粗粒料相对密度室内与现场试验对比分析

孙卫江， 冯 卉， 吴远鹏， 柴龙胜, 李亚运

(1.新疆生产建设兵团水利水电工程集团有限公司， 新疆 乌鲁木齐830002;2.新疆兴农建筑材料检测有限公司， 新疆 乌鲁木齐 830052)

1 研究背景

随着施工机械的快速发展，现场施工条件的快速改进，坝体填筑料的最大粒径也在不断增大。而室内相对密度的试验方法由于实验仪器的限制，无法对原型级配土石料进行相对密实度的测定，需进行一定的缩尺处理。然而，进行缩尺试验后，室内试验结果与现场施工质量控制之间存在一定差距[1-5]。如果以室内试验结果为控制指标，常常出现相对密度大于1的情况[6-7]。

已有针对超粒径粗粒土最大干密度的研究提出了一些确定方法。张少宏等[8]提出采用分段法来确定粗粒土最大干密度。郭庆国等[9]提出了基于室内最大干密度、最小干密度实测结果及现场实测最小干密度结果确定现场最大干密度的方法。史彦文[10]利用模型相似理论探讨了砂砾料最大密度与级配模数之间的规律。何建新等[11]通过试验研究，得出了ρd与lgdmax之间近似于线性关系，从而可由室内试验结果推求现场试验结果。田树玉等[12-13]提出了一种采用渐近线辅助确定大粒径骨料最大干密度的方法，克服了已有方法中外差值偏差较大的缺点。但由于粗粒土级配、颗粒大小、形状以及岩石本身的特性变化较大，因此，上述方法并不具有普适性。向尚君等[14]采用数理分析的方法得出了粗粒料最大干密度、最小干密度与砾石质量分数的关系，同时，也提出所得结论仅适用于当前工程。因此，在施工过程中，仍应该以现场碾压试验结果为主要参考指标，结合室内试验结果，对现场施工质量进行更为有效的控制。

2 试验用料及方法

室内试验：室内试验所用粗粒料为原级配粗粒料将60 mm以上超径剔除后得到，采用等量替代法，将超径料进行替换，参照《土工试验规程》[15]按照振动台法进行相对密度试验。

现场试验：现场试验用料为原级配粗粒料，原级配粗粒料最大粒径为500 mm，P5含量控制在60%～90%进行试验，现场相对密度试验筒选择Q235B厚度14 mm的钢板加工制作，直径为2 000 mm，高度为800 mm。过筛出砾石P5(5 mm以上)，按含量60%、70%、80%、90%用砂掺配拌制均匀，采用人工虚填法装入现场试验筒，得到现场试验最小干密度。采用25 t振动碾以碾压20遍时的压实干密度作为最大干密度。现场试验及室内试验的级配曲线如图1所示。

图1 试样级配曲线

3 结果对比与分析

3.1 试验结果

室内相对密度试验结果如图2所示。随着P5含量的不断增加，最大干密度不断增大，当P5含量为70%时，最大干密度达到最大值，为2.31 g/cm3，之后随着P5含量的增加，最大干密度数值开始减小。最小干密度数值与最大干密度呈现一致的规律，当P5含量为70%时，最小干密度达到最大值，为1.99 g/cm3。

图2 室内相对密度试验结果

现场相对密度试验结果如图3所示。随着P5含量的增加，最大干密度不断增大，与室内试验结果不同的是，现场试验结果中P5含量为80%时，最大干密度达到最大值，为2.35 g/cm。最小干密度也是在P5含量为80%时达到最大值，最小干密度最大值为2.04 g/cm3。现场试验中骨料最大粒径可达到400 mm甚至500 mm，室内试验骨料的最大粒径仅为60 mm，随着最大粒径的增大，最大干密度最大值对应的P5含量也在不断增大。表明骨料的最大粒径对P5含量最优值存在一定的影响。随着骨料粒径的增大，试样中的孔隙体积减小，所需要填充孔隙的细料含量就越少，P5最优含量也就增大。

图3 现场相对密度试验结果

3.2 已有最大干密度确定方法的探讨

依据参考文献[4]中确定超径粗粒土最大干密度的计算方法，通过实测模型级配料的最大干密度、最小干密度和原型级配料的最小干密度，从而获得原型级配料的最大干密度。针对本试验的试验数据，采用上述方法对试验结果进行校核，校核结果如表1所示。室内试验实测最大干密度与最小干密度的差值随着P5含量的增加呈增大趋势，并没有维持在一个定值。通过上述方法得到推求现场最大干密度的数值比实测现场最大干密度数值更大，最小值高出0.01，最大值高出0.09，平均值高出0.04左右。同样，按照规范中控制相对密度在0.85时的现场碾压密度也就更高。以现场推求结果为控制指标，以推求结果Dr=0.85干密度为碾压密度，对应的现场实测最大干密度计算得到的相对密度均高出0.85，P5含量不高于70%时，试验结果差距较小，影响不大。P5含量达到75%以后，影响越来越明显，当P5含量达到90%时，相对密度数值最大值为1.06。试验结果不够理想。上述超粒径最大干密度的推求方法具有一定借鉴意义，但不是所有的工况都能适用，且同一试验条件下，也存在一定的差距。因此，现场超径骨料的最大干密度的确定方法仍应以现场实测试验结果为依据，结合已有研究的最大干密度推求方法来确定现场最大干密度，且应加强质量控制监测，确保工程质量得到保证。

