三点击实试验法在南水北调工程中的应用研究

杨 鳌卓 越（.安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 33000 .三峡大学水利与环境学院 宜昌 44300）

三点击实试验法在南水北调工程中的应用研究

杨 鳌1卓 越2
（1.安徽省·水利部淮委水利科学研究院 蚌埠 233000 2.三峡大学水利与环境学院 宜昌 443002）

在大面积的土方填筑施工现场，为了不影响施工的进度和质量，通常采用三点击实试验法来检测土方填筑压实度。文中介绍了三点击实实验法的原理及应用，并结合南水北调工程中的实例，对三点击实试验法在实际应用中出现的两种特殊情况进行了原因分析，总结出这两种特殊情况下的处理措施。

三点击实试验法 含水率 变换湿密度 数解法

1 前言

三点击实试验法又称快速压实度控制法，是美国工程师Hilf研究出的一种土料填筑质量控制方法，1957年试用。用此方法进行现场检验时，不需要测定含水率，仅在测定湿密度后用测密度试验的土样做三种含水率的击实试验，测定三个击实湿密度，就可以确定填土的压实度（D）、最优含水率（ωop）与填土含水率（ωf）的差值。此种方法的优点是操作简单，效率高，不影响施工进度，能较好地考虑土料压实性的变化，对于压实性变化较大的粘性土或砾质土宜用此法控制压实度。此方法在国外机场、土坝等大面积土方填筑工程中运用广泛。

2 三点击实试验法原理

2.1 压实度

根据压实度定义得出：

式中：ρdf—填土实测干密度，g/cm3；

ρf—填土实测湿密度，g/cm3；

ρdm ax—室内标准击实最大干密度，g/cm3；

ωf—填土含水率，％。

三点击实试验法通过现场取样得出填土实测湿密度ρf，再引入计算参数：

式中：ω—任意含水率，％。

Z的物理意义是以原土样湿质量百分数表示的加水量。用图解法或数解法求得变换后的标准击实最大湿密度ρdm ax（1+ωf），则无需测定标准击实最大干密度即可得出压实度D。

2.2 含水率差值

最优含水率与填土含水率差值：

式中：Zm—最优含水率与填土含水率的偏差值,％；

Δ—最优含水率与填土含水率的偏差修正值，％。

3 三点击实试验方法

三点击实试验法有图解法和数解法，图解法经过多次竖、横向的画线定点，累计误差较大，精度较差，不易推广使用。根据实用性要求，本文只介绍数解法的应用。对于三点击实试验中加水的情况，可以用数解法求压实度D及最优含水率与填土含水率的差值，操作方法如下：

（1）测定现场填土的湿密度ρf。

（2）取小于5mm保持填土含水率的土样，以标准功能进行击实，测定其击实湿密度ρ1。因保持原填土含水率未加水，外加水率Z=0，故其湿密度与变换湿密度ρ1'相同。ρ1'=ρ1/（1+0）=ρ1。

（3）取3kg小于5mm保持填土含水率的土样，加水60cm3（即Z=0.02），混合均匀后，以标准击实功能击实，测得击实湿密度ρ2。其变换湿密度ρ2'=ρ2/（1+0.02）。

（4）取3kg小于5mm保持填土含水率的土样，加水120cm3（即Z=0.04），混合均匀后，以标准击实功能击实，测得击实湿密度ρ3。其变换湿密度ρ3'=ρ3/（1+0.04）。

以变换湿密度ρ'为纵坐标，加水率Z为横坐标，绘制ρ'-Z关系曲线。通过击实变换湿密度ρ1'、ρ2'、ρ3'坐标点，A、B、C三点的抛物线峰点的位置M（Zm，ρm）为：

式中：YB=ρ2'-ρ1'；YC=ρ3'-ρ1'；

ρm—变换最大湿密度，g/cm3；

Zm—最优含水率与填土含水率的偏差值，其正值表示填筑土料含水率偏低，负值表示填筑土料含水率偏高。

4 工程应用实例

4.1 工程简述

南水北调东线某水库坝轴线长8.13km，最大坝高13.7m。坝体填筑由于土料开采采用立面开挖，填筑时不同土质土料混合上坝。由于土的形成方式及组成材料的多样性，土成为一种很不均匀的材料，施工时若仅用一个干容重值作为控制指标来选择碾压参数，遇到压实性好的土料就会大大超压，遇到压实性差的土料则达不到压实要求。为在保证施工进度的同时确保施工质量，确定采用三点击实试验法作为现场填筑质量控制的主要方法。

4.2 现场试验及分析处理

对现场已完成填筑要求的土料进行探坑开挖，探坑长×宽为0.8m×0.6m，深度为0.5m左右，每个探坑取土样1组，每组平行取土样2个，测定湿密度，再对开挖处土样做三点击实试验，以复核其是否满足设计及规范要求。湿密度检测采用环刀法，湿密度值由整个环刀体积内的湿土土样称重而得。压实度根据所测湿密度值与三点击实试验法得出的变换最大湿密度值计算而得。

