三點擊實法在平原水庫質(zhì)量檢測中的應(yīng)用

宋德明，張存暖，史新軍

（山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276006）

土壩填筑質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著土壩的穩(wěn)定和安全。壩體填筑質(zhì)量檢測主要是壓實度實體檢測。壓實干密度的檢測方法一般有環(huán)刀法、核子密度儀法、灌水法、灌砂法等，通過測定土層的濕密度和含水率來計算干密度；但壓實度的檢測還必須再進行標準擊實，測定該土的最大干密度，最后計算壓實度。在設(shè)計壓實度的范圍內(nèi)，最大干密度和控制干密度的差值范圍很小，如設(shè)計壓實度0.98時，實測控制最小干密度僅比最大干密度小0.04。然而，上壩土料是不均勻的，最大干密度也不可能是一個常數(shù)。因此，相應(yīng)各實測點要做標準擊實測定最大干密度的工作量大，時間長，很不適應(yīng)上壩土料的施工。

三點擊實法又稱快速壓實控制法，是美國工程師Hilf研究出來的土石料壓實快速質(zhì)量控制方法,1957年試用，2001年錄用于《碾壓式土石壩施工規(guī)范》（DL/T5129—2001）的附錄C4。該法不需要測定含水率，僅在測定密度后用測定密度試驗的土樣做3種含水率的擊實試驗，測定3個擊實濕密度，就可以確定填土的壓實度 （D）和最優(yōu)含水率與填土含水率的差值（Zm）。壓實度計算公式如下：

式中:ρdf為填土實測干密度;ρdmax為標準擊實最大干密度；ωf為填土含水率。

從（1）式可知：由于含水量相同，所以濕密度比等于干密度比。ρdf(1+ωf)為填土濕密度，用環(huán)刀取土稱其濕土重再除以環(huán)刀容積即可。ρdmax(1+ωf)為相同含水量土的最大濕密度，土源來自環(huán)刀取土的位置。其計算最簡便快速的方法就是三點擊實法。

1 三點擊實法的應(yīng)用

三點擊實法有圖解法和數(shù)解法。圖解法經(jīng)過多次豎、橫向的畫線定點，累計誤差較大，精度較差，不宜推廣使用。下面只介紹數(shù)解法的應(yīng)用。

1.1 數(shù)解法操作方法

1）用環(huán)刀法測定填土濕密度ρf。

2）首先取保持原有填土含水率的土樣進行標準擊實，得ρ1,變換濕密度ρ1′＝ρ1/(1+0)。

3）原有填土含水率土樣加水2%,拌勻后標準擊實第 2 點，得ρ2，變換濕密度ρ2′＝ρ2/(1+0.02)。

4）最后取原有填土含水率的土樣加水4%,拌勻后標準擊實第 3 點，得ρ3，變換濕密度ρ3′＝ρ3/(1+0.04)；繪制（ρ1′,0），（ρ2′,0.02）,(ρ3′,0.04)三點拋物線圖。

5）變換最大濕密度（ρm）的計算公式：

6）最優(yōu)含水率與填土含水率的差值Zm的計算公式：

式中：yb=ρ2′-ρ1′，yc=ρ3′-ρ1′

7）壓實度(D)計算公式：

1.2 數(shù)解擴展法操作方法

三點擊實—數(shù)解法的使用條件是三個擊實土樣都必須加水（低于最優(yōu)含水率），并且加水遞增率必須是2%。但是筑壩土的實際情況并非如此。上壩土料大于最優(yōu)含水率時，必須遞減水2%方可做出三點曲線圖；上壩土料為最優(yōu)含水率時，必須先加后減方可做出三點曲線圖。因此，原“三點擊實”的檢測方法是有使用限制條件的，為了在任何條件下都能使用三點擊實法檢測壓實度，對三點擊實法進行了擴展使用的研究，即采用數(shù)解擴展法操作方法如下：

1）首先取保持原有填土含水率的土樣進行標準擊實第 1 點，得ρ1,變換濕密度ρ1′＝ρ1/(1+0)。

2)原有填土含水率的土樣加水2%,拌勻后標準擊實第 2 點，得ρ2，變換濕密度ρ2′＝ρ2/(1+0.02)。

3）當?shù)?點的變換濕密度小于第1點時，第3點必須將原有填土含水率的土樣減水2%,拌勻后標準擊實,得ρ3，變換濕密度ρ3′＝ρ3/(1-0.02)。

繪制（ρ1′,0），（ρ2′,0.02）,(ρ3′,-0.02)三點拋物線。

4）當填土含水率大于最優(yōu)含水率時，第2點可以直接將原有填土含水率的土樣減水2%、第3點減水 4%；或者從第 1 點就開始逐級減水 2%；將（ρ1′,0），（ρ2′,0.02）,(ρ3′,-0.04)繪制三點拋物線。

5）當填土含水率小于最優(yōu)含水率時，可以直接將原有填土含水率的土樣加水2%、第2點加水4%、第 3 點加水 6%。 將（ρ1′,0.02），（ρ2′,0.04）,(ρ3′,0.06)繪制三點拋物線。

1.3 數(shù)解擴展法的計算方法

三點加-減水、三點減水、三點加水等情況下的最大變換濕密度計算和最優(yōu)含水率與填土含水率的差值計算，不能直接使用（2）、（3）式，可以采用三點擊實曲線平移法（參見圖1），將水平坐標的負值部分平移至水平坐標的正值部分后再利用（2）、（3）式計算。最優(yōu)含水率與填土含水率的差值計算，是平移后利用（3）式計算。因此，算出的最優(yōu)含水率與填土含水率的差值要加上平移部分。下面驗證平移法的正確性：

