砂礫料相對密度試驗方法在水利工程質量控制中的應用

湯軒林，趙繼成，易永軍

（中國水電十五局科研設計院，陜西成陽712000）

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砂礫料相對密度試驗方法在水利工程質量控制中的應用

湯軒林，趙繼成，易永軍

（中國水電十五局科研設計院，陜西成陽712000）

摘要：砂礫料屬無黏性粗粒土，因其分布廣、性能指標優(yōu)，被廣泛應用于工程建設中。通過對砂礫料相對密度不同試驗方法所得試驗結果的對比分析，結合工程實際應用效果，提出適宜砂礫料作為填筑壩料時的相對密度試驗方法，從而合理確定砂礫料填筑的控制指標。

關鍵詞：砂礫料；相對密度；試驗方法；應用

砂礫石料屬可自由排水的無黏性粗粒土，具有壓實性能及透水性好、抗剪強度高、沉陷變形小、承載力高等工程特性，按照《水工混凝土面板堆石壩設計規(guī)范》SL228-2013中控制要求，土石壩砂礫石料在大壩填筑時控制標準根據(jù)壩高不同控制標準不同：壩高小于150m時，Dr控制標準為0.75～0.85；壩高在150～200m時，Dr控制標準為0.85～0.90，但控制標準并未明確所采用的試驗規(guī)程及方法。而現(xiàn)行國家及行業(yè)規(guī)范中確定砂礫料相對密度有兩種試驗方法。

方法一：DL/T5356或SL237規(guī)程的室內(nèi)相對密度試驗方法。該方法采用對設計給定的原級配進行縮尺、縮尺后最大限制粒徑為60mm、室內(nèi)采用振動臺法確定相對密度。由于受數(shù)學模型建立的偏差影響，很難取得較為真實的控制標準，規(guī)范的不確定性，也常常造成執(zhí)行過程中的偏差較大，導致砂礫料控制標準偏低，壓實實際效果較差，填筑體沉降量較大。

方法二：NB/T35016中采用現(xiàn)場原型級配料測定相對密度試驗方法，試驗最大限制粒徑600mm。目前筑壩砂礫料的最大粒徑一般在200～600mm范圍。該試驗方法試驗工程量大、技術要求高，但試驗結果與壩體填筑實際吻合。

這兩種方法由于砂礫料最大粒徑、級配、最大干密度試驗機理等不同，導致相對密度相同時現(xiàn)場控制指標差別較大。本文從相對密度試驗的級配選擇、試驗方法、室內(nèi)實驗結果理論推算驗證等分析入手，結合工程實際應用，確定適宜工程實際的相對密度試驗控制方法。

1　相對密度試驗

1.1相對密度試驗級配

影響砂礫料相對密度試驗結果的主要因素有砂礫料級配、最大粒徑及礫石含量等，目前工程中砂礫料級配一般采用設計提供由地勘資料確定的設計線或料源復查時的實測級配線，這兩種級配線均為現(xiàn)場原級配線，建議在可能的情況下采用料源復查時實測級配線為依據(jù)進行試驗。

1.1.1室外相對密度試驗級配線

某工程料場復查實測級配線見表1、圖1。室外相對密度試驗級配采用原型級配與實測線一致。

1.1.2室內(nèi)相對密度試驗級配線

室內(nèi)相對密度試驗依據(jù)DL/T5356或SL237中“粗粒土相對密度試驗方法”進行，室內(nèi)試驗時對砂礫料原型級配料進行了縮尺，根據(jù)室內(nèi)試驗桶尺寸、采用等量替換法縮尺后的最大粒徑為80mm，縮尺后的級配見表2、圖1。

