空隙率法在粉土吹填筑堤質(zhì)量控制中的應(yīng)用

陳式華，馬慶宏，沈水進(jìn)，仇 濤，趙文芳

（1.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院），浙江 杭州 310017；2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310017；3.浙江大學(xué)濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州 310058）

1 前 言

隨著吹填技術(shù)廣泛應(yīng)用于堤壩、圍墾、環(huán)保等工程領(lǐng)域，吹填筑堤工程的設(shè)計(jì)要求除了需要滿足吹填高程、平整度、土質(zhì)等主控指標(biāo)以外[1]，還需對(duì)土體干密度、抗剪強(qiáng)度進(jìn)行控制[2]。目前，吹填筑堤工程中關(guān)于土體干密度、抗剪強(qiáng)度的值及其計(jì)算方法的研究較少，粉土吹填筑堤工程多根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)中吹填土料的物理力學(xué)性質(zhì)提出設(shè)計(jì)干密度指標(biāo)，但并無(wú)抗剪強(qiáng)度要求。同時(shí)，填方工程中的干密度指標(biāo)無(wú)法適應(yīng)多變料源?；谏鲜銮闆r，需要對(duì)粉土吹填筑堤工程的質(zhì)量與安全控制方法進(jìn)行深入研究。

目前，粉土碾壓填筑工程中主要使用壓實(shí)度法[3]和空隙率法[4]進(jìn)行質(zhì)量與安全控制，其中空隙率法在控制壓實(shí)路基的遇水穩(wěn)定性方面較壓實(shí)度法更具優(yōu)勢(shì)[5]，且多用于潮濕多雨環(huán)境下填方工程的質(zhì)量控制[6]。對(duì)于吹填筑堤工程，堤防的遇水穩(wěn)定性及高含水率是其設(shè)計(jì)分析及施工控制的重點(diǎn)。因此，空隙率法可用于粉土吹填筑堤工程中，但對(duì)其在粉土吹填工程質(zhì)量控制的相關(guān)研究開(kāi)展較少，需進(jìn)一步完善，加強(qiáng)工程的質(zhì)量與安全控制。在粉土吹填筑堤工程中，需要滿足地基承載力、抗滑穩(wěn)定性、沉降、防滲、抗液化等使用要求，故需研究土體各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)。干密度與土體抗剪強(qiáng)度、固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)等土的物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系密切。對(duì)同一土體來(lái)說(shuō)，干密度越大，單位體積內(nèi)固體顆粒越多，排列越緊密，強(qiáng)度越大，固結(jié)性能越好，滲透系數(shù)越小。因此，干密度及其相關(guān)指標(biāo)常用于填方工程的質(zhì)量控制。

國(guó)內(nèi)外細(xì)粒土填筑質(zhì)量控制方法主要有干密度法、壓實(shí)度法、空隙率法、飽和度法、抗剪強(qiáng)度法等（見(jiàn)表1）。表2對(duì)比分析了各類質(zhì)量控制方法在粉土吹填筑堤工程中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和存在問(wèn)題。其中壓實(shí)度法不適用于粉土吹填筑堤工程，其余方法雖然適用，但均未建立相應(yīng)的質(zhì)量控制參數(shù)體系。與飽和度法、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)法相比，干密度法和空隙率法的相關(guān)研究較多，易總結(jié)分析并建立相應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)體系。但是土的干密度與其級(jí)配關(guān)系密切，實(shí)際工程中料源多變，級(jí)配變化大，建立合理適用的干密度法質(zhì)量控制體系難度較大。

表1 國(guó)內(nèi)外細(xì)粒土填方工程質(zhì)量控制方法一覽表

表2 不同質(zhì)量控制方法在粉土吹填筑堤工程中的適用性分析表

空隙率反映土中空氣體積的含量。碾壓密實(shí)的土即使達(dá)到最大干密度仍有空隙殘留，其空隙率通常為3%~5%[11]。雖然碾壓與吹填的施工方法不同，但兩種填筑方法均是為實(shí)現(xiàn)土體顆粒的重新排列，增加單位體積內(nèi)的固體顆粒，減少孔隙。不論采用何種施工方法，空隙率只反映土的工后性質(zhì)[6]，該法適應(yīng)土料多變的實(shí)際工程情況[5]。

續(xù)表2

本文通過(guò)匯總國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行細(xì)粒土填筑的質(zhì)量控制方法，對(duì)各類方法在粉土吹填筑堤工程中的適用性進(jìn)行對(duì)比討論，采用空隙率法進(jìn)行粉土吹填筑堤工程的質(zhì)量控制研究。同時(shí)，基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的空隙率法控制指標(biāo)，提出粉土吹填筑堤工程的空隙率指標(biāo)參數(shù)，并通過(guò)將空隙率法應(yīng)用于實(shí)際的粉土吹填工程，驗(yàn)證空隙率法指標(biāo)參數(shù)對(duì)粉土吹填筑堤工程質(zhì)量控制的適用性。

