荷載板檢測(cè)壩料質(zhì)量技術(shù)在潘口面板壩工程的應(yīng)用

趙繼成 易永軍

（中國水電十五局科研設(shè)計(jì)院 陜西咸陽 712000）

1 概述

近年來，為了適應(yīng)工程建設(shè)的發(fā)展要求，在沿用傳統(tǒng)密實(shí)度指標(biāo)的同時(shí)，國內(nèi)外有關(guān)行業(yè)推出了一些新的檢測(cè)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。新方法以直接檢測(cè)填筑土石料的力學(xué)性質(zhì)參數(shù)（如靜、動(dòng)態(tài)變形系數(shù)等）的直接法取代沿用多年的間接法（如壓實(shí)度、相對(duì)密度、質(zhì)量法等）。

K30、K50值是采用圓形鋼板進(jìn)行小型荷載試驗(yàn)得到的地基系數(shù)值。在壩料的碾壓試驗(yàn)時(shí)，在常規(guī)法檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)于 6種壩料使用 K30、K50平板荷載試驗(yàn)新技術(shù)，通過承載力與沉降的關(guān)系，間接檢測(cè)所檢部位壩料的填筑密實(shí)程度，取得不同壩料的壓縮模量 Es、變形模量 Eo、沉降量與荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而建立干密度與承載板的壓強(qiáng)關(guān)系式，最終確定該種壩料填筑時(shí)的壓實(shí)控制指標(biāo)。

由于K30、K50值能夠反映地基土石料的變形、強(qiáng)度特性，在公伯峽、潘口面板堆石壩壩體填筑中，開展了采用 K30、K50法檢測(cè)土石壩壩料填筑質(zhì)量的試驗(yàn)和應(yīng)用研究。

荷載試驗(yàn)獲得的 P～S(壓強(qiáng)—沉降量)曲線上直線段與沉降(S)軸之間夾角α的 t gα值，K30=t gα=P/S（P為不大于比例極限 P0時(shí)壓板的平均壓力強(qiáng)度，kPa；S為 P所對(duì)應(yīng)的壓板平均穩(wěn)定沉降量，cm）。由上式可知，在彈性地基模式的假設(shè)下，K30值是地基產(chǎn)生單位沉降量所需要施加的壓力強(qiáng)度值，K30值的大小表明地基剛度的大小。K30值能夠提供一定地基土變形模量與允許承載力大小的力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

根據(jù)壓實(shí)料的性質(zhì)，工程中常用如下公式：

式中：P0、S0為地基土強(qiáng)度比例極限及對(duì)應(yīng)的壓板穩(wěn)定沉降量；Qmax、Sp為地基土上部建(構(gòu))筑物的最大可能接地壓力強(qiáng)度及對(duì)應(yīng)的壓板穩(wěn)定沉降量。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，由 D=30cm小型荷載板試驗(yàn)確定地基允許承載力 R時(shí)，R與 P0的關(guān)系為：R=P0/2，將其代入（1）式，并取S0=0.5cm，得：K30=2R/S0=4R。由此可知，K30值又是一個(gè)能夠反映地基土允許承載力大小的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

2 荷載板法原理

3 特點(diǎn)

K30、K50檢測(cè)技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

（1）在面板堆石壩壩料的碾壓試驗(yàn)中，采用小型荷載試驗(yàn)得到的填筑層壓實(shí)系數(shù) K30、K50值和對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的干密度值,與常規(guī)取樣法相比，K30、K50檢測(cè)方法具有操作簡單、可大幅度減小傳統(tǒng)檢測(cè)方法中挖坑的工作量、取得成果周期短的優(yōu)勢(shì)；

（2）解決了傳統(tǒng)的挖坑灌水方法勞動(dòng)強(qiáng)度高、取得成果的周期長、效率低、樣本少的不足，同時(shí)也避免了由于填筑量大、施工面廣的土石壩檢測(cè)結(jié)果難以全面反映壩體填筑質(zhì)量，挖坑后人工回填不密實(shí)而造成質(zhì)量缺陷；

（3）由于面板堆石壩的主要問題是壩體沉降量和不均勻變形對(duì)面板和止水結(jié)構(gòu)的影響，小型載荷試驗(yàn)法可以方便地得出碾壓密實(shí)度值及壩料變形模量，而這兩者本身就是表征壩料變形特性的物理指標(biāo)。

4 適用范圍

作為一種快速、直接的檢測(cè)方法，K30、K50檢測(cè)技術(shù)在鐵路、公路、機(jī)場跑道、大型油罐基出的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量管理中得到了普遍應(yīng)用，同時(shí)也適用于水利水電工程中的堆石面板壩、黏土心墻堆石壩等類似工程。

5 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及操作要點(diǎn)

