灌水法密度試驗影響因素分析與質(zhì)量控制

何耀輝,陳式華

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

原位密度試驗的主要目的是測定原位土的密度和對填方工程進(jìn)行施工質(zhì)量控制。原位密度試驗的主要方法有環(huán)刀法、灌砂法、灌水法、核子射線法等。灌砂法、灌水法適用于礫類填土;環(huán)刀法、核子射線法適用于細(xì)粒土[1]。在水利工程建設(shè)如堆石壩、堤防填筑時,填筑土料經(jīng)常用到砂礫石、碎塊石料,為了確保填筑質(zhì)量,一般采用碾壓參數(shù)和填筑體密實度2種方法聯(lián)合控制,控制碾壓參數(shù)的目的是為了控制填筑體的密實性。反映密實度的指標(biāo)如相對密度、孔隙率計算均需測得原位干密度。由于填筑土料粒徑較大且不均勻,不適用環(huán)刀法、核子射線法進(jìn)行原位干密度檢測,應(yīng)采用灌砂法、灌水法等檢測方法。灌砂法采用量砂測量試坑體積,對試驗人員操作能力要求較高,試坑體積較大時,所需量砂也較多,且試驗時間較長,因此在實際工程檢測中,一般采用灌水法。在灌水法試驗過程中,很多因素均會影響測試成果的精度,甚至得出不合理的結(jié)果,因此有必要結(jié)合經(jīng)驗對影響因素作分析并提出減少或消除影響因素的措施。

2 試驗基本原理及步驟

灌水法原位密度試驗的基本原理:在測點挖試坑,稱量從試坑中挖出的土料質(zhì)量,后向試坑內(nèi)灌水,稱量所灌水的質(zhì)量,換算出所挖試坑的體積,再用挖出的土料干質(zhì)量除以試坑體積計算出干密度(見圖1)。

文獻(xiàn)[1]對灌水法試驗的步驟作了簡單的介紹,但實際工作中根據(jù)該步驟操作難以進(jìn)行。根據(jù)實際工作經(jīng)驗,歸納出較可行的試驗步驟如下:

(1)選擇工程現(xiàn)場有代表性的測點,將測點處地面基本整平;

(2)按測點部位土料的最大粒徑確定合適的試坑尺寸,選擇合適直徑的鋼套環(huán);

(3)在地面上放置鋼套環(huán)并固定,在套環(huán)內(nèi)鋪設(shè)塑料薄膜,取水稱量后灌入套環(huán)內(nèi)至一定高度,記錄灌入的第1次水質(zhì)量m1;

(4)用安裝在方鋼尺上的水工測針確定參考水平面,記錄水工測針讀數(shù);

(5)舀凈水并拿走塑料薄膜,按確定的試坑直徑劃出坑口輪廓線,在廓線內(nèi)下挖至要求的深度;

(6)將坑內(nèi)的試樣裝入盛土容器內(nèi),稱量并取代表性的試樣測定含水率,計算土料的總干質(zhì)量m;

(7)試坑挖好后,將大于試坑容積的塑料薄膜沿坑底、坑壁緊密相貼鋪設(shè),取水稱量灌入試坑至參考水平面,計算灌入的總水質(zhì)量m2。

填筑土干密度按以下公式計算:

圖1 灌水法密度試驗示意圖

3 影響精度的因素分析與措施控制

3.1 試坑填筑料的代表性

根據(jù)填筑料的最大粒徑和填筑層厚度選擇合適的試坑直徑和深度。當(dāng)試樣最大粒徑＜200 mm時,試坑直徑可參考表1;＞200 mm時,試坑直徑一般不應(yīng)小于填筑料最大粒徑的3倍;試坑深度可與壓實后的填筑層厚度相近。為了保持坑壁的穩(wěn)定,試坑形狀一般為上大下小的 “鍋”形,而實際壓實情況通常為上密下松,這就造成所測干密度偏大;在挖試坑時,根據(jù)填筑體的密實程度,選擇合適的坑壁坡度,在能保持坑壁穩(wěn)定的前提下,盡量選擇較陡的坡度,增加挖出的填筑料的代表性。

表1 試坑尺寸與相應(yīng)最大粒徑表[1]mm

3.2 鋼套環(huán)位置的固定

填筑體土料粒徑大小不勻,碾壓面很難整平到水平面,試驗時一般采用鋼套環(huán)來確定1個參考水平面。鋼套環(huán)的位置變化對試驗結(jié)果的影響極大,直接關(guān)系到試驗結(jié)果的正確性。為防止鋼套環(huán)的移動產(chǎn)生參考水平面的變化,試驗開始時鋼套環(huán)應(yīng)與地面壓緊并固定,不允許出現(xiàn)翹動。挖坑過程中應(yīng)避免觸碰鋼套環(huán),土樣應(yīng)從試坑中心向深度方向撬挖,并向邊緣逐漸擴(kuò)大直徑。如遇大塊石時,應(yīng)先挖除大塊石周邊的較小料徑的土石料,待大塊石有松動時用鋼釬小心挖出;塊石過大時,量好其尺寸后進(jìn)行分解,分塊挖出。為了防止鋼套環(huán)因自身重量而壓入土中,鋼套環(huán)與地面接觸的底邊應(yīng)有足夠面積突出的“沿”。當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼套環(huán)有明顯的移動而影響試驗結(jié)果時,應(yīng)中止該點試驗并重新選點。