2 粉土吹填工程的空隙率法

2.1 空隙率的定義

空隙率（亦稱空氣體積率）是指土中氣體的體積與土的總體積的比值，以%表示[12]。其基本公式如下：

式（1）中：Va為空隙率，%；ρd為現(xiàn)場(chǎng)土的干密度，g/cm3；ω為現(xiàn)場(chǎng)土的含水率，%；ρs為現(xiàn)場(chǎng)土的土粒密度，g/cm3；ρw為純水在4℃時(shí)的密度，通常取1.00 g/cm3；V固為土中固體顆粒部分總體積，m3；V液為土中水的體積，m3；V氣為土中空氣的體積，m3；

通常ρs=Gs×ρw，則公式（1）可變換為以下形式：

式（2）中：Gs為現(xiàn)場(chǎng)土粒的相對(duì)密度。

2.2 粉土的相對(duì)密度

本文對(duì)比分析錢(qián)塘江流域蕭山東江嘴—余姚段共730個(gè)土樣的相對(duì)密度值（見(jiàn)圖1），該區(qū)域87.8%的粉土相對(duì)密度值為2.70~2.71，變化范圍很小，與建議的粉土相對(duì)密度參考值一致[13]。因此，本文中粉土的空隙率曲線差異很小。

圖1 粉土相對(duì)密度的正態(tài)分布曲線圖

2.3 粉土吹填筑堤工程的空隙率法指標(biāo)

2.3.1 空隙率的確定

表3對(duì)比分析不同碾壓施工條件下的細(xì)粒土空隙率指標(biāo)。碾壓筑堤工程中，由于殘留密閉空隙率的存在，吹填粉土工程的空隙率下限為2%或未限定[4,7]。隨著吹填土強(qiáng)度增大，土體由飽和狀態(tài)變?yōu)椴伙柡蜖顟B(tài)，需對(duì)空隙率下限進(jìn)行界定。根據(jù)工程實(shí)際情況與表3，吹填粉土筑堤工程的空隙率范圍可定為0%＜Va≤10%。

2.3.2 上限含水率的確定

土的干密度值隨含水率增加而減小。當(dāng)空隙率在0%~10%，且限定土的上限含水率時(shí)，干密度出現(xiàn)在2條曲線的區(qū)域之間，從而實(shí)現(xiàn)粉土填筑工程的質(zhì)量控制（見(jiàn)圖2）。

圖2 空隙率曲線圖

圖2可知，空隙率和土粒密度確定后，干密度隨含水率的增大而減小。當(dāng)含水率增大到一定程度，即使空隙率符合設(shè)計(jì)要求，干密度會(huì)過(guò)小，因此需設(shè)定空隙率法的上限含水率。碾壓筑堤中的含水率多在最優(yōu)值附近，不會(huì)出現(xiàn)上述情況?，F(xiàn)有空隙率法一般不設(shè)定上限含水率（見(jiàn)表3）。但是，吹填筑堤工程中的吹填土由流態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，其含水率變化范圍很大，必須對(duì)上限含水率進(jìn)行設(shè)定，確保空隙率指標(biāo)有效。當(dāng)吹填土的含水率大于液限呈流態(tài)[17]，此時(shí)初期的排水固結(jié)未完成，穩(wěn)定性差。通過(guò)排水固結(jié)將吹填土的含水率降至液限以下，吹填土進(jìn)入流塑-軟塑狀態(tài)，初期強(qiáng)度逐漸形成，可用于開(kāi)展吹填施工。吹填土初期強(qiáng)度形成的時(shí)間即為吹填周期?；谏鲜銮闆r，選用吹填料場(chǎng)土的液限含水率ωL作為空隙率法的上限含水率，滿足施工要求。

表3 空隙率法控制指標(biāo)參數(shù)一覽表

綜上，空隙率法的指標(biāo)可定為：0%＜Va≤10%且ω＜ωL。

3 空隙率法的工程應(yīng)用

本文選取慈溪市鄭徐水庫(kù)工程（簡(jiǎn)稱“工程1”）、杭州市蕭圍東線標(biāo)準(zhǔn)塘建設(shè)工程（簡(jiǎn)稱“工程2”）2個(gè)粉土吹填工程案例，使用空隙率法控制指標(biāo)，分析其對(duì)粉土工程質(zhì)量控制的適用性。兩工程吹填土的基本性質(zhì)見(jiàn)表4，施工質(zhì)量控制參數(shù)見(jiàn)表5。

