砂砾料相对密度试验方法在水利工程质量控制中的应用

2016-07-07汤轩林赵继成易永军

水利技术监督 2016年1期

关键词：试验方法应用

汤轩林，赵继成，易永军

（中国水电十五局科研设计院，陕西成阳712000）

砂砾料相对密度试验方法在水利工程质量控制中的应用

汤轩林，赵继成，易永军

（中国水电十五局科研设计院，陕西成阳712000）

摘要：砂砾料属无黏性粗粒土，因其分布广、性能指标优，被广泛应用于工程建设中。通过对砂砾料相对密度不同试验方法所得试验结果的对比分析，结合工程实际应用效果，提出适宜砂砾料作为填筑坝料时的相对密度试验方法，从而合理确定砂砾料填筑的控制指标。

关键词：砂砾料；相对密度；试验方法；应用

砂砾石料属可自由排水的无黏性粗粒土，具有压实性能及透水性好、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等工程特性，按照《水工混凝土面板堆石坝设计规范》SL228-2013中控制要求，土石坝砂砾石料在大坝填筑时控制标准根据坝高不同控制标准不同：坝高小于150m时，Dr控制标准为0.75～0.85；坝高在150～200m时，Dr控制标准为0.85～0.90，但控制标准并未明确所采用的试验规程及方法。而现行国家及行业规范中确定砂砾料相对密度有两种试验方法。

方法一：DL/T5356或SL237规程的室内相对密度试验方法。该方法采用对设计给定的原级配进行缩尺、缩尺后最大限制粒径为60mm、室内采用振动台法确定相对密度。由于受数学模型建立的偏差影响，很难取得较为真实的控制标准，规范的不确定性，也常常造成执行过程中的偏差较大，导致砂砾料控制标准偏低，压实实际效果较差，填筑体沉降量较大。

方法二：NB/T35016中采用现场原型级配料测定相对密度试验方法，试验最大限制粒径600mm。目前筑坝砂砾料的最大粒径一般在200～600mm范围。该试验方法试验工程量大、技术要求高，但试验结果与坝体填筑实际吻合。

这两种方法由于砂砾料最大粒径、级配、最大干密度试验机理等不同，导致相对密度相同时现场控制指标差别较大。本文从相对密度试验的级配选择、试验方法、室内实验结果理论推算验证等分析入手，结合工程实际应用，确定适宜工程实际的相对密度试验控制方法。

1　相对密度试验

1.1相对密度试验级配

影响砂砾料相对密度试验结果的主要因素有砂砾料级配、最大粒径及砾石含量等，目前工程中砂砾料级配一般采用设计提供由地勘资料确定的设计线或料源复查时的实测级配线，这两种级配线均为现场原级配线，建议在可能的情况下采用料源复查时实测级配线为依据进行试验。

1.1.1室外相对密度试验级配线

某工程料场复查实测级配线见表1、图1。室外相对密度试验级配采用原型级配与实测线一致。

1.1.2室内相对密度试验级配线

室内相对密度试验依据DL/T5356或SL237中“粗粒土相对密度试验方法”进行，室内试验时对砂砾料原型级配料进行了缩尺，根据室内试验桶尺寸、采用等量替换法缩尺后的最大粒径为80mm，缩尺后的级配见表2、图1。

1.2室内相对密度试验

室内相对密度试验砾石含量分别为65%、71%、75%、77%、79%、83%、87%，采用振动台法进行试验，试验结果见表3、图2。

表1　砂砾石料场实测级配表

表2　砂砾石料设计级配等量替换后级配表

图1　砂砾料原型级配及缩尺后级配曲线图

表3　砂砾石料室内相对密度试验结果表

图2　室内缩尺后最大、最小干密度试验曲线

1.3室外原型级配料相对密度试验

按照料场实测级配线、依据NB/T35016-2013中“砂砾料原级配现场相对密度试验”进行在现场进行相对密度试验。

现场相对密度试验结果见表4、图3。

表4　原型级配料现场相对密度试验成果表

图3　室外原型级配料最大、最小干密度试验曲线

1.4推算室外最大、最小干密度试验成果

根据相关试验规程条文说明及以往一些工程试验的经验，为解决砂砾石料填筑碾压中相对密度大于1及现场控制标准合理性的问题，一些工程中也采用了在室内最大、最小干密度试验成果的基础上，采用三点近似法、系列延伸法、渐近线辅助法等确定现场控制标准。