1）圖2是依據(jù)三點加-減水法擊實數(shù)據(jù)繪制的三點曲線，進行多項式回歸分析，利用回歸公式計算最大濕密度為1.942。2）同理，依據(jù)平移后的三點擊實曲線，進行多項式回歸:Y=-129.5X2+3.92X+1.9124，代入最大濕密度點的加水量值，計算最大濕密度等于1.942。 3）按小—大的順序排列后用（2）式計算最大濕密度也等于1.942。

驗證表明：因為水平移動不影響曲線的縱坐標值。所以，任意條件下的三點擊實最大濕密度計算可以直接采用(2)式計算，但是ρ′1，ρ′2，ρ′3必須按小—大的順序排列。最優(yōu)含水率與填土含水率的差值計算也可以采用（3）式計算，但是必須將計算結(jié)果加最大減水量值（水平移動的部分）。

2 三點擊實操作中容易出現(xiàn)的錯誤

2.1 形不成三點曲線

越加水擊實濕密度越大，直線上升。原因：填土含水量過低，加水量增加到4%時還未超過最優(yōu)含水率。因此，曲線無下降拐點。填土含水量過高時擊實曲線也形不成三點凸線 （見圖3）?；蛱钔梁窟^高，減水量減到2%時還未低于最優(yōu)含水率。因此，曲線無拐點。

2.2 加水反弧線（見圖4）

原因是未執(zhí)行“第2點小于第1點時，第3點應(yīng)減水”的重要原則。第3點不應(yīng)當加水，而應(yīng)當減水。

2.3 減水反弧線（見圖5）

原因是未執(zhí)行“第2點大于第1點時，第3點應(yīng)繼續(xù)加水”的重要做法。第3點不應(yīng)減水，而應(yīng)加水。

2.4 弧線平滑

填土含水率大，第3點減水太少（3點的濕密度應(yīng)低于1點）。同理，填土含水率小，第3點加水太少，都形成平滑弧線。

3 最大濕密度的計算方法

3.1 三點加水擊實法最大濕密度

首先計算濕密度，變換濕密度的計算是點不加水形成反弧將濕密度除以（1+加水量）。變換最大濕密度可直接用（2）式計算。

3.2 填土減水情況下三點擊實的最大濕密度

填土減水情況下的三點擊實最大濕密度可以直接利用（2）式計算。 但是必須將 ρ′1，ρ′2，ρ′3按小—大排列，計算如表1示。最優(yōu)含水率與填土含水率的差值計算也可以采用（3）式計算。但是必須將計算結(jié)果加上最大減水量值（Zmax）水平移動的部分。

表1 填土減水情況下三點擊實的最大濕密度計算表

最優(yōu)含水率與填土含水率的差值為負值時，表明上壩土料含水率大于最優(yōu)含水率；為正值時表明上壩土料含水率小于最優(yōu)含水率。

3.3 非常情況下的計算

1）填土含水量大于最優(yōu)含水率3%時。減水2%后還未出現(xiàn)凸型曲線時，再繼續(xù)減水4%形成凸型曲線（見圖6）。去掉加水的第2點，重新按小—大順序排列 ρ′1，ρ′2，ρ′3。最大濕密度可以直接利用（2）式計算。最優(yōu)含水率與填土含水率的差值計算，必須將計算結(jié)果加上最大減水量值。

2）填土含水量小于最優(yōu)含水率4%時。連續(xù)2次加水至4%后還未出現(xiàn)凸型曲線時，再繼續(xù)加水6%后形成凸型曲線。去掉第1點，繪制3點擊實曲線圖，最大濕密度直接利用（2）式計算，最優(yōu)含水率與填土含水率的差值計算，必須將計算結(jié)果加上0.02（加水量值水平移動的部分）。

3.4 三點擊實的數(shù)量

在上壩土料不均勻的情況下宜采用三點擊實法，每個測點做出相應(yīng)的最大濕密度，計算出的壓實度具有客觀真實性。但是，每個環(huán)刀取樣都做“三點擊實”會增加了檢測的工作量。為此，建議以“單元工程為檢測批”進行實測濕密度統(tǒng)計分析：以濕密度的平均值暫定為0.98的壓實度，平均值/0.98＝合格上限值。濕密度＞合格上限值為上限不合格批;：濕密度＜平均值為下限不合格批。對上、下限不合格批的濕密度再按0.04的級差進行加(或減)細分類。統(tǒng)計各分類的檢測組數(shù)，按每個實測濕密度的分類最少做一組“三點擊實”，最后統(tǒng)計需要“三點擊實”的數(shù)量如表2示。

表2 用濕密度實測統(tǒng)計資料確定三點擊實數(shù)量分析表

值得提醒的是每個檢測點在環(huán)刀取樣的同時必須取三點擊實試驗用土，并做好土料與環(huán)刀取樣的記錄標簽，密封保護送至試驗室。試驗室按照不合格類別的檢點找出相應(yīng)密封的三點擊實試驗土樣加做“三點擊實”。這樣，一個單元工程的壓實度檢測大約20～30個測點，需要三點擊實試驗的8個左右。

4 結(jié)語

一個完整的三點擊實試驗過程大約需要1 h左右的時間，最快速度40 min。其計算方法及曲線圖的繪制，已編制成程序，可適用于任何含水率狀態(tài)下的三點擊實成圖和計算，現(xiàn)正在南水北調(diào)山東段的三個平原水庫圍壩施工中應(yīng)用，效果良好。