砂礫石原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)

王 紅 剛

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

砂礫石作為筑壩材料已廣泛使用多年，評(píng)定砂礫石填筑質(zhì)量的重要指標(biāo)之一是相對(duì)密度。相對(duì)密度是指無(wú)粘性土處于最松狀態(tài)的孔隙比與天然狀態(tài)孔隙比之差和最松狀態(tài)孔隙比與最緊孔隙比之差的比值。相對(duì)密度試驗(yàn)一直是以室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定和控制，而室內(nèi)試驗(yàn)由于受試驗(yàn)儀器限制，其最大粒徑只能為60 mm以?xún)?nèi)能自由排水的粗顆粒土，不能真實(shí)模擬實(shí)際大壩填筑壩料(如新疆阿爾塔什砂礫石最大粒徑達(dá)到600 mm)的情況。為此，筆者對(duì)室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)法和原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)法分別加以分析研究，以找出最適合現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量控制的試驗(yàn)方法。

1 概 述

阿爾塔什水利樞紐工程位于喀什地區(qū)莎車(chē)縣和克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莅⒖颂湛h交界處，是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，為葉爾羌河干流梯級(jí)規(guī)劃中“兩庫(kù)十四級(jí)”中的第十一個(gè)梯級(jí)，主要由攔河壩、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠(chǎng)房、生態(tài)基流放水洞等建筑物組成，規(guī)劃水庫(kù)正常蓄水位高程1 820 m，最大壩高164.8 m，水庫(kù)總庫(kù)容22.49億m3，電站總裝機(jī)容量755 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量22.6億kW·h。工程總投資86億元，總工期為74個(gè)月，是目前新疆最大的水利工程，且由于其在設(shè)計(jì)、施工等方面面臨諸多技術(shù)難點(diǎn)，被業(yè)內(nèi)專(zhuān)家稱(chēng)為“新疆的三峽工程”。該工程攔河壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩頂高程1 825.8 m，最大壩高164.8 m，壩頂長(zhǎng)795 m。壩址區(qū)的砂卵礫石覆蓋層最大厚度為93.9 m，設(shè)防地震烈度為8°。

壩體填筑主堆石料采用河床砂礫石，填筑質(zhì)量控制要求為：Dr≥0.9，最大、小干密度采用室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)方法及原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)兩種試驗(yàn)方法比較后確定控制參數(shù)：最大干密度、最小干密度。

2 砂礫石料室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)方法

水利水電工程中常用的試驗(yàn)方法有《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999中的“粗顆粒土相對(duì)密度試驗(yàn)”(SL237-054-1999);《水利水電工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5356-2006中的“粗粒土相對(duì)密度試驗(yàn)”。在兩種規(guī)范中有兩種試驗(yàn)方法：振動(dòng)臺(tái)法和表面振動(dòng)器法，其設(shè)備裝置見(jiàn)圖1、2。

圖1 振動(dòng)臺(tái)最大干密度試驗(yàn)裝置圖

圖2 表面振動(dòng)器法試驗(yàn)裝置圖

相對(duì)密度試驗(yàn)中的最小干密度試驗(yàn)常采用固定體積法，而最大干密度試驗(yàn)既可以采用干法，也可以采用濕法。

經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)后可按下列公式計(jì)算填筑砂礫石料的相對(duì)密度：

(1)

(2)

式中md為干土質(zhì)量，kg；VC為試樣筒的體積，cm3；Vs為試樣體積，Vs=VC-(Ri-Rt)×A,cm3；Rt為振后加荷蓋板上百分表的讀數(shù)，mm；Ri為起始讀數(shù)，mm；A為試樣筒斷面積，cm2。

按式(3)計(jì)算相對(duì)密度Dr:

(3)

式中Dr為相對(duì)密度；ρdo為天然狀態(tài)或人工填筑之干密度，g/cm3；ρdmax為最大干密度，g/cm3；ρdmin為最小干密度，g/cm3。

3 砂礫料原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)

砂礫料原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)?zāi)壳爸挥小锻潦尾牧夏雺涸囼?yàn)規(guī)程》NB/T 35016-2013中對(duì)其試驗(yàn)方法進(jìn)行了規(guī)定，其試驗(yàn)步驟如下：