表1 试验结果与修正方法对比

已有研究的现场超径最大干密度的确定方法有一定的借鉴价值，但在现场施工质量控制中，不能盲目套用，还应该以现场实测结果为依据，进行适当调整。同时应该加强现场施工的质量控制监测，应该做到时时监测、处处监测。

上述方法均应以现场实测结果作为坝体碾压控制的指标更为适当、合理。笔者基于自身工程经历，构思出一种采用室内试验结果为控制指标的方法。即以室内模型级配实测结果为控制指标，在进行原位密度实验时，无论采用灌砂法还是灌水法，将挖出的粗粒料粒径高于室内试验用料粒径的剔除，称量剔除料的质量，通过实测粗粒料的表观密度，进而可以求得剔除料的体积，分别用挖出的粗粒料的总质量减去剔除料的质量，总体积减去剔除料的体积，可获得粒径与室内试验粒径等同的粗粒料的质量和体积，继续计算出密度，再以室内试验结果为控制指标，计算出对应的相对密度。例如：以本次试验为例，对应P5含量为70%时，室内试验结果最大干密度数值为2.31 g/cm3，最小干密度数值为1.99 g/cm3，现场试验以直径200 cm、高度80 cm圆环挖坑，总体积为2.512×106cm3，总质量为5 840 kg，剔除超径粗粒料1 000 kg，超径粗粒料的颗粒比重为2.70 g/cm3，则剔除粗粒料的体积为3.704×105cm3，剩余与室内试验粒径相同粗粒料的质量和体积分别为4 840 kg和2.141×106cm3，则剩余粗粒料的碾压密度为2.26 g/cm3，计算得到Dr为0.85，与试验结果相对应。但该方法的有效性和实用性目前还没有得到试验的验证，有待于以后进一步研究。

4 结 论

(1)相同条件下，粗粒料的最大干密度数值随着P5含量的增加不断增大，室内试验最大相对密度峰值对应的P5含量为70%，而现场试验最大干密度峰值对应的P5含量为80%，随着粗粒料粒径的增大，最优P5含量不断增大。

(2)根据室内模型级配料的最大干密度、最小干密度和现场实测最小干密度来推求现场原型级配料最大干密度的方法有一定的借鉴意义，但并不具有普适性，施工质量的控制指标还应该以现场碾压试验结果为依据，并加强施工期间的施工质量控制管理。

参考文献：

[1] 翁厚洋, 朱俊高, 余 挺，等. 粗粒料缩尺效应研究现状与趋势[J]. 南京：河海大学学报, 2009, 37(4): 425-429.

[2] 杨建明, 刘录录, 杨海华. 白杨镇水库混凝土面板坝坝料碾压试验研究[J]. 水资源与水工程学报, 2014, 25(4): 237-240.

[3] 吕立新, 焦恩东. 土石坝坝体填筑料料场选择、试验与施工[J]. 吉林水利, 2008(12): 42-46.

[4] 徐拥军. 浅谈碾压式土石坝填筑常见问题的预防处理措施[J]. 建筑与工程, 2011(17): 303.

[5] 谢定松, 蔡 红, 魏迎奇，等. 粗粒土渗透试验缩尺原则与方法探讨[J]. 岩土工程学报, 2015, 37(2): 369-373.

[6] 朱 晟. 粗粒筑坝材料现场压实质量的控制标准研究[J]. 水力发电, 2011, 37(12): 22-26+30.

[7] 朱 晟, 王永明, 翁厚洋. 粗粒筑坝材料密实度的缩尺效应研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011,30(2): 348-357.

[8] 张少宏, 康顺祥, 骆亚生. 分段法确定无黏性超粒径粗粒土最大干密度[J]. 水资源与水工程学报, 2005, 16(3): 51-53.

[9] 郭庆国, 刘贞草. 超径粗粒土最大干密度的近似测定方法[J]. 水利学报, 1993(10): 70-78.

[10] 史彦文. 大粒径砂卵石最大密度的研究[J]. 土木工程学报, 1981(2): 53-58.

[11] 何建新, 刘 亮, 张敬东. 超径粗粒土现场干密度确定方法[J]. 人民黄河, 2012, 34(2): 121-122+125.

[12] 田树玉. 用渐近线辅助拟合法确定大粒径砂卵石最大干容重[J]. 岩土工程学报, 1992, 14(1): 35-43.

[13] 田树玉, 史彦文. 测定粗粒料最大密度之HUMPHREY公式的校正[J]. 水力发电学报, 1994(1): 28-34.

[14] 向尚君, 赵兴安, 邱炽兴，等. 旁多水利枢纽砂砾石坝壳料现场碾压质量控制曲线[J]. 水利水电科技进展, 2011, 31(3): 92-94.

[15] 中华人民共和国水利部. SL237-1999土工试验规程[S].北京：中国水利水电出版社，1999.