全-细颗粒关系模型的砾石土心墙压实度快速检测技术研究

郭永新

（水电十二局施工科学研究院，浙江建德311600）

1 概 述

在四川雅砻江两河口水电站大坝工程的心墙坝填筑施工过程中，全料压实度通过预控线法计算得到。由于施工进度的需要预控线法做不到点对点试验，用时较长，同时受不同P5含量的影响，导致不同粒径组成的土料所对应的击实干密度均有不同程度的偏差，使现场填筑生产过程中采用预控线进行施工质量控制时，易出现不合格点，无法真实地反映现场实际的压实情况。因此，本文重点解决的问题就是通过不同击实功下的细料压实度与全料压实度之间的匹配关系，确定现场快速检测的方法。

2 研究内容和技术经济指标

2.1 研究内容

1）全料压实度与不同击实功下细料压实度之间的关系分析研究；

2）分析大坝砾石土心墙料不同击实功能下细料与全料压实度之间匹配关系，以便寻求到现场快速检测的方法。

2.2 技术经济指标

1）技术指标：三点击实快速检测方法替代全料压实度。

2）经济指标：可缩短试验检测时间，提高试验检测效率，及时提交试验成果以便指导施工，从而加快施工进度，以达到提高经济效益的目的。

3 研究方法和技术路线

3.1 研究方法

1）在室内用掺配完全均匀的土料进行全料和细料不同击实功下的击实试验，分别得到全料和细料的最大干密度，从而计算得到全料压实度与细料压实度之间的匹配关系。

2）提出在全料控制标准下（如97%）细料控制标准及其数值指标。

3）结合现场生产，利用试验数据，验证全料与细料压实度之间的匹配关系，进行小于20 mm三点击实法与计算推求小于20 mm细料压实度对比分析研究。

3.2 技术路线

确定全料压实度与细料压实度之间的匹配关系，建立以细料控制标准来保证全料标准的合理性和建立快速检测方法的可行性。

4 设计技术要求

4.1 砾石土心墙料特征指标要求

1）用于心墙防渗料的砾石土填筑料最大粒径不大于150 mm；P5含量为30% ～50%（现场检测P5含量最大不超过55%，且50% ～55%的频率控制在5%以内）；小于0.075 mm的颗粒含量应不小于15%；小于0.005 mm的颗粒含量应大于8%。

2）碾压后心墙防渗土料的渗透系数应小于1×10－5cm／s，砾石土心墙料抗渗透变形的破坏坡度应大于9.0，其渗透破坏形式应为流土。

4.2 砾石土心墙料填筑标准及设计技术要求

碾压后的砾石土心墙料压实度以全料压实度和细料压实度进行双控制。砾石土心墙料全料压实度≥97%（修正普氏2 740 kJ／m3击实功），心墙掺砾料P5含量分别为30%、40%、50%，压实后干密度分别不小于 2.10、2.15、2.21 g／cm3；小于 20 mm细料压实度≥100%（普氏击实604 kJ／m3）。

5 研究结果

5.1 室内击实试验

5.1.1 土石材料

本次试验研究击实用料采用亚中A区土料，掺砾料采用庆大河加工系统生产的连续级配新鲜石料，粒径范围为5～100 mm，掺砾料检测结果见表1。

表1 掺砾料检测结果

5.1.2 击实试验

5.1.2.1 击实参数

击实试验分别采用标准击实仪和大型击实仪，击实仪的基本参数见表2。

表2 击实仪基本参数

5.1.2.2 超粒径颗粒的处理

用原级配土料进行试验是最理想的，但由于仪器对试样的限制，需对土料中某些超过试样允许粒径的颗粒（即超粒径颗粒）进行处理。处理超径石的方法有剔除法、等量替代法、相似级配法和结合法。本次试验大型击实采用等量替代法，小于20 mm细料轻型击实采用剔除法进行试验［1］。

等量替代法：

剔除法：

式中：Pi为替代后粗粒某粒组含量，%；

Pfi为剔除后粗粒某粒组含量，%；

Poi为原级配某粒组含量，%；

Pdmax为超粒径颗粒含量，%；

P5为原级配大于5 mm粒组含量，%。

5.1.2.3 超粒径颗粒的处理结果

等量替代和剔除后的结果见表3和图1。

5.1.3 击实成果

本次试验研究针对不同的 P5含量（25% ～55%）进行了Φ300 mm大型击实试验，＜20 mm不同的P5含量（10% ～50%）进行轻型击实的试验，击实结果见表4、表5和图2～5。

