粉細砂筑堤填筑標準確定的工程實踐

汪德云

（北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京 100048）

粉細砂筑堤填筑標準確定的工程實踐

汪德云

（北京市水利規(guī)劃設計研究院，北京 100048）

文章通過對粉細砂壓密擊實的工程特性與筑堤填筑工程現場碾壓試驗的對比分析，明確了在堤防工程設計施工中，按照設計規(guī)范規(guī)定采用相對密度指標作為均勻粉細砂土的筑堤碾壓控制標準，存在著難于操作無法實現的問題所在，并介紹了實際工程中對粉細砂填筑標準確定的應對方法及措施，供類似工程借鑒。

粉細砂；筑堤；填筑標準

堤防勘察設計中的筑堤填筑料宜選用土料、石料及砂礫料等；砂性土，特別是粉細砂原設計規(guī)范為限制采用的土料。新修訂的堤防設計規(guī)范，雖取消了限制，但實踐中，由于粉細砂的壓密擊實特性很差，在按無粘性土類進行填筑設計時，仍存在著填筑標準難以確定的問題。

近年來在永定河流域的滯洪水庫、河道堤防等水利工程建設實踐中，對解決此類問題有了一些認識和體會，現將其進行歸納總結，僅供從事類似工程勘察設計的技術人員參考，不足之處請批評指正。

1 關于填筑標準的規(guī)定

堤防工程勘察設計中，貫徹因地制宜、就地取材的原則，并結合工程具體情況，合理確定所用筑堤料的填筑標準，是核心問題之一。它解決的好壞，既關系到能否滿足工程在穩(wěn)定、應力、變形、滲流控制等方面的要求，又關系到能否在客觀條件限制下施工操作可行。

土料的填筑質量需使其具有足夠的抗剪強度和較小的滲透性、壓縮性，填筑質量的主要標準是土的密實度和均勻性。對不同等級、不同土料填筑的土堤確定合理的壓實度，才能使堤防斷面設計經濟合理。

筑堤用土料除淤泥類土、雜填土及水穩(wěn)定性差的膨脹土、分散性土等特殊土，主要為粘性土和無粘性土兩大類。粘性土料，可按照規(guī)范要求，根據擊實試驗確定的最大干密度與最優(yōu)含水量指標，結合堤防等級，確定其壓實干密度和所需的含水率，即為填筑設計、施工的控制標準。提供此壓實度下土體的物理力學參數，作為穩(wěn)定計算、斷面尺寸確定的依據；指導施工碾壓試驗，確定施工參數。

無粘性土料，規(guī)范采用相對密實度指標進行控制。碾壓式土石壩設計、水工建筑物抗震設計等規(guī)程規(guī)范明確規(guī)定，甲類無粘性土填土（即將承受建筑物的荷重的填土）的相對密實度要求大于0.8，乙類填土（即不承受建筑物的荷重的填土，如土壩、堤防等用土）相對密實度一般為0.65～0.80。按堤防工程設計規(guī)范規(guī)定，I級堤防無粘性土料的壓實標準為相對密度0.65，原規(guī)范規(guī)定粉細砂不宜作為堤身填筑材料，不得不使用時應采取處理措施。

無粘性土中的砂礫料及級配較好的粗粒砂料相對好解決，恰恰是其中的粉細砂類料，其顆粒組成多為均勻性好的不良級配料，壓密擊實特性很差，河流中下游又分布廣泛，正常施工條件下壓密指標很難達到規(guī)范要求的填筑標準。

2 工程實際狀況

以永定河滯洪水庫工程為例，其位于河流中下游寬廣的灘地上，地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積松散厚層堆積物，砂料自上游至下游逐漸變細，地表以下8～10m為厚層粉細砂，該工程利用開挖永定河右側灘地形成稻田和馬廠水庫，需下挖4～6m后，結合用開挖料筑堤而圍成水庫，主要有左堤（中堤）、右堤、橫堤等建筑，均為I級堤防，形成幾千萬方的庫容，將超限洪水暫滯削峰。工程土方開挖量巨大，僅新填筑的左堤全長就在10km以上，總體上達數千萬方級。勘察設計中，遇到了新建堤身的填筑標準確定之難題，它的確定關系到在既定斷面下，浩大土方量的功效實施問題。

表1 砂樣基本組成及物理特性

滿足堤防工程設計規(guī)程要求，同時考慮到滯洪水庫工程運行工況的特殊性，設計和審查文件明確：滯洪水庫進水閘、連通閘、退水閘、分洪閘4座主要建筑物按8度抗震設防，而左堤、右堤、中堤、橫堤4座建筑則執(zhí)行I級堤防標準，但不考慮地震與滯洪遭遇，粉細砂土料的壓實標準采用相對密度0.65。

在工程區(qū)分別取幾十組粉細砂土樣進行試驗，試驗結果見表1。其平均粒徑均在細顆粒組以下范圍內，粘粒含量小于1%，不均勻系數 Cu＜5，曲率系數3＞Cc＞1，為不良級配土，粒徑均勻。