1.2室內(nèi)相對密度試驗

室內(nèi)相對密度試驗礫石含量分別為65%、71%、75%、77%、79%、83%、87%，采用振動臺法進行試驗，試驗結果見表3、圖2。

表1　砂礫石料場實測級配表

表2　砂礫石料設計級配等量替換后級配表

圖1　砂礫料原型級配及縮尺后級配曲線圖

表3　砂礫石料室內(nèi)相對密度試驗結果表

圖2　室內(nèi)縮尺后最大、最小干密度試驗曲線

1.3室外原型級配料相對密度試驗

按照料場實測級配線、依據(jù)NB/T35016-2013中“砂礫料原級配現(xiàn)場相對密度試驗”進行在現(xiàn)場進行相對密度試驗。

現(xiàn)場相對密度試驗結果見表4、圖3。

表4　原型級配料現(xiàn)場相對密度試驗成果表

圖3　室外原型級配料最大、最小干密度試驗曲線

1.4推算室外最大、最小干密度試驗成果

根據(jù)相關試驗規(guī)程條文說明及以往一些工程試驗的經(jīng)驗，為解決砂礫石料填筑碾壓中相對密度大于1及現(xiàn)場控制標準合理性的問題，一些工程中也采用了在室內(nèi)最大、最小干密度試驗成果的基礎上，采用三點近似法、系列延伸法、漸近線輔助法等確定現(xiàn)場控制標準。

某工程壩料碾壓試驗中采用“三點近似法”推算方法對室內(nèi)最大、最小干密度進行了兩個數(shù)學模型的修正，推算結果分別見表5、表6。

表5　模型一推算砂礫料原級配現(xiàn)場最大、最小干密度試驗成果表

表6　模型二推算推算砂礫料原級配現(xiàn)場最大、最小干密度試驗成果表

1.5試驗結果分析

（1）室內(nèi)縮尺后最大干密度、最小干密度與現(xiàn)場原型級配料試驗成果相比均在降低，室內(nèi)結果比現(xiàn)場原級配線最大干密度分別降低0.024。以室內(nèi)試驗作為控制標準時，將會導致現(xiàn)場壓實度降低。由此可見直接采用室內(nèi)縮尺后試驗成果將會降低工程現(xiàn)場控制標準，給工程質量造成隱患，特別是壩高超過200m以上的工程，更應慎重地選擇現(xiàn)場的控制標準。

（2）采用密度桶法進行砂礫料原型級配相對密度試驗成果和在室內(nèi)試驗成果基礎上進行推算結果比較，得到的最大干密度對應的礫石含量下移，由于推算模型不同還存在一定差異。

2　工程應用

2.1施工現(xiàn)場含水率檢測及使用方法

砂礫料無黏性粗粒土填筑施工中，填筑料的濕密度檢測一般采用灌砂法或灌水法進行，現(xiàn)場檢測小于5mm料的含水率，并按事先采用不同礫石含量、不同含水率、不同礫石含量情況下通過試驗求得的小于5mm料的含水量與全料含水率關系曲線（如圖4），查出全料的含水率計算干密度，用三因素相關圖（表）評價壓實質量。

圖4　不同含礫量全料與小于5mm料含水率關系曲線

2.2工程應用

2.2.1陜西黑河金盆水利樞紐工程

黑河金盆水利樞紐工程“密度桶法”試驗結果；密度桶直徑120cm、壁厚12mm、桶高100cm，密度桶試驗結果見表7。根據(jù)現(xiàn)場原級配試驗結果現(xiàn)場砂卵石料控制標準見表8。

黑河金盆水利樞紐工程2001年8月底前，壩殼料填筑341萬m3，（壩殼砂卵石料總量600多萬m3）取樣1371組，試驗結果見表9。從表9的試驗結果看，現(xiàn)場壩料填筑滿足設計相對密度0.80的要求，合格率為100%，且現(xiàn)場檢測結果相對密度無超1現(xiàn)象。

表7　黑河大壩砂卵石平均級配料不同礫石含量最大最小干密度試驗結果表

表8　黑河金盆水庫大壩壩殼砂卵石料壓實質量控制標準表

表9　黑河金盆水庫大壩壩殼砂卵石料壓實取樣結果統(tǒng)計表

2.2.2黃河上游公伯峽水電站工程

黃河公伯峽水電站工程現(xiàn)場砂卵石料原級配“密度桶法”試驗結果見表10；公伯峽砂礫石料填筑90萬m3，取樣177組，試驗結果見表11。設計相對密度Dr≥0.8，最大值1.0，最小值0.80，平均相對密度0.87，合格率100%。