某工程坝料碾压试验中采用“三点近似法”推算方法对室内最大、最小干密度进行了两个数学模型的修正，推算结果分别见表5、表6。

表5　模型一推算砂砾料原级配现场最大、最小干密度试验成果表

表6　模型二推算推算砂砾料原级配现场最大、最小干密度试验成果表

1.5试验结果分析

（1）室内缩尺后最大干密度、最小干密度与现场原型级配料试验成果相比均在降低，室内结果比现场原级配线最大干密度分别降低0.024。以室内试验作为控制标准时，将会导致现场压实度降低。由此可见直接采用室内缩尺后试验成果将会降低工程现场控制标准，给工程质量造成隐患，特别是坝高超过200m以上的工程，更应慎重地选择现场的控制标准。

（2）采用密度桶法进行砂砾料原型级配相对密度试验成果和在室内试验成果基础上进行推算结果比较，得到的最大干密度对应的砾石含量下移，由于推算模型不同还存在一定差异。

2　工程应用

2.1施工现场含水率检测及使用方法

砂砾料无黏性粗粒土填筑施工中，填筑料的湿密度检测一般采用灌砂法或灌水法进行，现场检测小于5mm料的含水率，并按事先采用不同砾石含量、不同含水率、不同砾石含量情况下通过试验求得的小于5mm料的含水量与全料含水率关系曲线（如图4），查出全料的含水率计算干密度，用三因素相关图（表）评价压实质量。

图4　不同含砾量全料与小于5mm料含水率关系曲线

2.2工程应用

2.2.1陕西黑河金盆水利枢纽工程

黑河金盆水利枢纽工程“密度桶法”试验结果；密度桶直径120cm、壁厚12mm、桶高100cm，密度桶试验结果见表7。根据现场原级配试验结果现场砂卵石料控制标准见表8。

黑河金盆水利枢纽工程2001年8月底前，坝壳料填筑341万m3，（坝壳砂卵石料总量600多万m3）取样1371组，试验结果见表9。从表9的试验结果看，现场坝料填筑满足设计相对密度0.80的要求，合格率为100%，且现场检测结果相对密度无超1现象。

表7　黑河大坝砂卵石平均级配料不同砾石含量最大最小干密度试验结果表

表8　黑河金盆水库大坝坝壳砂卵石料压实质量控制标准表

表9　黑河金盆水库大坝坝壳砂卵石料压实取样结果统计表

2.2.2黄河上游公伯峡水电站工程

黄河公伯峡水电站工程现场砂卵石料原级配“密度桶法”试验结果见表10；公伯峡砂砾石料填筑90万m3，取样177组，试验结果见表11。设计相对密度Dr≥0.8，最大值1.0，最小值0.80，平均相对密度0.87，合格率100%。

表10　黄河公伯峡3BⅡ区坝壳砂卵石料压实质量控制标准表

表11 黄河公伯峡大坝3BⅡ区砂卵石料取样统计分析表

砾石含量P5（%）50～60 60～70 70～80 80～90　＞90取样组数（组）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备注

2.2.3湖北潘口水电站工程

湖北潘口水电工程现场砂卵石料原级配“密度桶法”试验结果见表12；潘口砂砾石料填筑60万m3，取样178组，试验结果见附表13。从表14结果看，设计相对密度Dr≥0.85，实测最大值0.98，最小值0.85，平均相对密度0.89，合格率100%。

表12 潘口电站砂砾石不同砾石含量最大、最小干密度试验结果表

砾石含量（%）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 潘口大坝3B1区砂卵石料取样统计分析表

砾石含量P5（%）　实测70.2 70～80　80～90　＞90取样组数（组）1　29　147　1最大值干密度（g/cm3）/相对密度/　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备注

2.2.4国内某工程碾压试验数据分析

通过室内试验确定料场砂砾料相对密度。最大值2.33g/cm3，最小值1.83g/cm3。现场碾压试验过程中，洒水10%、铺料60.9cm、拖式振动碾碾压12、实测相对密度为1.03；洒水10%、铺料62.3cm、82.1cm、102.3cm时，自行式振动碾碾压12遍时，相对密度分别为1.02、1.03、1.0，检测试验时出现了相对密度大于1的数据，由此可断定，推荐的干密度最大、最小值并未完全反应原型级配料的现场碾压工况。