm～1.40mm左右,行驶速度3.0km/h左右,然后定点在桶上振压15分种振动碾技术参数见表1, 达到振压表面不再下沉, 测其桶内料的干密度视其为最大干密度; 最小干密度也用原型级配料, 在该密度试验桶内采用人工松填法求得。
表1 碾压机具技术参数表
型 号
SD-175D
生产厂家
美国英格索兰公司
工作质量
18100kg
钢轮宽度
2120mm
钢轮直径
1600mm
振动频率
低
18.3Hz
高
30.4Hz
振 幅
低
0.82mm
高
1.65mm
额定功率
151kW
激振力
159 kN～319kN
行驶速度
低速
6.6km/h
高速
13.2km/h
行进方式
自行
2.2 试验用料和组次的确定
在黑河大坝工程中, 以料场的上下包线和平均级配线为基准, 作不同砾石含量情况下的最大最小干密度。平均级配作了砾石含量20%、 40%、 60%、 72%、 78%、 83.1%、 90%、 95% 8个点, 上包线作了46%、 57.9%、 72%、 82%、 94% 5个点, 下包线作了45%、 60%、 75%、 92.5%、 97% 5个点, 共计18个点的最大最小干密度, 结果见表2, 并分别绘制了三因素相关图。最后经监理、 施工、 设计、 业主等单位共同分析, 认为平均级配线不同砾石含量的曲线, 基本上能包容上下包线, 且偏于安全, 决定施工时以平均级配线的三因素相关图作为压实质量控制和评价的标准。后来我们进一步的分析研究, 认为黑河工程的作法虽比较细致, 但工作量太大, 也没有必要, 且还可能造成不必要的误导和混淆。经过研究探讨, 认为试验组次选择在能覆盖全部料源、 满足施工压实质量评价需要和技术要求的情况下, 应尽可能地减少工作量。用料场复查结果平均线级配、 上包线级配、 下包线级配、 上平均线级配和下平均线级配, 考虑到坝料填筑中由于卸料、 平料等因素可能造成的局部离析, 形成大小料集中的情况, 在上下包线两边均可分别延伸一个或二个不同砾石含量的级配, 故一般一个料场或一种坝料有7～9个试验组次即可解决问题。基于这个考虑, 在黄河公伯峡, 就采用了这样一个试验组次的确定方式。选择了45%、 55%、 60.5%、 66.4%、 70%、 72.3%、 75%、 80%、 85%、 90%共10个砾石含量和级配进行了试验。其结果见表3。试验用料一般为风干料。黑河坝坝壳砂卵石料和黄河公伯峡面板堆石坝3BⅡ区砂卵石料试验用料级配见表4、 表5, 级配曲线见图2、 图3。
表2.1 黑河坝砂卵石平均级配料不同砾石含量最大最小干密度试验结果表
砾石含量 P5( %)
20
40
60
72
78
83.1
90
95
最大干密度( g/cm3)
1.93
2.09
2.26
2.36
2.39
2.40
2.36
2.26
最小干密度( g/cm3)
1.72
1.87
2.00
2.03
2.02
2.00
1.97
1.92

表2.2 黑河大坝砂卵石上包线料不同砾石含量最大最小干密度试验结果表
砾石含量 P5 ( %)
46
57.9
72
82
94
最大干密度( g/cm3)
2.12
2.19
2.24
2.23
2.13
最小干密度( g/cm3)
1.92
1.96
1.95
1.90
1.82
表2.3 黑河大坝砂卵石下包线料不同砾石含量最大最小干密度试验结果表
砾石含量P5 ( %)
45
60
75
92.5
97
最大干密度( g/cm3)
2.20
2.28
2.35
2.32
2.30
最小干密度( g/cm3)
2.01
2.06
2.05
1.91
1.84

表3 公伯峡坝3BⅡ区砂卵石料不同砾石含量最大最小干密度试验结果表
砾石含量P5 ( %)
45
55
60.5
66.4
70
72.3
75
80
85
90
最大干密度( g/cm3)
2.143
2.233
2.288
2.34
2.379
2.397
2.418
2.387
2.343
2.287
最小干密度( g/cm3)
1.872
1.944
1.911
2.035
2.048
2.045
2.03
1.992
1.942
1.874
2.3 绘制三因素相关图, 确定压实质量控制标准
7～9个组次不同砾石含量的最大最小干密度数值, 用公式Dr= 计算不同相对密度Dr情况下的数值, 绘制Dr--P5三因素相关图, 在施工中做为压实质量检测的标准。黑河坝坝壳砂卵石料、 公伯峡坝3BⅡ区砂卵石料的压实控制标准见表6、 表7, 三因素相关图见图4 、 图5。
表4 黑河坝密度桶法砂卵石料试验级配表
粒径( mm)
小于某粒径之土重百分数( %)
平均级配线
上包线
下包线
400
100

100
300
96.0

80.0
200
88.1

52.5
100
70.5

35.0
80
62.9
100
28.3
60
54.0
89.2
23.8
40
43.5
71.7
17.9
20
31.4
60.0
12.5
10
23.3
50.8
10.0
5
16.9
41.7
7.5
2
14.4
32.5
4.8
1
9.3
25.0
3.3
0.6

19.8

0.5
4.7

1.7
0.3

5.8
1.2
0.25
1.8

0.2

5.0
0.8
0.1
0.5

表5 公伯峡坝3BⅡ区密度桶法砂卵石料试验级配表
粒径( mm)
小于某粒径之土重百分数( %)
平均线
上包线
下包线
上平均线
下平均线
上包线扩
下包线扩
平均线扩
500
100

