粗颗粒填料压实动态干密度控制研究

唐建立　来亦姝　皇甫泽华　历从实　祁安领

摘要：黏土心墙砂砾（卵）石坝或面板堆石坝的砂卵石等填筑过程中现场检测结果经常出现相对密度大于l的不合理现象，施工控制中测定砂砾（卵）石的相对密度，成为控制施工质量、保证工程建设顺利进行的关键。通过分析现场砂砾（卵）石料试验结果，发现砂砾（卵）石料中大于5 mm粒径的粗粒含量与其最大、最小干密度存在曲线关系，利用试验结果绘制砂砾（卵）石中粒径大于5mm的粗粒含量与干密度关系曲线，根据检测样品中粒径大于5 mm的粗粒含量，通过关系曲线确定样品的干密度，计算检测样品压实后的相对密度。研究表明，这一方法可以很好地解决填筑过程中现场填料检测得到的相对密度大于1的不合理现象。

关键词：粗颗粒填料;干密度;相对密度;土石坝;级配曲线

中图分类号：TV222

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.031

土石坝因充分利用当地材料进行坝体填筑、工程造价相对较低而被廣泛采用，当地材料的工程性质及其质量和数量的具体情况，直接决定着大坝的安全和工程造价[1-3]。目前，通常采用相对密度作为现场填筑质量的控制指标，然而受室内试验设备尺寸限制，室内相对密度试验还只能采用经过缩尺处理的模拟级配材料进行，导致试验结果不能完全反映现场实际情况[4-7]。特别是存在人工采砂时料场砂砾（卵）石料细颗粒缺失，改变了料场砂砾（卵）石料天然级配的情况，致使填料级配曲线、物理力学参数以及后续开采条件等改变，导致扰动料级配范围变化大、离散性大[8]。如果不能采用合理方法确定砂砾（卵）石料的最大、最小干密度指标，则会出现碾压试验和现场施工检测得到的试样相对密度大于1的不合理现象[9-12]，这说明原来的方法得到的最大、最小干密度指标并不具有普遍代表性。因此，确定合理的砂砾（卵）石料施工控制指标，对于合理确定填筑标准，控制施工质量，保证工程建设的顺利进行，以及工程的长期运行安全等都具有重要意义[13-15]。

1 问题提出

河南省前坪水库工程大坝设计采用黏土心墙砂砾（卵）石坝，设计上坝砂砾（卵）石填筑量约870万m。大坝上游戗堤砂卵石料填筑设计要求相对密度控制标准不小于0.75。然而，在施工初期，施工过程中施工单位采用室内经过缩尺处理的模拟级配材料试验成果进行施工控制，施工过程中相对密度检测了74组，检测结果显示最大相对密度达1.51，且仅有6组低于1.0，最小值为0.92。这种明显不合理的现象说明室内模拟检测的最大、最小干密度并不能真实反映现场碾压料的干密度，需要采用合理的方法确定现场砂卵石料的干密度。

2粗粒料的物理构成和级配分析

根据测量结果和现场复勘结果，料场砂卵石料大部分已被采砂扰动，砂卵石料中细颗粒部分被开采走，仅剩少量还未开采扰动。

2.1 砂卵石料的物理构成及现场描述

现场砂卵石料主要成分为安山玢岩、安山岩、石英斑岩、流纹岩等，卵石含量为70% - 90%，其余为黄色中粗砂和少量细砂，岩性不均，局部夹有中粗砂透镜体。粒径一般为3-12 cm，少量为14 - 23 cm，个别大者为50-70 cm，分选性差，呈中密、密实状。

前坪水库砂卵石料料场采砂滥开乱挖，导致料场砂卵石料大部分已经被扰动，剩余料主要为人工采砂后的筛余料，其级配不良，细颗粒（砂）明显较少。人工扰动料打乱了天然砂卵石料的成因产状、层位分布赋存条件和规律，造成料场料源难以按地域或深度进行分区和规划利用。