5.1 K30、K50試驗(yàn)的基本測(cè)試設(shè)備

（1）荷載板：直徑30、50cm，厚25～35mm的鋼制圓形板；

（2）加載裝置：15～20t千斤頂 1臺(tái)（以推土機(jī)、壓路機(jī)作為反力支點(diǎn)）；

（3）測(cè)力裝置：壓力傳感器 1個(gè)，電阻應(yīng)變儀1臺(tái)；

（4）測(cè)沉降量裝置：百分表 2只及相應(yīng)的表架和支架（見圖1）。

圖1 K30、K50試驗(yàn)的基本測(cè)試設(shè)備圖

5.2 試驗(yàn)操作要點(diǎn)

按照荷載試驗(yàn)的一般要求，試驗(yàn)的影響深度為荷載板直徑的1.5～2.0倍。對(duì)于粒徑30cm以下的壩料，鋪料厚度為40cm，采用直徑30cm的荷載板能夠滿足要求，確定出 K30值；對(duì)于粒徑60cm以下的壩料，鋪料厚度為 80cm，試驗(yàn)中應(yīng)采用直徑≥50cm的荷載板，確定出K50值。

當(dāng)荷載強(qiáng)度P達(dá)到預(yù)定的最大荷載強(qiáng)度（荷載板直徑φ=30cm時(shí)，P≤8t；φ=50cm時(shí)，P≤12t）或兩個(gè)百分表的平均沉降量≥0.6cm時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

6 質(zhì)量檢測(cè)及結(jié)果分析

6.1 潘口混凝土面板堆石壩巖性類型

潘口河料場爆破料（用于特殊墊層 2B、墊層料 2A、過渡料 3A、主堆石料 3B2）主要為灰?guī)r、硅質(zhì)巖，硬度高,干燥狀態(tài)抗壓強(qiáng)度52.4～60.7MPa，飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度42.7～50.7MPa,軟化系數(shù)0.82～0.84，粒形規(guī)格,棱角相對(duì)明顯；溢洪道正片巖 3C料整體級(jí)配變化大，干燥狀態(tài)抗壓強(qiáng)度 31.1～67.1MPa,飽和狀態(tài)抗壓強(qiáng)度13.3～19.4MPa,軟化系數(shù) 0.29～0.44；主堆石3B1主要為河床砂礫石料，巖性主要為塊狀綠泥鈉長片巖（灰?guī)r、砂巖、硅質(zhì)巖占70%）。

6.2 碾壓試驗(yàn)K30、K50試驗(yàn)成果分析評(píng)價(jià)

潘口河料場墊層料2A、過渡料3A、主堆石3B2爆破料、次堆石3C料正片巖碾壓試驗(yàn)K30、K50試驗(yàn)成果分析見表 1、圖2。經(jīng)過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析，確定出滿足與壩料填筑設(shè)計(jì)指標(biāo)(干密度、壓實(shí)度等)要求相對(duì)應(yīng)，K30、K50保證率控制標(biāo)準(zhǔn)在90%，可作為大壩填筑時(shí)的控制參考。

圖2 碾壓試驗(yàn)檢測(cè)干密度與K30、K50對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

從圖 2看出，四種壩料不同巖性特性隨著碾壓遍數(shù)的增加，對(duì)應(yīng)的干密度、沉降量、變形模量和壓縮模量、K30、K50值等巖性質(zhì)量等級(jí)分類顯著。

表1 壩料碾壓試驗(yàn)及壩體填筑檢測(cè)與荷載板試驗(yàn)成果分析表

從變形模量值就可以看出，這幾種壩料為較密實(shí)狀態(tài)。由于 K30、K50值代表的是淺層低應(yīng)力條件下地基料的特性，與長期固結(jié)的天然地基和實(shí)驗(yàn)室內(nèi)高應(yīng)力固結(jié)條件下的試樣相比，新碾壓的壩料密實(shí)穩(wěn)定性相對(duì)差一些。

3A過渡料級(jí)配較均一，所以沉降變形和壓實(shí)密度變化較大，但巖性較好，K值高；3B2主堆石料采用的硅質(zhì)巖，巖性較好，沉降變形量較小 K值高；2A墊層為摻配料，級(jí)配不夠理想，雖然壓實(shí)密度高，但顆粒較細(xì)沉降變形大 K值低；3C次堆石料（正片巖）粒徑雖然大，但巖性較差沉降變形大K值低。

6.3 大壩填筑質(zhì)量檢測(cè)與K30、K50檢測(cè)結(jié)果及分析評(píng)價(jià)

在大壩填筑施工中在常規(guī)法檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)于 6種壩料開展了K30、K50檢測(cè)，取得不同壩料壓縮模量Es、變形模量Eo、沉降量、K30、K50等不同巖性力學(xué)特性的指數(shù)，為分析壩料質(zhì)量及壩體填筑質(zhì)量、壩體沉降變形規(guī)律具有積極的指導(dǎo)意義。試驗(yàn)成果見表1。