表10　黃河公伯峽3BⅡ區(qū)壩殼砂卵石料壓實質量控制標準表

表11 黃河公伯峽大壩3BⅡ區(qū)砂卵石料取樣統(tǒng)計分析表

礫石含量P5（%）50～60 60～70 70～80 80～90　＞90取樣組數(shù)（組）11　14　50　48　12干密度（g/cm3）最大值2.18　2.33　2.41　2.34　2.29最小值2.17　2.28　2.30　2.24　2.23平均值2.18　2.31　2.345　2.31　2.26備注

2.2.3湖北潘口水電站工程

湖北潘口水電工程現(xiàn)場砂卵石料原級配“密度桶法”試驗結果見表12；潘口砂礫石料填筑60萬m3，取樣178組，試驗結果見附表13。從表14結果看，設計相對密度Dr≥0.85，實測最大值0.98，最小值0.85，平均相對密度0.89，合格率100%。

表12 潘口電站砂礫石不同礫石含量最大、最小干密度試驗結果表

礫石含量（%）58.0　63.0　68.0　72.5　79.9　85.0　91.6　95.0最大干密度（g/cm3）2.241　2.341　2.425　2.40　2.35　2.32　2.258　2.19最小干密度（g/cm3）1.876　1.977　2.033　1.956　1.945　1.922　1.893　1.791

表13 潘口大壩3B1區(qū)砂卵石料取樣統(tǒng)計分析表

礫石含量P5（%）　實測70.2 70～80　80～90?。?0取樣組數(shù)（組）1　29　147　1最大值干密度（g/cm3）/相對密度/　2.35/0.98 2.37/0.97　/最小值/　2.29/0.85 2.24/0.85　/平均值2.34/0.87 2.32/0.89 2.28/0.88 2.23/0.90備注

2.2.4國內(nèi)某工程碾壓試驗數(shù)據(jù)分析

通過室內(nèi)試驗確定料場砂礫料相對密度。最大值2.33g/cm3，最小值1.83g/cm3?，F(xiàn)場碾壓試驗過程中，灑水10%、鋪料60.9cm、拖式振動碾碾壓12、實測相對密度為1.03；灑水10%、鋪料62.3cm、82.1cm、102.3cm時，自行式振動碾碾壓12遍時，相對密度分別為1.02、1.03、1.0，檢測試驗時出現(xiàn)了相對密度大于1的數(shù)據(jù)，由此可斷定，推薦的干密度最大、最小值并未完全反應原型級配料的現(xiàn)場碾壓工況。

3　結語

目前有些工程施工中直接依據(jù)室內(nèi)試驗成果和設計給定參數(shù)確定現(xiàn)場控制標準，導致實際施工中現(xiàn)場檢測結果出現(xiàn)相對密度大于1的現(xiàn)象，這與工程實際情況不符。其主要原因是砂

礫料縮尺的室內(nèi)相對密度試驗完全改變了現(xiàn)場砂礫料的最大粒徑和原型級配結構、室內(nèi)試驗振動臺法與現(xiàn)場振動碾壓實機理不同，最大干密度及最大干密度所對應的礫石含量低于現(xiàn)場原型級配試驗結果，所以室內(nèi)縮尺后試驗結果不宜直接作為現(xiàn)場控制指標。

在DL/T5356-2006試驗規(guī)程條文說明中“對于粒徑大于60mm的砂礫料，室內(nèi)縮尺振動臺法試驗結果必須通過一定的數(shù)學模式推算”，而每種數(shù)學模型均有一定的局限性，推算結果與工程實際仍存在差異，容易造成施工質量控制上的偏差，推算結果在應用時慎重考慮。

從目前多個工程的應用效果看，“砂礫料原級配料現(xiàn)場相對密度試驗“采用與實際施工相同的原級配砂礫料和施工中采用的壓實機械確定相對密度，實測的最大、最小干密度試驗結果與施工實際情況十分吻合，能真實反應砂礫料的壓實性能，該方法作為砂礫料現(xiàn)場控制標準是科學和可靠的。

參考文獻

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［7］郭慶國.粗粒土工程特性及應用［M］.黃河水利出版社，1998（8）.

中圖分類號：TV41

文獻標識碼：B

文章編號：1008-1305（2016）01-0025-04

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.008

收稿日期：2015-06-09

作者簡介：湯軒林（1971年—），男，高級工程師。