2.2 室内试验结果

在施工之前，为确定现场施工控制指标，取上游阶地砂卵石料两组（编号1#、2#）进行缩尺处理的模拟级配材料进行试验，室内试验结果见表1。

2.3 现场施工控制及问题

根据室内经过缩尺处理的模拟级配材料试验结果，为严格控制现场施工质量，现场施工控制中采用最小干密度为1.95 g/cm、最大干密度为2.26 g/cm进行施工控制。施工中，砂卵石碾压后干密度测试方法采用灌水法，天然含水量试验采用烘干法。现场进行密度试验的试坑直径一般取0.9 - 1.0 m，深度与现场单层厚度相同。碾压后，对砂卵石密度进行二次平行试验，取其算术平均值：天然含水量采用室内烘干法测定，同样进行二次平行试验，取其算术平均值，平行误差不得大于0.5%。

通过现场收集的5组试验结果得知，干密度值在2.26-2.36 g/cm之间，根据式（1）计算相对密度D，，计算结果显示相对密度在1.00 - 1.27之间（见表2）。 根据式（1）及规范可知，Dr值应在0-1之间，表2中出现相对密度大于1的情况明显不合理，这说明在相对密度计算中，选取的最大、最小干密度是不合适的，与现场实际情况不吻合。现场检测中采用的干密度指标并不能真实反映现场碾压料的真实干密度。

3 P5含量与干密度的关系曲线及应用

P5含量为土工试验中粒径大于5 mm的粗粒含量，由于现场摊铺砂卵石料的级配及施工条件等与实验室确定标准干密度的砂卵石级配不一致，导致室内试验确定的干密度不能真实反映现场施工条件下所使用砂卵石料的最大、最小干密度[16-19]。同时，现场碾压料级配范围变化大，离散性大，现场施工控制中如果采用一个确定的标准干密度值来衡量砂卵石填料的压实情况，将得不到正确的结果，因此需要采用更为接近施工实际条件的最大、最小干密度来检测工程施工质量。

3.1 试验结果分析

为解决相对密度超过1这一不合理现象，笔者收集了现场碾压试验结果，统计了6组碾压试验的砂砾（卵）石级配情况及最大、最小干密度（见表3）。从表3可以看出，随着P5含量的增大，各相对密度条件下的最大、最小干密度均有先增大、后减小的趋势，与黏性土击实试验中最大干密度与含水率的关系极为类似。受这一现象启发，考虑砂卵石料的干密度与P5含量可能存在某种曲线关系。分析碾压试验结果，绘制了P5含量与干密度关系曲线（见图1），现场施工控制时可根据试样的P5含量，查关系曲线，确定试样的最大、最小干密度，据此计算现场砂卵石压实后的相对密度。

3.2 相關曲线在现场压实度检测中的应用

根据上述分析，再次对前述5组试样进行重新统计分析，其P5含量在62.6% - 82.4%之间，利用P5含量与干密度关系曲线，采用内插法、外差法计算各组料的最大、最小干密度。通过计算发现（见表4），5组料压实后的相对密度有4组在0.89 - 0.99之间，仅1组为1.01，略大于1。说明在粗粒料的现场压实控制中，采用单一干密度控制是不合适的，其干密度与P5含量有关，对于不同级配的砂卵石料填筑现场采用动态干密度控制很有必要，根据P5含量与最大、最小干密度关系曲线确定相对密度进行现场施工控制存在一定的合理性。

4 结语

通过试验分析建立了P5含量与干密度关系曲线，利用该关系对不同级配的料源采用不同的干密度进行施工控制可以有效解决使用单一最大、最小干密度控制时存在的问题。本研究是对粗颗粒填料压实控制指标的一次探索，可以为现场施工提供一定的指导，但本文收集的资料有限，同时现场人工扰动使得砂卵石的级配不良，特别是细颗粒在人工采砂后大量缺失，致使现场填筑料级配不稳定，从而导致建立的与P5含量相关的干密度曲线应用受到限制。

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【责任编辑张华岩】