粗顆粒填料壓實(shí)動(dòng)態(tài)干密度控制研究

唐建立　來亦姝　皇甫澤華　歷從實(shí)　祁安領(lǐng)

摘要：黏土心墻砂礫（卵）石壩或面板堆石壩的砂卵石等填筑過程中現(xiàn)場檢測結(jié)果經(jīng)常出現(xiàn)相對密度大于l的不合理現(xiàn)象，施工控制中測定砂礫（卵）石的相對密度，成為控制施工質(zhì)量、保證工程建設(shè)順利進(jìn)行的關(guān)鍵。通過分析現(xiàn)場砂礫（卵）石料試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)砂礫（卵）石料中大于5 mm粒徑的粗粒含量與其最大、最小干密度存在曲線關(guān)系，利用試驗(yàn)結(jié)果繪制砂礫（卵）石中粒徑大于5mm的粗粒含量與干密度關(guān)系曲線，根據(jù)檢測樣品中粒徑大于5 mm的粗粒含量，通過關(guān)系曲線確定樣品的干密度，計(jì)算檢測樣品壓實(shí)后的相對密度。研究表明，這一方法可以很好地解決填筑過程中現(xiàn)場填料檢測得到的相對密度大于1的不合理現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：粗顆粒填料;干密度;相對密度;土石壩;級配曲線

中圖分類號：TV222

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.031

土石壩因充分利用當(dāng)?shù)夭牧线M(jìn)行壩體填筑、工程造價(jià)相對較低而被廣泛采用，當(dāng)?shù)夭牧系墓こ绦再|(zhì)及其質(zhì)量和數(shù)量的具體情況，直接決定著大壩的安全和工程造價(jià)[1-3]。目前，通常采用相對密度作為現(xiàn)場填筑質(zhì)量的控制指標(biāo)，然而受室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備尺寸限制，室內(nèi)相對密度試驗(yàn)還只能采用經(jīng)過縮尺處理的模擬級配材料進(jìn)行，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不能完全反映現(xiàn)場實(shí)際情況[4-7]。特別是存在人工采砂時(shí)料場砂礫（卵）石料細(xì)顆粒缺失，改變了料場砂礫（卵）石料天然級配的情況，致使填料級配曲線、物理力學(xué)參數(shù)以及后續(xù)開采條件等改變，導(dǎo)致擾動(dòng)料級配范圍變化大、離散性大[8]。如果不能采用合理方法確定砂礫（卵）石料的最大、最小干密度指標(biāo)，則會出現(xiàn)碾壓試驗(yàn)和現(xiàn)場施工檢測得到的試樣相對密度大于1的不合理現(xiàn)象[9-12]，這說明原來的方法得到的最大、最小干密度指標(biāo)并不具有普遍代表性。因此，確定合理的砂礫（卵）石料施工控制指標(biāo)，對于合理確定填筑標(biāo)準(zhǔn)，控制施工質(zhì)量，保證工程建設(shè)的順利進(jìn)行，以及工程的長期運(yùn)行安全等都具有重要意義[13-15]。

1 問題提出

河南省前坪水庫工程大壩設(shè)計(jì)采用黏土心墻砂礫（卵）石壩，設(shè)計(jì)上壩砂礫（卵）石填筑量約870萬m。大壩上游戧堤砂卵石料填筑設(shè)計(jì)要求相對密度控制標(biāo)準(zhǔn)不小于0.75。然而，在施工初期，施工過程中施工單位采用室內(nèi)經(jīng)過縮尺處理的模擬級配材料試驗(yàn)成果進(jìn)行施工控制，施工過程中相對密度檢測了74組，檢測結(jié)果顯示最大相對密度達(dá)1.51，且僅有6組低于1.0，最小值為0.92。這種明顯不合理的現(xiàn)象說明室內(nèi)模擬檢測的最大、最小干密度并不能真實(shí)反映現(xiàn)場碾壓料的干密度，需要采用合理的方法確定現(xiàn)場砂卵石料的干密度。

2粗粒料的物理構(gòu)成和級配分析

根據(jù)測量結(jié)果和現(xiàn)場復(fù)勘結(jié)果，料場砂卵石料大部分已被采砂擾動(dòng)，砂卵石料中細(xì)顆粒部分被開采走，僅剩少量還未開采擾動(dòng)。

2.1 砂卵石料的物理構(gòu)成及現(xiàn)場描述

現(xiàn)場砂卵石料主要成分為安山玢巖、安山巖、石英斑巖、流紋巖等，卵石含量為70% - 90%，其余為黃色中粗砂和少量細(xì)砂，巖性不均，局部夾有中粗砂透鏡體。粒徑一般為3-12 cm，少量為14 - 23 cm，個(gè)別大者為50-70 cm，分選性差，呈中密、密實(shí)狀。

前坪水庫砂卵石料料場采砂濫開亂挖，導(dǎo)致料場砂卵石料大部分已經(jīng)被擾動(dòng)，剩余料主要為人工采砂后的篩余料，其級配不良，細(xì)顆粒（砂）明顯較少。人工擾動(dòng)料打亂了天然砂卵石料的成因產(chǎn)狀、層位分布賦存條件和規(guī)律，造成料場料源難以按地域或深度進(jìn)行分區(qū)和規(guī)劃利用。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