(1)測(cè)定密度桶體積。

采用灌水法測(cè)定密度桶體積。

(2)最小干密度試驗(yàn)。

采用人工松填法進(jìn)行測(cè)定，按級(jí)配要求將配置好的試驗(yàn)料攪拌均勻后采用四分法將試驗(yàn)料均勻松填于密度桶中，裝填時(shí)輕輕將試樣放入密度桶內(nèi)，防止沖擊和振動(dòng)，裝填的試樣低于桶頂10 cm左右，用灌水法測(cè)量料頂面到桶口的體積。

(3)最大干密度試驗(yàn)。

①在測(cè)定完最小干密度試驗(yàn)后，繼續(xù)將試驗(yàn)料均勻松填于密度桶至高出密度桶20 cm左右，用類(lèi)型和級(jí)配大致相同的試驗(yàn)料鋪填于密度桶四周，高度與試驗(yàn)料平齊；

②將選定的振動(dòng)碾(阿爾塔什砂礫石主堆石采用32 t自行式振動(dòng)平碾)在場(chǎng)外按預(yù)定轉(zhuǎn)速、振幅和頻率起動(dòng)，行駛速度為2～3 km/h，振動(dòng)碾壓26遍后，在每個(gè)密度桶范圍內(nèi)微動(dòng)進(jìn)退振動(dòng)碾壓15 min。在碾壓過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)料及周邊料的沉降情況及時(shí)補(bǔ)充料源，使振動(dòng)碾不與密度桶直接接觸。

③測(cè)定試樣體積。

a.人工挖出桶上及桶周?chē)脑囼?yàn)料至低于桶口10 cm左右為止，并防止擾動(dòng)下部試樣。用灌水法測(cè)量料頂面到桶口的體積；

b.將桶內(nèi)試料全部挖出，稱(chēng)量密度桶內(nèi)試樣的質(zhì)量并進(jìn)行顆粒分析和含水率試驗(yàn)。

④成果整理。

計(jì)算密度桶內(nèi)試驗(yàn)料的最大干密度、最小干密度，按式(3)計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度Dr。試驗(yàn)完成后，對(duì)全部試驗(yàn)成果系統(tǒng)進(jìn)行整理分析，繪制不同P5含量與最大干密度、最小干密度之間的變化關(guān)系曲線(xiàn)圖。

4 試驗(yàn)成果比對(duì)

4.1 原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)成果

試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)上包線(xiàn)級(jí)配、上平均線(xiàn)級(jí)配、平均線(xiàn)級(jí)配、下平均線(xiàn)級(jí)配、下包線(xiàn)級(jí)配5個(gè)不同礫石含量配料。根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配選擇礫石含量:75%、78%、81%、84%、87%做為相對(duì)密度試驗(yàn)級(jí)配；另外增加礫石含量為69%、72%兩組級(jí)配和砂礫料料場(chǎng)顆粒級(jí)配變化較大的實(shí)際顆分線(xiàn)礫石含量為80.8%(最大粒徑為156 mm)的級(jí)配進(jìn)行了一組試驗(yàn)，配料級(jí)配見(jiàn)砂礫石料現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)原型級(jí)配曲線(xiàn)(圖3)。

原型級(jí)配相對(duì)密度試驗(yàn)不同礫石含量所對(duì)應(yīng)的最大干密度、最小干密度試驗(yàn)成果見(jiàn)表1。

從表1中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：最大干密度在2.34～2.43 g/cm3，礫石含量在78%時(shí)其干密度達(dá)到最大值2.43 g/cm3。但在同樣的礫石含量、不同的最大粒徑情況下，最大干密度與最小干密度變化較大，根據(jù)設(shè)計(jì)包絡(luò)線(xiàn)，配料的礫石含量為81%時(shí)的最大干密度為2.4 g/cm3、最小干密度為2.06 g/cm3，最大干密度相比減小了0.07 g/cm3、最小干密度相比減小了0.12 g/cm3。由此可見(jiàn)，砂礫石料的干密度與礫石含量、最大粒徑的大小相關(guān)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制出的砂礫石料不同礫石含量對(duì)應(yīng)的最大干密度、最小干密度關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。

