灌水法密度试验影响因素分析与质量控制

2011-04-03何耀辉陈式华

浙江水利科技 2011年3期

何耀辉,陈式华

(浙江省水利河口研究院,浙江杭州 310020)

1 问题的提出

原位密度试验的主要目的是测定原位土的密度和对填方工程进行施工质量控制。原位密度试验的主要方法有环刀法、灌砂法、灌水法、核子射线法等。灌砂法、灌水法适用于砾类填土;环刀法、核子射线法适用于细粒土[1]。在水利工程建设如堆石坝、堤防填筑时,填筑土料经常用到砂砾石、碎块石料,为了确保填筑质量,一般采用碾压参数和填筑体密实度2种方法联合控制,控制碾压参数的目的是为了控制填筑体的密实性。反映密实度的指标如相对密度、孔隙率计算均需测得原位干密度。由于填筑土料粒径较大且不均匀,不适用环刀法、核子射线法进行原位干密度检测,应采用灌砂法、灌水法等检测方法。灌砂法采用量砂测量试坑体积,对试验人员操作能力要求较高,试坑体积较大时,所需量砂也较多,且试验时间较长,因此在实际工程检测中,一般采用灌水法。在灌水法试验过程中,很多因素均会影响测试成果的精度,甚至得出不合理的结果,因此有必要结合经验对影响因素作分析并提出减少或消除影响因素的措施。

2 试验基本原理及步骤

灌水法原位密度试验的基本原理:在测点挖试坑,称量从试坑中挖出的土料质量,后向试坑内灌水,称量所灌水的质量,换算出所挖试坑的体积,再用挖出的土料干质量除以试坑体积计算出干密度(见图1)。

文献[1]对灌水法试验的步骤作了简单的介绍,但实际工作中根据该步骤操作难以进行。根据实际工作经验,归纳出较可行的试验步骤如下:

(1)选择工程现场有代表性的测点,将测点处地面基本整平;

(2)按测点部位土料的最大粒径确定合适的试坑尺寸,选择合适直径的钢套环;

(3)在地面上放置钢套环并固定,在套环内铺设塑料薄膜,取水称量后灌入套环内至一定高度,记录灌入的第1次水质量m1;

(4)用安装在方钢尺上的水工测针确定参考水平面,记录水工测针读数;

(5)舀净水并拿走塑料薄膜,按确定的试坑直径划出坑口轮廓线,在廓线内下挖至要求的深度;

(6)将坑内的试样装入盛土容器内,称量并取代表性的试样测定含水率,计算土料的总干质量m;

(7)试坑挖好后,将大于试坑容积的塑料薄膜沿坑底、坑壁紧密相贴铺设,取水称量灌入试坑至参考水平面,计算灌入的总水质量m2。

填筑土干密度按以下公式计算:

图1 灌水法密度试验示意图

3 影响精度的因素分析与措施控制

3.1 试坑填筑料的代表性

根据填筑料的最大粒径和填筑层厚度选择合适的试坑直径和深度。当试样最大粒径＜200 mm时,试坑直径可参考表1;＞200 mm时,试坑直径一般不应小于填筑料最大粒径的3倍;试坑深度可与压实后的填筑层厚度相近。为了保持坑壁的稳定,试坑形状一般为上大下小的 “锅”形,而实际压实情况通常为上密下松,这就造成所测干密度偏大;在挖试坑时,根据填筑体的密实程度,选择合适的坑壁坡度,在能保持坑壁稳定的前提下,尽量选择较陡的坡度,增加挖出的填筑料的代表性。

表1 试坑尺寸与相应最大粒径表[1]mm

3.2 钢套环位置的固定

填筑体土料粒径大小不匀,碾压面很难整平到水平面,试验时一般采用钢套环来确定1个参考水平面。钢套环的位置变化对试验结果的影响极大,直接关系到试验结果的正确性。为防止钢套环的移动产生参考水平面的变化,试验开始时钢套环应与地面压紧并固定,不允许出现翘动。挖坑过程中应避免触碰钢套环,土样应从试坑中心向深度方向撬挖,并向边缘逐渐扩大直径。如遇大块石时,应先挖除大块石周边的较小料径的土石料,待大块石有松动时用钢钎小心挖出;块石过大时,量好其尺寸后进行分解,分块挖出。为了防止钢套环因自身重量而压入土中,钢套环与地面接触的底边应有足够面积突出的“沿”。当发现钢套环有明显的移动而影响试验结果时,应中止该点试验并重新选点。