图1 掺砾料颗粒级配曲线

表3 等量替代和剔除后的颗粒级配

表4 大型击实（300 mm）结果

表5 轻型击实结果

图2 最大干密度与P5含量关系曲线

图3 最优含水率与P5含量关系曲线

图4 最大干密度与P5含量关系曲线

图5 最优含水率与P5含量关系曲线

5.2 全料压实度与细料压实度匹配关系

根据室内击实试验数据，计算得到室内全料压实度与细料压实度的匹配关系，计算过程见公式（3）与公式（4），匹配关系见表6。

全料压实度为D全时的细料干密度按公式（3）计算：

式中：ρd，细为细料干密度，g／cm3；

ρd，全，max为全料最大干密度，g／cm3；

D全为全料压实度；

ρw为水的密度，g／cm3；

GS为砾石视比重；

P20为大于20 mm砾石含量。

细料压实度按公式（4）计算：

式中：D细为细料压实度，%；

ρtfmax为全料压实度为D全时的细料干密度，g／cm3；

Pdfmax为细料室内击实最大干密度，g／cm3。

表6 全料压实度与细料压实度匹配关系

根据表6得出，全料压实度为97%时，细料压实度最大值为101.5，最小值为100.5，平均值为101.4。

5.3 细料控制标准及其数值指标

设计在填筑标准及要求中提出碾压后的砾石土心墙料压实度以全料压实度和细料压实度进行双控制。砾石土心墙料全料压实度≥97%，小于20 mm细料压实度≥100%。而本次试验研究根据P5含量25%～55%的全料与细料压实度匹配关系得出，全料压实度97%时相对应的细料压实度为100.5～102.0。因此，当全料压实度为97%时，选择细料压实度≥100%。

5.4 匹配关系的验证

5.4.1 现场颗粒分析试验

本次试验研究对大坝砾石土料进行了50组颗粒分析试验检测，具体结果见表7。

表7 大坝砾石土料颗粒级配试验结果统计

续表7

从表7的试验结果可看出，大坝砾石土料最大粒径均小于150 mm，最大值为95 mm，最小值为62 mm，平均值为74 mm；P5颗粒含量均在30%～50%之间，最大值为47.9%，最小值为39.4%，平均值为43.1%；各项指标均满足大坝坝体填筑施工技术要求。

5.4.2 压实度检测

本次试验研究对大坝砾石土料进行了25组全料压实度以及点对点细料压实度检测，具体结果见表8。

表8 压实度统计

通过表8得到，全料压实度均大于97%，最大值为100.9%，最小值为97.7%，平均值为99.4%，点对点所得细料压实度均大于100%，最大值为105.0%，最小值为100.0%，平均值为102.3%；通过现场试验验证，室内击实所得的全料压实度与细料压实度的匹配关系完全是合理的。

5.5 细料压实度与理论压实度对比分析

本次试验研究对大坝砾石土料进行了50组压实度对比试验，对比结果见表9。

表9 压实度对比

通过表9得到，细料压实度均≥100%，最大值为105.0%，最小值为100.0%，平均值为102.3%，均满足大坝坝体填筑施工技术要求（A版）；细料理论压实度最大值为105.5%，最小值为100.0%，平均值为102.5%；细料压实度与细料理论压实度差值均小于1.0%，最大值0.8%，最小值为－0.8%，平均值为－0.2%，误差较小。

6 结 语

1）根据本次试验研究结果得出，当全料压实度为97%时，细料压实度≥100%，全料压实度与细料压实度的匹配关系与设计的技术指标一致。

2）现场生产试验全料压实度均≥97%，细料压实度均≥100%，由此可以验证室内所得的全料压实度与细料压实度匹配关系完全是合理的。

3）通过本次试验研究数据分析，采用三点击实法所得细料压实度与理论压实度平均差值为0.2%，误差较小，由此现场可直接采用三点击实快速检测，以指导下一步施工。

4）当采用三点击实替代全料压实度时，不仅可以缩短试验检测的时间，还可以提高试验检测的效率，从而加快施工进度，以达到提高经济效益的目的。