空隙率法在粉土吹填筑堤质量控制中的应用

陈式华，马庆宏，沈水进，仇 涛，赵文芳

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省水利防灾减灾重点实验室，浙江 杭州 310017；3.浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州 310058）

1 前 言

随着吹填技术广泛应用于堤坝、围垦、环保等工程领域，吹填筑堤工程的设计要求除了需要满足吹填高程、平整度、土质等主控指标以外[1]，还需对土体干密度、抗剪强度进行控制[2]。目前，吹填筑堤工程中关于土体干密度、抗剪强度的值及其计算方法的研究较少，粉土吹填筑堤工程多根据工程经验中吹填土料的物理力学性质提出设计干密度指标，但并无抗剪强度要求。同时，填方工程中的干密度指标无法适应多变料源。基于上述情况，需要对粉土吹填筑堤工程的质量与安全控制方法进行深入研究。

目前，粉土碾压填筑工程中主要使用压实度法[3]和空隙率法[4]进行质量与安全控制，其中空隙率法在控制压实路基的遇水稳定性方面较压实度法更具优势[5]，且多用于潮湿多雨环境下填方工程的质量控制[6]。对于吹填筑堤工程，堤防的遇水稳定性及高含水率是其设计分析及施工控制的重点。因此，空隙率法可用于粉土吹填筑堤工程中，但对其在粉土吹填工程质量控制的相关研究开展较少，需进一步完善，加强工程的质量与安全控制。在粉土吹填筑堤工程中，需要满足地基承载力、抗滑稳定性、沉降、防渗、抗液化等使用要求，故需研究土体各项物理力学参数。干密度与土体抗剪强度、固结系数、渗透系数等土的物理力学参数关系密切。对同一土体来说，干密度越大，单位体积内固体颗粒越多，排列越紧密，强度越大，固结性能越好，渗透系数越小。因此，干密度及其相关指标常用于填方工程的质量控制。

国内外细粒土填筑质量控制方法主要有干密度法、压实度法、空隙率法、饱和度法、抗剪强度法等（见表1）。表2对比分析了各类质量控制方法在粉土吹填筑堤工程中应用的优点和存在问题。其中压实度法不适用于粉土吹填筑堤工程，其余方法虽然适用，但均未建立相应的质量控制参数体系。与饱和度法、抗剪强度指标法相比，干密度法和空隙率法的相关研究较多，易总结分析并建立相应的质量参数体系。但是土的干密度与其级配关系密切，实际工程中料源多变，级配变化大，建立合理适用的干密度法质量控制体系难度较大。

表1 国内外细粒土填方工程质量控制方法一览表

表2 不同质量控制方法在粉土吹填筑堤工程中的适用性分析表

空隙率反映土中空气体积的含量。碾压密实的土即使达到最大干密度仍有空隙残留，其空隙率通常为3%~5%[11]。虽然碾压与吹填的施工方法不同，但两种填筑方法均是为实现土体颗粒的重新排列，增加单位体积内的固体颗粒，减少孔隙。不论采用何种施工方法，空隙率只反映土的工后性质[6]，该法适应土料多变的实际工程情况[5]。

续表2

本文通过汇总国内外现行细粒土填筑的质量控制方法，对各类方法在粉土吹填筑堤工程中的适用性进行对比讨论，采用空隙率法进行粉土吹填筑堤工程的质量控制研究。同时，基于国内外现有的空隙率法控制指标，提出粉土吹填筑堤工程的空隙率指标参数，并通过将空隙率法应用于实际的粉土吹填工程，验证空隙率法指标参数对粉土吹填筑堤工程质量控制的适用性。

2 粉土吹填工程的空隙率法

2.1 空隙率的定义

空隙率（亦称空气体积率）是指土中气体的体积与土的总体积的比值，以%表示[12]。其基本公式如下：

式（1）中：Va为空隙率，%；ρd为现场土的干密度，g/cm3；ω为现场土的含水率，%；ρs为现场土的土粒密度，g/cm3；ρw为纯水在4℃时的密度，通常取1.00 g/cm3；V固为土中固体颗粒部分总体积，m3；V液为土中水的体积，m3；V气为土中空气的体积，m3；

通常ρs=Gs×ρw，则公式（1）可变换为以下形式：

式（2）中：Gs为现场土粒的相对密度。

2.2 粉土的相对密度

本文对比分析钱塘江流域萧山东江嘴—余姚段共730个土样的相对密度值（见图1），该区域87.8%的粉土相对密度值为2.70~2.71，变化范围很小，与建议的粉土相对密度参考值一致[13]。因此，本文中粉土的空隙率曲线差异很小。

图1 粉土相对密度的正态分布曲线图

2.3 粉土吹填筑堤工程的空隙率法指标

2.3.1 空隙率的确定

表3对比分析不同碾压施工条件下的细粒土空隙率指标。碾压筑堤工程中，由于残留密闭空隙率的存在，吹填粉土工程的空隙率下限为2%或未限定[4,7]。随着吹填土强度增大，土体由饱和状态变为不饱和状态，需对空隙率下限进行界定。根据工程实际情况与表3，吹填粉土筑堤工程的空隙率范围可定为0%＜Va≤10%。