3.3 參考水平面的測量

不僅鋼套環(huán)的位置變動會造成參考水平面的變化,測量工具及人員變動也會造成水平面的前后差異。測量工具可采用固定在方鋼尺上的水工測針,確定參考水平面時可在鋼尺及套環(huán)上做標(biāo)記并記錄水工測針讀數(shù),前后觀測人員也應(yīng)為同一人,這可保持參考水平面的前后一致。不建議在鋼套環(huán)上固定測針,因為在鋼套環(huán)搬動及試驗時,容易觸碰導(dǎo)致測針變形,甚至損壞測針。

3.4 坑壁形狀

由于填筑料大小不勻,坑壁往往凹凸不平,而其形狀的規(guī)則程度則直接影響與薄膜的貼合度,從而影響試坑測試體積的精度。當(dāng)試坑接近所要求的形狀時,應(yīng)小心修整坑壁、坑底,清除表面松動土料。遇塊石橫跨鋼套環(huán)等情況而使坑壁無法規(guī)則或出現(xiàn)較大倒坡時,此試坑應(yīng)廢棄,重新取點進(jìn)行試驗。當(dāng)填筑料含水率較大無法保持坑壁穩(wěn)定時,試驗不宜進(jìn)行。

3.5 塑料薄膜

塑料薄膜作為測量試坑體積的容器,其自身的厚度,柔軟性均影響體積的測試結(jié)果。薄膜越厚,柔順性越差,自身占用試坑的體積也越大,與坑壁越不容易貼合緊密,造成試坑的測量體積偏小;薄膜太薄,在水壓力的作用下,容易被頂破造成漏水而導(dǎo)致試驗失敗。試驗時宜根據(jù)試坑的大小、土料的磨圓度等選擇厚度適中,柔軟性較好的薄膜。灌水時,應(yīng)緩慢注入,避免水流對薄膜的直接沖擊,并邊灌邊理順薄膜褶皺,排空薄膜與坑壁間的空氣,使坑壁與薄膜貼合緊密。

3.6 試樣及試驗用水的稱量

由于試坑體積往往較大,挖出的試樣及試驗用水(純凈無雜質(zhì))均較多,需分次稱量,要求選擇符合精度要求的稱量工具;水灌入試坑時,應(yīng)保證盛水容器內(nèi)無余水;試樣挖取及稱量時應(yīng)無遺落、無粘帶。

3.7 試樣含水率測定

試驗的主要目的為測得原位干密度,原位含水率并不是試驗關(guān)心的指標(biāo),因此只要含水率能代表試樣稱量時的狀態(tài)就可以。對最大粒徑較小能取得代表性含水率的試樣可在全料中取;對最大粒徑較大無法在全料中取得代表性試樣的可先篩分后在每級土樣中取代表性試樣測含水率。當(dāng)土料較濕時,可進(jìn)行翻曬后篩分、稱重、取樣測含水率。

4 模擬分析

假設(shè)有1試驗,鋼套環(huán)直徑2.5 m,塑料薄膜厚度0.4 mm,試坑直徑2.0m,深度0.8 m,挖取的土料干質(zhì)量2500 kg。試坑斷面形狀假定為拋物線形,方程為y=0.8 x2,計算得到的理想試坑體積為1256 L,第1次注水量(不包括底部薄膜所占體積)m1=500 kg,水的密度為1.0 g/cm3。根據(jù)不同影響因素分以下8種情況討論:①理想情況,試坑體積為計算得到的1256 L;②僅考慮薄膜體積的影響;③第2次確定參考水平面時,位置下降了0.5cm;④第2次確定參考水平面時,位置下降了1.0 cm;⑤考慮薄膜與試坑壁平均脫開0.5 cm;⑥考慮薄膜與試坑壁平均脫開1.0 cm;⑦綜合考慮②、③、⑤情況;⑧綜合考慮②、④、⑥情況。

從表2可以看出,參考水平面的變動、薄膜與坑壁的貼合度對干密度的影響較大。當(dāng)參考水平面降低1.0 cm時,干密度增加4.07%;當(dāng)薄膜與試坑壁平均脫開1.0 cm時,干密度增加2.61%;當(dāng)考慮薄膜體積、參考水平面降低1.0 cm,薄膜與試坑壁平均脫開1.0 cm時,干密度則增加7.04%。因此,干密度的采用應(yīng)在試驗得到的結(jié)果基礎(chǔ)上,根據(jù)現(xiàn)場試驗情況,考慮各因素的影響大小,選取1個合適的折扣值。

表2 各影響因素下的干密度計算表

5 結(jié) 語

灌水法原位密度試驗的影響因素較多,大部分因素均使所測試坑體積減小、干密度增大。對試驗結(jié)果不加分析的取用,可能出現(xiàn)實際干密度未達(dá)到設(shè)計要求而判斷為合格的情況,因此埋下工程隱患。在試驗過程中,操作人員應(yīng)樹立起高度的責(zé)任心,細(xì)心規(guī)范操作,采取措施減少甚至消除各因素對干密度的影響。

[1]中華人民共和國水利部.SL 237—1999土工試驗規(guī)程[S].北京:中國水利水電出版社.1999.