3.3 参考水平面的测量

不仅钢套环的位置变动会造成参考水平面的变化,测量工具及人员变动也会造成水平面的前后差异。测量工具可采用固定在方钢尺上的水工测针,确定参考水平面时可在钢尺及套环上做标记并记录水工测针读数,前后观测人员也应为同一人,这可保持参考水平面的前后一致。不建议在钢套环上固定测针,因为在钢套环搬动及试验时,容易触碰导致测针变形,甚至损坏测针。

3.4 坑壁形状

由于填筑料大小不匀,坑壁往往凹凸不平,而其形状的规则程度则直接影响与薄膜的贴合度,从而影响试坑测试体积的精度。当试坑接近所要求的形状时,应小心修整坑壁、坑底,清除表面松动土料。遇块石横跨钢套环等情况而使坑壁无法规则或出现较大倒坡时,此试坑应废弃,重新取点进行试验。当填筑料含水率较大无法保持坑壁稳定时,试验不宜进行。

3.5 塑料薄膜

塑料薄膜作为测量试坑体积的容器,其自身的厚度,柔软性均影响体积的测试结果。薄膜越厚,柔顺性越差,自身占用试坑的体积也越大,与坑壁越不容易贴合紧密,造成试坑的测量体积偏小;薄膜太薄,在水压力的作用下,容易被顶破造成漏水而导致试验失败。试验时宜根据试坑的大小、土料的磨圆度等选择厚度适中,柔软性较好的薄膜。灌水时,应缓慢注入,避免水流对薄膜的直接冲击,并边灌边理顺薄膜褶皱,排空薄膜与坑壁间的空气,使坑壁与薄膜贴合紧密。

3.6 试样及试验用水的称量

由于试坑体积往往较大,挖出的试样及试验用水(纯净无杂质)均较多,需分次称量,要求选择符合精度要求的称量工具;水灌入试坑时,应保证盛水容器内无余水;试样挖取及称量时应无遗落、无粘带。

3.7 试样含水率测定

试验的主要目的为测得原位干密度,原位含水率并不是试验关心的指标,因此只要含水率能代表试样称量时的状态就可以。对最大粒径较小能取得代表性含水率的试样可在全料中取;对最大粒径较大无法在全料中取得代表性试样的可先筛分后在每级土样中取代表性试样测含水率。当土料较湿时,可进行翻晒后筛分、称重、取样测含水率。

4 模拟分析

假设有1试验,钢套环直径2.5 m,塑料薄膜厚度0.4 mm,试坑直径2.0m,深度0.8 m,挖取的土料干质量2500 kg。试坑断面形状假定为抛物线形,方程为y=0.8 x2,计算得到的理想试坑体积为1256 L,第1次注水量(不包括底部薄膜所占体积)m1=500 kg,水的密度为1.0 g/cm3。根据不同影响因素分以下8种情况讨论:①理想情况,试坑体积为计算得到的1256 L;②仅考虑薄膜体积的影响;③第2次确定参考水平面时,位置下降了0.5cm;④第2次确定参考水平面时,位置下降了1.0 cm;⑤考虑薄膜与试坑壁平均脱开0.5 cm;⑥考虑薄膜与试坑壁平均脱开1.0 cm;⑦综合考虑②、③、⑤情况;⑧综合考虑②、④、⑥情况。

从表2可以看出,参考水平面的变动、薄膜与坑壁的贴合度对干密度的影响较大。当参考水平面降低1.0 cm时,干密度增加4.07%;当薄膜与试坑壁平均脱开1.0 cm时,干密度增加2.61%;当考虑薄膜体积、参考水平面降低1.0 cm,薄膜与试坑壁平均脱开1.0 cm时,干密度则增加7.04%。因此,干密度的采用应在试验得到的结果基础上,根据现场试验情况,考虑各因素的影响大小,选取1个合适的折扣值。