而永定河流域屬暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，滯洪水庫工程區(qū)地表以下8～10m范圍內，粉細砂天然含水率2.54%～6.22%。現場碾壓試驗，碾壓機械采用12～18T振動碾，層厚40～50cm，施工氣候環(huán)境條件下，碾壓獲得的實際效果其相對密實度僅為0.38～0.43，接近天然狀態(tài)下的沉積密度，無法達到粉細砂土料的壓實標準采用相對密度0.65的規(guī)定要求。

3 壓實效果分析

3.1 粉細砂的壓密擊實特性

在工程區(qū)上、中、下游料場內分別選取代表性土樣4組，對所取土樣進行室內擊實試驗［1］，以測定筑堤土料的干密度與含水率的關系，確定筑堤土料的最大干密度與最優(yōu)含水率，從而了解筑堤土料的壓實特性，為現場施工碾壓提供合理的壓實參數。

試驗參照《土工試驗規(guī)程》SL237-1999“擊實試驗”中輕型擊實進行。土樣基本物理性能見表1。

圖1 筑堤土料擊實曲線圖

土料擊實試驗的結果表明，4種土料在一定擊實功條件下干密度與含水率關系基本一致，呈現明顯的無粘性土的擊實特性（干密度與含水率關系曲線見圖1）。在含水率為0及最優(yōu)含水率情況下，砂樣的干密度達到最大。其中當含水率為0時，土料的干密度略高于最優(yōu)含水率時的最大干密度。當含水率在4.5%～9.5%時，4種土料的干密度曲線呈現明顯的水平段，在此范圍內干密度并不隨含水率的變化而變化，且在該含水率范圍內擊實干密度最小。

其它研究成果表明，砂礫料含水率與擊實干密度的關系曲線呈“V”字型，干燥狀態(tài)下易于壓實，過最低點后，干密度隨著含水率的增加而增大，較易于壓實。粘性土料含水率與擊實干密度的關系曲線呈“Λ”字型，存在最優(yōu)含水率，含水率相對該值過大或過小，均達不到最佳擊實效果，該類土屬于易于壓實土。

對比砂礫料、粘性土料，均勻的粉細砂的含水率與擊實干密度的關系曲線呈“U”字型，兩個最大干密度對應兩個極端含水率值，0% ～0.5%和15%～19%，由于含水率的控制難題，使它成為最難于擊實土料。

3.2 砂土相對密度試驗與其擊實試驗的關系

砂的設計指標，用相對密實度表示：

根據砂的最大最小干密度試驗成果和設計要求的相對密度，提出設計干密度：

其由來為：對于砂、卵石等無粘性土，最主要的物理狀態(tài)指標就是緊密度，作為填方，則就是要求壓實到一定緊密度。而其緊密度首先反映在孔隙比e上，孔隙比愈小，表示土愈密實。但由于用孔隙比判別密實度沒有考慮級配的因素而存在缺點，因此通常采用相對密度來表示砂土的密實度。

上述設計干密度公式中的最大干密度ρmax與最小干密度ρmin是由室內相對密度試驗擊實法確定的。少數的研究表明，修正普氏（重型）擊實試驗得出的最大干密度約相當于相對密實度0.5到0.7，前一值適用于級配較好的土，后者適用于級配不好的土［2］。砂性土中的粘粒含量在5%以上，才有最優(yōu)含水量等粘性土的性質。

永定河滯洪水庫筑堤砂料屬級配不好的土，且粘粒含量在1%以下，不具有最優(yōu)含水量等粘性土的擊實性質。其典型粉細砂輕型擊實試驗的結果分別為最大干密度1.65～1.81g/cm3，其對應的相對密度0.53～0.63，低于相對密度0.65對應的干密度 1.68～1.75g/cm3（詳見表 2）。

表2 砂樣壓密擊實特性參數

現場施工控制是選取擊實指標為標準，參照實施，來執(zhí)行設計控制干密度。

3.3 現場碾壓試驗分析

現場由于粉細砂天然含水率在3%～10%區(qū)間內，根據庫區(qū)擊實試驗成果，含水率變化對擊實干密度影響不大，屬于難以壓實區(qū)。仔細觀察該類土現場碾壓試驗可以發(fā)現，大噸位的震動碾輥下砂層下降，其兩側砂料上涌，即使重碾強震，密實度變化不大，與砂礫料、粘性土碾壓時，加大壓實功能就可以明顯地提高壓實密實度有明顯的差別。現場碾壓機械、施工氣候環(huán)境條件下，地表砂料含水率最低只能降至3%，無法降至0.5%以下。相對密度0.70與0.65的干密度之差僅0.02g/cm3左右，試驗說明，均勻粉細砂和一般砂礫石料碾壓效果相差明顯，加大碾壓功能對提高其密實度功效甚微。說明相對密度標準來確定填筑控制干密度的可操作性很差。

