灌水法检测尾矿坝密实度质量影响因素分析

陈 华

(攀枝花天誉工程检测有限公司， 四川攀枝花 617023)

灌水法检测尾矿坝密实度质量影响因素分析

陈 华

(攀枝花天誉工程检测有限公司， 四川攀枝花 617023)

灌水法作为原位密度试验的一种,广泛应用于建设工程中,如堆石坝、尾矿坝、碎块石料填筑密实度的质量检测。试验过程中,很多因素均能影响灌水法测试成果的精度,有些工程施工检测时得到的干密度明显偏大,甚至是不合理的,因此有必要对影响因素作分析并提出减少或消除影响的措施。文中针对在对尾矿坝填筑用灌水法检测压实密度过程中遇到的问题进行简单的探讨。

尾矿坝; 密实度; 灌水检测法

1 灌水法的适用性及缺点

灌水法适用于砾类填土。在工程建设如尾矿坝、堤防填筑时,填筑土料经常用到砂砾石、碎块石料,为了确保填筑质量,一般采用碾压参数和填筑体密实度两种方法联合控制。控制碾压参数的目的是为了控制填筑体的密实性，反映密实度的指标如相对密度、孔隙率计算均需测得原位干密度。由于填筑土料粒径较大且不均匀，空隙较大,不适用环刀法、核子射线法、灌砂法进行原位干密度检测,而采用灌水法检测较方便。在灌水法试验过程中,很多因素均会影响测试成果的精度,甚至得出不合理的结果,因此有必要结合经验对影响因素作分析并提出减少或消除影响因素的措施。

2 试验基本原理及步骤

灌水法检测的基本原理:在选定的测点上挖出试坑,称量从试坑中挖出的材料质量；然后向试坑内灌水,称量所灌满水的质量,换算出所挖试坑的体积；再用挖出的土料干质量除以试坑体积计算出干密度(图1)。《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)中对灌水法试验的步骤作了介绍，再结合实际工作经验,总结的试验步骤为:(1)选择现场有代表性的测点,将测点处地面基本整平;(2)按测点部位土料的最大粒径确定合适的试坑尺寸,选择合适直径的钢套环;(3)在地面上放置钢套环并固定,在套环内铺设塑料薄膜,取水称量后灌入套环内至一定高度,记录灌入的第1次水质量m1;(4)用安装在方钢尺上的水工测针确定参考水平面,记录水工测针读数;(5)舀净水并拿走塑料薄膜,按确定的试坑直径划出坑口轮廓线,在廓线内下挖至要求的深度;(6)将坑内的试样装入土盘内,称量并取代表性的试样测定含水率,计算土料的总干质量m;(7)试坑挖好后,将大于试坑容积的塑料薄膜沿坑底、坑壁紧密相贴铺设,取水称量灌入试坑至参考水平面,计算灌入的总水质量m2。填筑土干密度按以下公式计算:Qd=m(m2-m1) /Qw。

图1 灌水法密度试验示意

3 影响密实度质量的因素分析与措施控制

3.1 试坑填筑料的代表性

根据填料的最大粒径和填筑层厚度选择合适的试坑直径和深度。当试样最大粒径小于200 mm时,试坑直径可参考表1; 当试样最大粒径大于200 mm时,试坑直径一般不应小于填筑料最大粒径的3倍;试坑深度可与压实后的填筑层厚度相近。为了保持坑壁的稳定,试坑形状一般为上大下小的“锅”形,而实际压实情况通常为上密下松,这就造成所测干密度偏大;在挖试坑时,根据填筑体的密实程度,选择合适的坑壁坡度,在能保持坑壁稳定的前提下,尽量选择较陡的坡度,增加挖出的填筑料的代表性。表1为试坑尺寸与相应最大粒径表[1]。

表1 试坑尺寸与相应最大粒径表 mm

3.2 钢套环位置的固定

填筑体土料粒径大小不匀,碾压面很难整平到水平面,试验时一般采用钢套环来确定一个参考水平面。钢套环的位置变化对试验结果的影响极大,直接关系到试验结果的正确性。为防止钢套环的移动导至参考水平面的变化,试验开始时钢套环应与地面压紧并固定,不允许出现翘动。挖坑过程中应避免触碰钢套环。土样应从试坑中心向深度方向撬挖,并向边缘逐渐扩大直径。如遇大块石时,应先挖除大块石周边的较小料径的土石料,待大块石有松动时用钢钎小心挖出;块石过大时,量好其尺寸后进行分解,分块挖出。为了防止钢套环因自身重量而压入土中,钢套环与地面接触的底边应有足够面积突出的“沿”。当发现钢套环有明显的移动而影响试验结果时,应中止该点试验并重新选点。