三点击实试验数解法的使用条件是现场填土含水率必须低于最优含水率，击实土样分别以2％、4％的加水率加水后进行试验，根据得出的三点变换湿密度绘制抛物线图计算最优含水率与填土含水率的差值及变换最大湿密度。但在工程中的实际情况并非如此，因此采用三点击实试验数解法检测土方填筑压实度受到使用条件的限制。下面针对工程中遇到的三点击实试验时出现的两种特殊情况进行原因分析，总结出这两种特殊情况下的处理措施。

4.2.1 特殊情况一

首先对保持现场填土含水率的土样测定其击实湿密度ρ1，得出第一点的变换湿密度ρ1'=ρ1/（1+0）；然后取3kg保持现场填土含水率的土样，加水60cm3（即Z=2％），混合均匀后测定击实湿密度ρ2，得出第二点的变换湿密度ρ2'=ρ2/（1+2％）。根据试验数据得出，第二点的变换湿密度ρ2'小于第一点的变换湿密度ρ1'。三点击实试验数解法绘制抛物线时要求第二点的变换湿密度大于第一点的变换湿密度。为满足三点击实试验数解法绘制抛物线图形的需要，需将保持现场填土含水率的土样减水2％，测定击实湿密度ρ3，得出第三点的变换湿密度ρ3'=ρ3/（1-2％）。试验结果见表1。

表1 三点击实试验加、减水情况变换湿密度成果表

表2 三点击实试验加、减水情况计算汇总表

表3 压实度检测成果表

图1 三点击实试验加、减水情况抛物线平移图

根据三点击实试验加、减水得出的变换湿密度绘制，（ρ3'，-2％），（ρ1'，0），（ρ2'，2％）三点抛物线图。需要特别注意的是，最优含水率与填土含水率的差值是在第二、三点加水情况下利用（5）式来计算，在第三点减水情况下，最优含水率与填土含水率的差值不能直接使用（5）式来计算。针对此种情形，可以采用三点击实抛物线平移法。将水平坐标的负值部分平移至水平坐标的正值部分，变为第二、三点加水的情况利用（5）式来计算，计算出的最优含水率与填土含水率的差值需加上偏差修正值Δ（即水平移动部分）。水平移动不影响曲线的纵坐标值，平移前后变换最大湿密度数值保持不变。平移后的抛物线见图1。最优含水率与填土含水率的差值及变换最大湿密度计算结果见表2。

表4 三点击实试验加水情况变换湿密度成果表

表5 三点击实试验加水情况计算汇总表

表6 压实度检测成果表

图2 三点击实试验加水情况抛物线平移图

根据计算汇总表得出：变换最大湿密度ρm=2.00g/cm3；最优含水率与填土含水率的差值（Zm+Δ）=-0.11％，表明现场填筑土料的含水率比填筑时要求的最优含水率要高0.11％，用这种土料进行填筑之前，需将土料进行翻晒。压实度根据所测湿密度值与三点击实试验法得出的变换最大湿密度值计算而得，压实度检测成果见表3。

压实度检测取6个土样，共3组。根据三点击实试验成果计算压实度，均满足土方填筑压实度不小于98％的设计要求。

4.2.2 特殊情况二

首先测定保持现场填土含水率的变换湿密度ρ1'，然后对现场填土以2％的加水率加水后测定变换湿密度ρ2'，得出ρ2'＞ρ1'。按照三点击实试验数解法的要求，对现场填土以4％的加水率加水后测定变换湿密度ρ3'，得出ρ3'＞ρ2'＞ρ1'。试验结果见表1。为满足三点击实试验数解法绘制抛物线图形的需要，需对现场填土以6％的加水率加水后测定变换湿密度ρ4'。试验结果见表4。

根据三点击实试验加水得出的变换湿密度绘制（ρ2'，2％），（ρ3'，4％），（ρ4'，6％）三点抛物线图。最优含水率与填土含水率的差值计算时，需将三点击实抛物线水平坐标向左平移2％后利用（5）式来计算，计算出的最优含水率与填土含水率的差值需加上偏差修正值Δ（即水平移动部分）。平移后的抛物线见图2。最优含水率与填土含水率的差值及变换最大湿密度计算结果见表5。

根据计算汇总表得出：变换最大湿密度ρm=1.94g/cm3；最优含水率与填土含水率的差值（Zm+Δ）=3.57％。（Zm+Δ）为正值，表明现场填筑土料的含水率比填筑时要求的最优含水率要低3.57％，用这种土料进行填筑之前，需对土料进行加水，以便达到最优含水率。压实度根据所测湿密度值与三点击实试验法得出的变换最大湿密度值计算而得，压实度检测成果见表6。

压实度检测取4个土样，共2组。根据三点击实试验成果计算压实度，只有一组满足土方填筑压实度不小于98％的设计要求。

5 结论

三点击实试验法是填土按变换最大湿密度和含水率差值设计，现场进行快速质检试验的一种科学实用的方法。此法不需要测定含水率，一个完整的三点击实试验过程大约需要1h左右，试验精度和速度均能满足施工要求，便于土料填筑的流水作业，加快了土方填筑的施工进度。对复杂土料的施工现场，进行施工质量控制也是一个较好的方法。在今后运用的基础上应不断探索、改进，更好地为施工进度和质量服务

（专栏编辑：顾 梅）