資料介紹［3］，新疆大漠地理環(huán)境條件下，沙層天然含水率一般也有1%左右。另一方面，現場條件下，用灑水車及其它噴灌設備給砂料加水，其碾壓時，工作面的含水率僅能保持在8%～10%，無法達到15%以上。上述現場試驗、施工條件無法象試驗室一樣讓砂料的含水率接近曲線的兩個極端含水率區(qū)域，實際總是在最難壓實的含水率區(qū)間內實施碾壓，碾壓獲得的實際效果其相對密實度僅接近天然狀態(tài)下的沉積密度（詳見表2）。

現場試驗結果完全符合粉細砂壓密擊實的規(guī)律性。

決定砂土密實度大小的內在因素在于砂土的特殊土體結構，砂土的土體結構常常表現為單粒結構，即較粗的礦物顆粒在其自重作用下沉落，顆粒間依靠其表面粗糙產生的摩擦力及顆粒之間互相鑲嵌、連鎖作用產生的咬合力而達到每個顆粒的穩(wěn)定。而不似粘性土中那樣是較細的顆粒依靠土顆粒間接觸點處的分子引力相互吸附而更穩(wěn)定。

內外因素，均不具備達到壓實標準所需要的條件，這就是均勻粉細砂料達不到壓實標準的原因所在。也就難于達到規(guī)范規(guī)定的相對密實度要求。

4 填筑標準確定的對策

水工建筑物填筑標準是指要求的壓實干密度和填筑含水量。經調研，已有的確定填筑標準的方法很多，大致可歸并為5類，它們分別以下列5種作為確定填筑標準的依據［3］。①以料場土料的天然含水量或天然干密度為依據；②以要求的填土工程性質指標為依據；③以所掌握的施工機械和壓實方法為依據；④以相對密實度試驗成果為依據；⑤以擊實試驗成果為依據。

實踐證明，對粘性土來說，以擊實試驗成果為依據的方法使用最廣，因適用范圍廣，經濟而且方便。對于堆石來說，一般以施工方法為依據。

從粉細砂壓密擊實特性及本工程現場碾壓試驗效果來看，顯而易見按規(guī)范規(guī)定的采用其相對密實度指標進行控制是難于實現的。

對于本工程，應尋找出現實碾壓設備及粉細砂含水率不利條件下的最好壓實效果，并應采用對應填筑密實度狀態(tài)下堤身土體的重度、抗剪強度、滲透性、壓縮性等物理力學指標重新核算，驗證其能否滿足在穩(wěn)定、應力、變形、滲流控制等方面的要求。

工程實踐中，按照統(tǒng)一要求，各標段工程承包商同時進行了現場碾壓試驗，采用12～18T振動碾，粉細砂均勻鋪層，厚度40～50cm，含水率一般為6%～10%，碾壓（雙向）4至5遍達到最大密度，相當于輕型擊實試驗最大擊實干密度的90%～95%之間，再增加碾壓遍數，密實度變化不明顯，有時反而降低。通過大量的現場碾壓試驗，基本摸清了不同鋪厚、含水率、碾重、振動、遍數等各項碾壓參數與壓實干密度之間的關系。經評審后認為，施工用設備和試驗結論基本合理，若施工中能夠切實按照這樣的工藝嚴格進行，已經做到了目前條件下的最好壓實效果。結合設計安全復核的驗算成果，堤身的壓實度已達到安全的要求。

對于本工程的粉細砂土料，上述分析結論對應的是采用上述依據中的“② +③”相結合的方案，即主要依靠碾壓工藝來保證施工質量，現場施工碾壓壓實標準建議采用最大擊實干密度的90%～95%作為填筑控制干密度，以此標準，制定明確的壓實工藝，實現客觀條件下的最好壓實效果。前提是滿足本工程的設計條件，即庫區(qū)開挖量巨大，填筑砂料充足，設計為堤頂寬75～100m，堤坡1∶4.5的超大斷面，以此有了足夠的安全儲備。在保證填筑均勻、預留足夠的沉降量條件下，整體工程安全是完全可以得到保證。

現工程已建成十多年，各項監(jiān)測數據顯示堤防整體沉降變形均在正常范圍之內，符合當初的設計標準要求。

5 結語

堤防工程設計中，從粉細砂的壓密擊實特性及現場試驗結果來看，是難于壓密的，對應狀態(tài)下的各項物理力學指標值也是偏低的，確實不宜使用粉細砂作為填筑土料。不得已使用時，在滿足設計斷面要求、使工程具有足夠安全儲備的前提條件下，遵循其壓密擊實規(guī)律，主要依靠控制施工現場碾壓工藝來保證施工質量，實現客觀條件下的最好壓實效果的方法是可行的。

［1］北京市水利科學研究所.永定河滯洪水庫工程“筑堤土料擊實試驗分析報告”［R］.1999.

［2］陳愈炯.填土填筑標準的確定和實施［J］.工程勘察，1993（01）： 9-12.

［3］新疆水利水電勘測設計研究院.引額濟烏工程“沙漠砂工程性質研究報告”［R］.2000.

TV541+.1

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1672-2469（2017）10-0121-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.034

2017-04-13

汪德云（1963年-），男，教授級高級工程師。