在施工之前，為確定現(xiàn)場施工控制指標(biāo)，取上游階地砂卵石料兩組（編號1#、2#）進(jìn)行縮尺處理的模擬級配材料進(jìn)行試驗(yàn)，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.3 現(xiàn)場施工控制及問題

根據(jù)室內(nèi)經(jīng)過縮尺處理的模擬級配材料試驗(yàn)結(jié)果，為嚴(yán)格控制現(xiàn)場施工質(zhì)量，現(xiàn)場施工控制中采用最小干密度為1.95 g/cm、最大干密度為2.26 g/cm進(jìn)行施工控制。施工中，砂卵石碾壓后干密度測試方法采用灌水法，天然含水量試驗(yàn)采用烘干法。現(xiàn)場進(jìn)行密度試驗(yàn)的試坑直徑一般取0.9 - 1.0 m，深度與現(xiàn)場單層厚度相同。碾壓后，對砂卵石密度進(jìn)行二次平行試驗(yàn)，取其算術(shù)平均值：天然含水量采用室內(nèi)烘干法測定，同樣進(jìn)行二次平行試驗(yàn)，取其算術(shù)平均值，平行誤差不得大于0.5%。

通過現(xiàn)場收集的5組試驗(yàn)結(jié)果得知，干密度值在2.26-2.36 g/cm之間，根據(jù)式（1）計(jì)算相對密度D，，計(jì)算結(jié)果顯示相對密度在1.00 - 1.27之間（見表2）。 根據(jù)式（1）及規(guī)范可知，Dr值應(yīng)在0-1之間，表2中出現(xiàn)相對密度大于1的情況明顯不合理，這說明在相對密度計(jì)算中，選取的最大、最小干密度是不合適的，與現(xiàn)場實(shí)際情況不吻合?，F(xiàn)場檢測中采用的干密度指標(biāo)并不能真實(shí)反映現(xiàn)場碾壓料的真實(shí)干密度。

3 P5含量與干密度的關(guān)系曲線及應(yīng)用

P5含量為土工試驗(yàn)中粒徑大于5 mm的粗粒含量，由于現(xiàn)場攤鋪砂卵石料的級配及施工條件等與實(shí)驗(yàn)室確定標(biāo)準(zhǔn)干密度的砂卵石級配不一致，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)確定的干密度不能真實(shí)反映現(xiàn)場施工條件下所使用砂卵石料的最大、最小干密度[16-19]。同時(shí)，現(xiàn)場碾壓料級配范圍變化大，離散性大，現(xiàn)場施工控制中如果采用一個(gè)確定的標(biāo)準(zhǔn)干密度值來衡量砂卵石填料的壓實(shí)情況，將得不到正確的結(jié)果，因此需要采用更為接近施工實(shí)際條件的最大、最小干密度來檢測工程施工質(zhì)量。

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

為解決相對密度超過1這一不合理現(xiàn)象，筆者收集了現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)了6組碾壓試驗(yàn)的砂礫（卵）石級配情況及最大、最小干密度（見表3）。從表3可以看出，隨著P5含量的增大，各相對密度條件下的最大、最小干密度均有先增大、后減小的趨勢，與黏性土擊實(shí)試驗(yàn)中最大干密度與含水率的關(guān)系極為類似。受這一現(xiàn)象啟發(fā)，考慮砂卵石料的干密度與P5含量可能存在某種曲線關(guān)系。分析碾壓試驗(yàn)結(jié)果，繪制了P5含量與干密度關(guān)系曲線（見圖1），現(xiàn)場施工控制時(shí)可根據(jù)試樣的P5含量，查關(guān)系曲線，確定試樣的最大、最小干密度，據(jù)此計(jì)算現(xiàn)場砂卵石壓實(shí)后的相對密度。

3.2 相關(guān)曲線在現(xiàn)場壓實(shí)度檢測中的應(yīng)用

根據(jù)上述分析，再次對前述5組試樣進(jìn)行重新統(tǒng)計(jì)分析，其P5含量在62.6% - 82.4%之間，利用P5含量與干密度關(guān)系曲線，采用內(nèi)插法、外差法計(jì)算各組料的最大、最小干密度。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)（見表4），5組料壓實(shí)后的相對密度有4組在0.89 - 0.99之間，僅1組為1.01，略大于1。說明在粗粒料的現(xiàn)場壓實(shí)控制中，采用單一干密度控制是不合適的，其干密度與P5含量有關(guān)，對于不同級配的砂卵石料填筑現(xiàn)場采用動(dòng)態(tài)干密度控制很有必要，根據(jù)P5含量與最大、最小干密度關(guān)系曲線確定相對密度進(jìn)行現(xiàn)場施工控制存在一定的合理性。

4 結(jié)語

通過試驗(yàn)分析建立了P5含量與干密度關(guān)系曲線，利用該關(guān)系對不同級配的料源采用不同的干密度進(jìn)行施工控制可以有效解決使用單一最大、最小干密度控制時(shí)存在的問題。本研究是對粗顆粒填料壓實(shí)控制指標(biāo)的一次探索，可以為現(xiàn)場施工提供一定的指導(dǎo)，但本文收集的資料有限，同時(shí)現(xiàn)場人工擾動(dòng)使得砂卵石的級配不良，特別是細(xì)顆粒在人工采砂后大量缺失，致使現(xiàn)場填筑料級配不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致建立的與P5含量相關(guān)的干密度曲線應(yīng)用受到限制。

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【責(zé)任編輯張華巖】