表4 兩工程吹填土的基本性質(zhì)表

表5 兩工程施工質(zhì)量控制參數(shù)表

由表4可知，兩工程的吹填用土中，粉粒含量為85.0%~92.8%，黏粒含量為4.0%~7.2%，液限為30.6%~34.3%，塑限為21.9%~24.5%，塑性指數(shù)小于10，屬粉土類。依據(jù)吹填用土的基本性質(zhì)，上限含水率取30.0%（見(jiàn)圖2）。

圖3、圖4分別為工程1、工程2的土樣干密度及空隙率試驗(yàn)成果分布圖，圖5、圖6分別為工程

圖3 工程1的土樣干密度及空隙率試驗(yàn)成果分布圖

圖5 工程1的含水率及空隙率試驗(yàn)成果分布圖

1、工程2的土樣含水率及空隙率試驗(yàn)成果分布圖。

圖4 工程2的土樣干密度及空隙率試驗(yàn)成果分布圖

圖6 工程2的含水率及空隙率試驗(yàn)成果分布圖

由圖3~4可知，A區(qū)為土樣干密度小于設(shè)計(jì)干密度，Va＞10%的區(qū)域；B區(qū)為土樣干密度小于設(shè)計(jì)干密度，0%＜Va≤10%的區(qū)域；C區(qū)為土樣干密度小于設(shè)計(jì)干密度，Va≤0%的區(qū)域；D區(qū)為土樣干密度大于設(shè)計(jì)干密度，Va＞10%的區(qū)域；E區(qū)為土樣干密度大于設(shè)計(jì)干密度，0%＜Va≤10%的區(qū)域；F區(qū)為土樣干密度大于設(shè)計(jì)干密度，Va≤0%的區(qū)域。若試驗(yàn)結(jié)果位于A區(qū)和E區(qū)，則干密度指標(biāo)與空隙率指標(biāo)相關(guān)度高；試驗(yàn)結(jié)果位于B、C、D、F區(qū)，則干密度指標(biāo)與空隙率指標(biāo)相關(guān)度差。

工程1共有試驗(yàn)土樣73組，73組均位于E區(qū)；工程2共有試驗(yàn)土樣67組，其中36組位于A區(qū)，31組位于E區(qū)。位于A區(qū)的土樣干密度指標(biāo)及空隙率指標(biāo)滿足規(guī)律，但不滿足設(shè)計(jì)要求。位于E區(qū)的土樣滿足干密度與空隙率兩項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。對(duì)C區(qū)和F區(qū)來(lái)說(shuō)，Va≤0%，飽和度超過(guò)100%，屬于數(shù)據(jù)異常點(diǎn)。粉土試樣易擾動(dòng)，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常，應(yīng)予以剔除。干密度指標(biāo)無(wú)法單獨(dú)用來(lái)甄別擾動(dòng)試驗(yàn)誤差，而空隙率指標(biāo)可發(fā)現(xiàn)類似問(wèn)題。因此，空隙率法有較好的自檢性，可提高試驗(yàn)準(zhǔn)確度。綜上，試驗(yàn)土樣的有效成果均位于A、E兩區(qū)，兩項(xiàng)指標(biāo)具有較高的匹配度，選取的空隙率指標(biāo)參數(shù)值合理且適用。

由圖5~6可知，空隙率合格的土樣含水率均小于上限含水率，說(shuō)明文中選取的上限含水率參數(shù)值合理。因此，對(duì)于吹填粉土筑堤工程，必須設(shè)定含水率上限，確保采用空隙率法進(jìn)行質(zhì)量控制的有效性。

應(yīng)用結(jié)果表明，以0%＜Va≤10%且ω＜ωL作為控制參數(shù)值的空隙率法能較好地反映粉土干密度的變化情況，與干密度指標(biāo)相關(guān)性較高且具有一定的自檢性，能有效地指導(dǎo)粉土吹填工程的施工進(jìn)度及質(zhì)量控制。但空隙率與抗剪強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性仍需進(jìn)一步探究。

4 結(jié) 論

（1）本文對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外細(xì)粒土填筑質(zhì)量控制方法的適用性及優(yōu)缺點(diǎn)，采用空隙率法作為粉土吹填筑堤工程的質(zhì)量控制方法。

（2）對(duì)空隙率曲線的空隙率、干密度、含水率特性進(jìn)行探討，參考國(guó)內(nèi)外空隙率指標(biāo)以及吹填工程案例，提出粉土吹填工程空隙率法的控制指標(biāo)體系。

（3）將空隙率指標(biāo)應(yīng)用于兩個(gè)工程實(shí)例，結(jié)果表明：空隙率法可用于吹填粉土的質(zhì)量控制且試驗(yàn)結(jié)果具有一定自檢性。

（4）建議在粉土吹填筑堤工程中，采用空隙率（Va）和含水率（ω）作為空隙率法的控制指標(biāo)，參數(shù)范圍選取0%＜Va≤10%且ω＜ωL。