（1）墊層2A料K30檢測(cè)結(jié)果及分析評(píng)價(jià)。2A爆破料軋制的硅質(zhì)板巖、灰?guī)r與天然砂現(xiàn)場摻配后上壩，碾壓后檢測(cè)級(jí)配良好，壓實(shí)密度均勻，沉降變形小，K30最小值 2.18 MPa/cm，遠(yuǎn)大于碾壓試驗(yàn)時(shí)的推薦指標(biāo)，可滿足設(shè)計(jì)干密度指標(biāo)。

（2）過度 3A料 K30檢測(cè)結(jié)果及分析評(píng)價(jià)。3A爆破料級(jí)配比碾壓試驗(yàn)料有較大改進(jìn)，沉降變形小，壓實(shí)密度基本均勻。K值最高，K30標(biāo)準(zhǔn)差 0.72,保證率達(dá) 95%，說明巖性較好，K30值2.90MPa/cm，可滿足設(shè)計(jì)干密度指標(biāo)。

（3）主堆石砂礫石3B1料K50檢測(cè)結(jié)果及分析評(píng)價(jià)。3B1主堆石天然砂礫石料K50平均值大于2.45MPa/cm，變形模量 42.1～168MPa，變化較大，這是由于 3B1料中有相當(dāng)含量的大粒徑卵石，這些卵石磨圓度好、強(qiáng)度高，這些點(diǎn)得到的K50值較高，這與常規(guī)取樣結(jié)果基本一致。K50標(biāo)準(zhǔn)差 1.16,保證率 90%，K50＞1.18MPa可滿足設(shè)計(jì)要求。砂礫石料的缺點(diǎn)是抗滑性能較差，沉降量及變形量略高于爆破料。

（4）主堆石3B2料K50檢測(cè)結(jié)果及分析評(píng)價(jià)。3B2主堆石爆破料巖性較好，對(duì)于這種爆破料粗細(xì)顆粒含量少，巖性強(qiáng)度較高，顆粒節(jié)理形狀較規(guī)格的壩料，承載后巖塊不易產(chǎn)生二次破碎，沉降量變化不大。K50值的一個(gè)重要指標(biāo)是沉降量，這也反應(yīng)了巖性的特性。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，K50最小值為1.76MPa/cm，可滿足設(shè)計(jì)干密度要求。

（5）下游堆石區(qū) 3C料K50檢測(cè)結(jié)果及分析評(píng)價(jià)。3C下游次堆石開挖料主要采用一層灰?guī)r，兩層正片巖，以保證壩體下游變形穩(wěn)定。從壩體填筑來看，雖然正片巖巖性較差，但粒徑大、級(jí)配良好。在高接觸壓力作用下出現(xiàn)一定程度破碎,增加了孔隙間細(xì)顆粒的填充,提高了密實(shí)度。正片巖K50＞1.1MPa/cm，灰?guī)r1.7MPa/cm可滿足設(shè)計(jì)干密度指標(biāo)。

從各種壩料干密度檢測(cè)與 K30、K50試驗(yàn)成果可以看出，堆石體的壓縮模量，是反映堆石體的壓實(shí)質(zhì)量及預(yù)測(cè)變形大小的重要指標(biāo)。壓縮模量值直接受母巖的性質(zhì)、巖塊形狀、級(jí)配、密度及應(yīng)力等條件的影響。填筑料干密度大，沉降量小,變形模量、壓縮模量高，K30、K50值大，巖性質(zhì)量好。K30、K50保證率按照90%控制，做為大壩填筑時(shí)的檢測(cè)參考依據(jù)，應(yīng)該能夠正確評(píng)價(jià)大壩填筑的壓實(shí)效果。

湖北潘口混凝土面板堆石壩工程，采用荷載板法檢測(cè)各種壩料質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)分析，得出以下壩料巖性質(zhì)量等級(jí)排序?yàn)椋哼^渡3A料、墊層2A料、主堆石爆破3B2料、主堆石砂礫石料3B1、次堆石3C料正片巖。

7 結(jié)語

（1）與常規(guī)的挖坑取樣法相比，K30、K50方法顯然具有操作簡單、取得成果周期短的優(yōu)點(diǎn)；

（2）粗粒料含水量的高低對(duì)K30、K50值影響較大，進(jìn)行K30、K50檢測(cè)時(shí)，必須考慮壩料含水量及降雨的影響，適量的灑水，能顯著的提高壓石效果；

（3）將K30、K50檢測(cè)方法與室內(nèi)試驗(yàn)、計(jì)算分析相結(jié)合，對(duì)于評(píng)價(jià)面板壩的變形問題，將開拓一種新思路。

面板堆石壩的施工質(zhì)量，是控制壩體最終沉降變形的關(guān)鍵，荷載板法對(duì)于快速準(zhǔn)確監(jiān)控壩體填筑質(zhì)量，具有廣泛的應(yīng)用空間。在采用常規(guī)質(zhì)量檢測(cè)的基礎(chǔ)上，把 K30、K50值作為一種參考指標(biāo)推廣和應(yīng)用，可以得出比較理想的檢測(cè)結(jié)果。