100
100
100

100
100
400
94.0
100
88.0
97.0
91.0
100
87.2
94.3
200
83.5
94.4
72.5
89.0
78.0
94.9
70.6
83.2
100
68.7
86.4
51.0
77.6
59.9
87.6
47.6
69.1
80
65.0
81.2
48.7
73.1
56.9
82.9
45.1
65.6
60
59.8
75.8
43.8
67.8
51.8
78.0
39.9
60.7
40
52.4
67.4
37.3
59.9
44.9
70.4
33.0
53.6
20
41.1
53.8
28.4
47.5
34.8
58.0
23.5
42.8
10
34.1
46.6
21.6
40.4
27.9
51.5
16.2
36.1
5
27.7
39.5
15.8
33.6
21.8
45.0
10.0
30.0
2
17.8
25.0
10.5
21.4
14.2
28.48
6.65
19.28
1
14.6
21.8
7.3
18.2
11.0
24.84
4.62
15.81
0.5
8.9
13.5
4.3
11.2
6.6
15.38
2.72
9.64
0.1
2.6
5
0.28
3.8
1.4
5.70
0.18
2.82

表6 黑河坝坝壳砂卵石料压实质量控制标准表 单位: (g/cm3)
项 目
砾石含量P5(%)
60.0
72.0
78.0
83.1
90.0
Dr=0.7
2.175
2.250
2.266
2.264
2.215
Dr=0.8
2.203
2.286
2.306
2.308
2.255
Dr=0.9
2.231
2.322
2.347
2.353
2.297
表7 黄河公伯峡3BⅡ区坝壳砂卵石料压实质量控制标准表 单位: (g/cm3)
项 目

砾石含量P5(%)
45
55
60.5
66.4
70
72.5
75
80
85
90
Dr=0.7
2.054
2.138
2.190
2.239
2.269
2.279
2.287
2.253
2.206
2.145
Dr=0.8
2.083
2.169
2.222
2.272
2.305
2.317
2.329
2.296
2.250
2.190
Dr=0.9
2.112
2.200
2.254
2.305
2.341
2.356
2.373
2.341
2.296
2.238
2.4 施工现场使用的方法
大粒径无黏性粗粒土填筑施工中, 压实质量检测挖坑用灌砂法或灌水法( 一般用灌水法) 测湿密度, 现场测小于5mm料的含水量, 并按事先用不同砾石含量、 不同含水量情况下作出的小于5mm料的含水量试验结果曲线( 如图6) , 查出全料的含水量, 计算干密度, 用三因素相关图评价是否压实合格。
3 密度桶法试验效果
3.1 黑河坝坝壳砂卵石料取样统计
8月底前, 黑河坝坝壳料填筑341万m3。( 坝壳砂卵石料总量600多万m3) , 取样1371组, 统计结果见表8。
表8 黑河坝砂卵石料取样结果统计分析表
砾石含量P5(%)
50～60
60～70
70～80
80～90
90～100
取样组数
上游坝壳料

5
327
436
2
下游坝壳料
1
3
141
454
2
合 计
1
8
468
890
4
干密度
( g/cm3)
最大值
2.21
2.34
2.39
2.40
2.37
最小值
2.21
2.25
2.26
2.27
2.27
平均值
2.21
2.30
2.33
2.33
2.33
3.2 公伯峡坝3BⅡ区料的取样统计(表9)
表9 公伯峡坝3BⅡ区砂卵石料取样统计分析表
砾石含量P5( %)
50～60
60~70
70~80
80~90
>90
取样组数( 组)
2
4
40
38
2
干密度
( g/cm3) 相对密度
(Dr)
最大值
2.18
0.80
2.33
0.87
2.41
1.0
2.34
0.92
2.29
0.99
最小值
2.17
0.80
2.28
0.82
2.30
0.80
2.24
0.88
2.23
0.87
平均值
2.175
0.80
2.31
0.86
2.345
0.87
2.31
0.86
2.26
0.93

3.3 密度法法试验分析
(1)从表8、 表9能够看出, 最大最小干密度试验结果与施工实际情况十分吻合, 其砾石含量状况与料场复查时的结果也基本一致, 与密度桶法的试验结果基本一致, 相差不大, 证明”密度桶法”确定大粒径无黏性土压实标准的方法是科学可靠的。
(2)从黑河资料和公伯峡试验结果看, 最大干密度所对应的最优砾石含量均比以往振动台法所做出的试验结果大, 符合试验的正常规律, 即随着试验用料粒径的增大, 最优砾石含量的数值也不断增大。
4 结论
(1) 该方法能够用原型级配料进行试验, 能够得出直截了当的数据, 避免了室内试验条件的影响和试验人为因素的影响以及各种推算的误差。
(2) 该方法使用与施工同条件的工程设备, 更符合施工的实际情况, 而且能够结合坝料的碾压试验同时进行, 省去室内试验工作量, 且操作方便, 直观实际。
(3)”密度桶法”科学、 可靠, 为确定大粒径砂卵石料填筑压实标准, 提供了有效可行的途径。
(4) 该方法一般在施工期使用是方便的, 但在工程前期勘探阶段由于没有施工机械设备, 使用有一定困难。
(5) ”密度桶法”确定大粒径无黏性粗砾土压实质量标准方法是国内外创新的一个方法, 有待于进一步探讨和完善。