2.3.2 上限含水率的确定

土的干密度值随含水率增加而减小。当空隙率在0%~10%，且限定土的上限含水率时，干密度出现在2条曲线的区域之间，从而实现粉土填筑工程的质量控制（见图2）。

图2 空隙率曲线图

图2可知，空隙率和土粒密度确定后，干密度随含水率的增大而减小。当含水率增大到一定程度，即使空隙率符合设计要求，干密度会过小，因此需设定空隙率法的上限含水率。碾压筑堤中的含水率多在最优值附近，不会出现上述情况。现有空隙率法一般不设定上限含水率（见表3）。但是，吹填筑堤工程中的吹填土由流态变为固态，其含水率变化范围很大，必须对上限含水率进行设定，确保空隙率指标有效。当吹填土的含水率大于液限呈流态[17]，此时初期的排水固结未完成，稳定性差。通过排水固结将吹填土的含水率降至液限以下，吹填土进入流塑-软塑状态，初期强度逐渐形成，可用于开展吹填施工。吹填土初期强度形成的时间即为吹填周期。基于上述情况，选用吹填料场土的液限含水率ωL作为空隙率法的上限含水率，满足施工要求。

表3 空隙率法控制指标参数一览表

综上，空隙率法的指标可定为：0%＜Va≤10%且ω＜ωL。

3 空隙率法的工程应用

本文选取慈溪市郑徐水库工程（简称“工程1”）、杭州市萧围东线标准塘建设工程（简称“工程2”）2个粉土吹填工程案例，使用空隙率法控制指标，分析其对粉土工程质量控制的适用性。两工程吹填土的基本性质见表4，施工质量控制参数见表5。

表4 两工程吹填土的基本性质表

表5 两工程施工质量控制参数表

由表4可知，两工程的吹填用土中，粉粒含量为85.0%~92.8%，黏粒含量为4.0%~7.2%，液限为30.6%~34.3%，塑限为21.9%~24.5%，塑性指数小于10，属粉土类。依据吹填用土的基本性质，上限含水率取30.0%（见图2）。

图3、图4分别为工程1、工程2的土样干密度及空隙率试验成果分布图，图5、图6分别为工程

图3 工程1的土样干密度及空隙率试验成果分布图

图5 工程1的含水率及空隙率试验成果分布图

1、工程2的土样含水率及空隙率试验成果分布图。

图4 工程2的土样干密度及空隙率试验成果分布图

图6 工程2的含水率及空隙率试验成果分布图

由图3~4可知，A区为土样干密度小于设计干密度，Va＞10%的区域；B区为土样干密度小于设计干密度，0%＜Va≤10%的区域；C区为土样干密度小于设计干密度，Va≤0%的区域；D区为土样干密度大于设计干密度，Va＞10%的区域；E区为土样干密度大于设计干密度，0%＜Va≤10%的区域；F区为土样干密度大于设计干密度，Va≤0%的区域。若试验结果位于A区和E区，则干密度指标与空隙率指标相关度高；试验结果位于B、C、D、F区，则干密度指标与空隙率指标相关度差。

工程1共有试验土样73组，73组均位于E区；工程2共有试验土样67组，其中36组位于A区，31组位于E区。位于A区的土样干密度指标及空隙率指标满足规律，但不满足设计要求。位于E区的土样满足干密度与空隙率两项指标的设计要求。对C区和F区来说，Va≤0%，饱和度超过100%，属于数据异常点。粉土试样易扰动，使得试验数据产生异常，应予以剔除。干密度指标无法单独用来甄别扰动试验误差，而空隙率指标可发现类似问题。因此，空隙率法有较好的自检性，可提高试验准确度。综上，试验土样的有效成果均位于A、E两区，两项指标具有较高的匹配度，选取的空隙率指标参数值合理且适用。

由图5~6可知，空隙率合格的土样含水率均小于上限含水率，说明文中选取的上限含水率参数值合理。因此，对于吹填粉土筑堤工程，必须设定含水率上限，确保采用空隙率法进行质量控制的有效性。

应用结果表明，以0%＜Va≤10%且ω＜ωL作为控制参数值的空隙率法能较好地反映粉土干密度的变化情况，与干密度指标相关性较高且具有一定的自检性，能有效地指导粉土吹填工程的施工进度及质量控制。但空隙率与抗剪强度的关联性仍需进一步探究。

4 结 论

（1）本文对比分析国内外细粒土填筑质量控制方法的适用性及优缺点，采用空隙率法作为粉土吹填筑堤工程的质量控制方法。

（2）对空隙率曲线的空隙率、干密度、含水率特性进行探讨，参考国内外空隙率指标以及吹填工程案例，提出粉土吹填工程空隙率法的控制指标体系。

（3）将空隙率指标应用于两个工程实例，结果表明：空隙率法可用于吹填粉土的质量控制且试验结果具有一定自检性。

（4）建议在粉土吹填筑堤工程中，采用空隙率（Va）和含水率（ω）作为空隙率法的控制指标，参数范围选取0%＜Va≤10%且ω＜ωL。