3.3 参考水平面的测量

不仅钢套环的位置变动会造成参考水平面的变化,测量工具及人员变动也会造成水平面的前后差异。测量工具可采用固定在方钢尺上的水工测针,确定参考水平面时可在钢尺及套环上做标记并记录水工测针读数,前后观测人员也应为同一人,这可保持参考水平面的前后一致。不建议在钢套环上固定测针,因为在钢套环搬动及试验时,容易触碰导致测针变形,甚至损坏测针。

3.4 坑壁形状

由于填筑料大小不匀,坑壁往往凹凸不平,而其形状的规则程度则直接影响与薄膜的贴合度,从而影响试坑测试体积的精度。当试坑接近所要求的形状时,应小心修整坑壁、坑底,清除表面松动土料。遇块石横跨钢套环等情况而使坑壁无法规则或出现较大倒坡时,此试坑应废弃,重新取点进行试验。当填筑料含水率较大无法保持坑壁稳定时,试验不宜进行。

3.5 塑料薄膜

塑料薄膜作为测量试坑体积的容器,其自身的厚度、柔软性均影响体积的测试结果。薄膜越厚,柔顺性越差,自身占用试坑的体积也越大,与坑壁越不容易贴合紧密,造成试坑的测量体积小;薄膜太薄,在水压力的作用下,容易被顶破造成漏水而导致试验失败。试验时宜根据试坑的大小、土料的磨圆度等选择厚度适中、柔软性较好的薄膜。灌水时,应缓慢注入,避免水流对薄膜的直接冲击,并边灌边理顺薄膜褶皱,排空薄膜与坑壁间的空气,使坑壁与薄膜贴合紧密。

3.6 试样及试验用水的称量

由于试坑体积往往较大,挖出的试样及试验用水(纯净无杂质)均较多,需分次称量,要求选择符合精度要求的称量工具;水灌入试坑时,应保证盛水容器内无余水;试样挖取及称量时应无遗落、无黏带。

3.7 试样含水率测定

试验的主要目的是为了测得原位干密度，原位含水率并不是试验关心的指标，因此只要含水率能代表试样称量时的状态就可以。对最大粒径较小能取得代表性含水率的试样可在全料中取;对最大粒径较大无法在全料中取得代表性试样的可先筛分后在每级土样中取代表性试样测含水率。当土料较湿时,可进行翻晒后筛分、称重、取样测含水率。

4 模拟分析

假设有一个试验：钢套环直径1.5 m,塑料薄膜厚度0.4 mm,试坑为直径1.0 m、深度1.0 m的理想圆柱形试坑,挖取的土料干质量1 670 kg。计算得到的理想试坑体积为0.785 m3(л=3.14),第1次注水量(不包括底部薄膜所占体积)m1=310 kg,水的密度为1.00 g/cm3。根据不同影响因素分以下八种情况讨论：

(1)理想情况,试坑体积为计算得到的1 .256 m3;

(2)仅考虑薄膜体积的影响;

(3)第2次确定参考水平面时,位置下降了0.5 cm;

(4)第2次确定参考水平面时,位置下降了1.0 cm;

(5)考虑薄膜与试坑壁平均脱开0.5 cm;

(6)考虑薄膜与试坑壁平均脱开1.0 cm;

(7)综合考虑(2)、(3)、(5)的情况;

(8)综合考虑(2)、(4)、(6)的情况。

从表2可以看出,参考水平面的变动、薄膜与坑壁的贴合度对干密度的影响较大。当参考水平面降低1.0 cm时,干密度增加2.30 %;当薄膜与试坑壁平均脱开1.0 cm时,干密度增加0.42%;当考虑薄膜体积、参考水平面降低1.0 cm,薄膜与试坑壁平均脱开1.0 cm时,干密度则增加2.96 %。因此,干密度的采用应在试验得到的结果基础上,根据现场试验情况,考虑各因素的影响大小,选取一个合适的折扣值。

表2 各种影响因素下的干密度计算表

5 结 语

灌水法检测尾矿坝填筑密度试验的影响因素较多, 大部分因素均使试坑体积变小、干密度增大。对试验结果不加分析的采用，就可能出现实际干密度未达到设计要求而判断为合格的情况，因此埋下安全隐患。在试验过程中，检测人员应树立高度的责任心，细心规范操作，采取措施减少或者完全避免各种因素对干密度的影响。本文只是对用灌水法检测尾矿坝填筑密度试验方法及影响因素进行了一些浅显的探讨，若本文观点与灌水法检测密度试验相关标准存在差异，试验检测时，请以相关标准为依据。

[1] GB/T50123-1999 土工试验方法标准[S].

[2] JTG E40-2007 公路土工试验规程[S].

陈华(1979～)，男，本科，高级工程师，从事工程试验检测工作。

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[定稿日期]2015-01-28