圖3 砂礫石料現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)原型級(jí)配曲線(xiàn)圖

項(xiàng) 目礫石含量 /%69727578818487最大干密度( ρdmax ) /g·cm-32.352.382.422.432.42.372.34最小干密度( ρdmin ) /g·cm-31.962.012.052.082.062.021.98

圖4 不同礫石含量對(duì)應(yīng)的最大干密度、最小干密度關(guān)系曲線(xiàn)圖

4.2 室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)成果

試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)上包線(xiàn)級(jí)配、上平均線(xiàn)級(jí)配、平均線(xiàn)級(jí)配、下平均線(xiàn)級(jí)配、下包線(xiàn)級(jí)配5個(gè)不同礫石含量配料。因密度筒試驗(yàn)粒徑最大僅為60 mm，故在試驗(yàn)時(shí)對(duì)原有級(jí)配按相似級(jí)配法進(jìn)行制樣(式4)。

(4)

式中Pdn為粒徑縮小n倍后相應(yīng)的小于某粒徑含量百分?jǐn)?shù)，%；Pd0為原級(jí)配相應(yīng)的小于某粒徑含量百分?jǐn)?shù)，%；n為粒徑縮小倍數(shù)，=domax/dmax；domax為原級(jí)配最大粒徑,mm；dmax為儀器允許最大粒徑,mm。

按儀器最大允許粒徑修正相似級(jí)配后得到的曲線(xiàn)如圖5所示，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)不同礫石含量所對(duì)應(yīng)的最大干密度、最小干密度試驗(yàn)成果見(jiàn)表2、圖6。從表2中的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：室內(nèi)試驗(yàn)最大干密度為2.41～2.44 g/cm3，礫石含量由于變化不大(礫石含量變化值僅為2%)，其試驗(yàn)結(jié)果亦變化不大，不同于現(xiàn)場(chǎng)相似級(jí)配試驗(yàn)結(jié)果因礫石含量變化大(礫石含量變化值為19%)對(duì)結(jié)果的影響較大。由此可見(jiàn)，砂礫石料的室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)方法針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況還存在一定的差異性，不能真實(shí)地反映壩料的真實(shí)壓實(shí)情況，對(duì)壩體填筑質(zhì)量判定存在一定的不足。

圖5 主堆石料(砂礫石)室內(nèi)試驗(yàn)(相似級(jí)配)級(jí)配曲線(xiàn)圖

表2 室內(nèi)試驗(yàn)礫石含量所對(duì)應(yīng)的最小、最大干密度值表

圖6 主堆石料(砂礫石)室內(nèi)試驗(yàn)不同礫石對(duì)應(yīng)的最大、最小密度曲線(xiàn)圖

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)兩種試驗(yàn)方法的對(duì)比和分析，我們發(fā)現(xiàn)：在砂礫料填筑現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，由于料源的不均勻性會(huì)造成按室內(nèi)試驗(yàn)最大、最小干密度計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)碾壓相對(duì)密度時(shí)結(jié)果有時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的偏大，有時(shí)出現(xiàn)較大的偏小，不能真實(shí)反映實(shí)際壓實(shí)情況。

(2)目前，新疆阿爾塔什大壩填筑已按原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)成果計(jì)算壩體填筑的相對(duì)密度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：沒(méi)有出現(xiàn)之前按室內(nèi)試驗(yàn)成果計(jì)算相對(duì)密度時(shí)結(jié)果大量偏大、偏小現(xiàn)象，說(shuō)明針對(duì)大粒徑砂礫料填筑按原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果參數(shù)控制填筑質(zhì)量時(shí)，能真實(shí)地反映壩料的不均勻性，有利于反映壩料的真實(shí)壓實(shí)情況。

目前國(guó)內(nèi)外新建土石壩較多，在充分使用當(dāng)?shù)刂尾牧蠒r(shí)要注意各地區(qū)壩料均不相同，性質(zhì)變化也較大，針對(duì)大粒徑砂礫石填筑壩體，宜采用原級(jí)配現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)成果進(jìn)行質(zhì)量控制，但對(duì)于有類(lèi)似工程的壩料還需有針對(duì)性的進(jìn)行大量的對(duì)比試驗(yàn)工作，不能一概而論。