砂礫石原級配現(xiàn)場相對密度試驗

王 紅 剛

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

砂礫石作為筑壩材料已廣泛使用多年，評定砂礫石填筑質量的重要指標之一是相對密度。相對密度是指無粘性土處于最松狀態(tài)的孔隙比與天然狀態(tài)孔隙比之差和最松狀態(tài)孔隙比與最緊孔隙比之差的比值。相對密度試驗一直是以室內相對密度試驗進行測定和控制，而室內試驗由于受試驗儀器限制，其最大粒徑只能為60 mm以內能自由排水的粗顆粒土，不能真實模擬實際大壩填筑壩料(如新疆阿爾塔什砂礫石最大粒徑達到600 mm)的情況。為此，筆者對室內相對密度試驗法和原級配現(xiàn)場相對密度試驗法分別加以分析研究，以找出最適合現(xiàn)場質量控制的試驗方法。

1 概 述

阿爾塔什水利樞紐工程位于喀什地區(qū)莎車縣和克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣交界處，是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，為葉爾羌河干流梯級規(guī)劃中“兩庫十四級”中的第十一個梯級，主要由攔河壩、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流放水洞等建筑物組成，規(guī)劃水庫正常蓄水位高程1 820 m，最大壩高164.8 m，水庫總庫容22.49億m3，電站總裝機容量755 MW，設計年發(fā)電量22.6億kW·h。工程總投資86億元，總工期為74個月，是目前新疆最大的水利工程，且由于其在設計、施工等方面面臨諸多技術難點，被業(yè)內專家稱為“新疆的三峽工程”。該工程攔河壩為混凝土面板砂礫石堆石壩，壩頂高程1 825.8 m，最大壩高164.8 m，壩頂長795 m。壩址區(qū)的砂卵礫石覆蓋層最大厚度為93.9 m，設防地震烈度為8°。

壩體填筑主堆石料采用河床砂礫石，填筑質量控制要求為：Dr≥0.9，最大、小干密度采用室內相對密度試驗方法及原級配現(xiàn)場相對密度試驗兩種試驗方法比較后確定控制參數(shù)：最大干密度、最小干密度。

2 砂礫石料室內相對密度試驗方法

水利水電工程中常用的試驗方法有《土工試驗規(guī)程》SL237-1999中的“粗顆粒土相對密度試驗”(SL237-054-1999);《水利水電工程粗粒土試驗規(guī)程》DL/T5356-2006中的“粗粒土相對密度試驗”。在兩種規(guī)范中有兩種試驗方法：振動臺法和表面振動器法，其設備裝置見圖1、2。

圖1 振動臺最大干密度試驗裝置圖

圖2 表面振動器法試驗裝置圖

相對密度試驗中的最小干密度試驗常采用固定體積法，而最大干密度試驗既可以采用干法，也可以采用濕法。

經(jīng)室內試驗后可按下列公式計算填筑砂礫石料的相對密度：

(1)

(2)

式中md為干土質量，kg；VC為試樣筒的體積，cm3；Vs為試樣體積，Vs=VC-(Ri-Rt)×A,cm3；Rt為振后加荷蓋板上百分表的讀數(shù)，mm；Ri為起始讀數(shù)，mm；A為試樣筒斷面積，cm2。

按式(3)計算相對密度Dr:

(3)

式中Dr為相對密度；ρdo為天然狀態(tài)或人工填筑之干密度，g/cm3；ρdmax為最大干密度，g/cm3；ρdmin為最小干密度，g/cm3。

3 砂礫料原級配現(xiàn)場相對密度試驗

砂礫料原級配現(xiàn)場相對密度試驗目前只有《土石筑壩材料碾壓試驗規(guī)程》NB/T 35016-2013中對其試驗方法進行了規(guī)定，其試驗步驟如下：

(1)測定密度桶體積。

采用灌水法測定密度桶體積。

(2)最小干密度試驗。

采用人工松填法進行測定，按級配要求將配置好的試驗料攪拌均勻后采用四分法將試驗料均勻松填于密度桶中，裝填時輕輕將試樣放入密度桶內，防止沖擊和振動，裝填的試樣低于桶頂10 cm左右，用灌水法測量料頂面到桶口的體積。

(3)最大干密度試驗。

①在測定完最小干密度試驗后，繼續(xù)將試驗料均勻松填于密度桶至高出密度桶20 cm左右，用類型和級配大致相同的試驗料鋪填于密度桶四周，高度與試驗料平齊；

②將選定的振動碾(阿爾塔什砂礫石主堆石采用32 t自行式振動平碾)在場外按預定轉速、振幅和頻率起動，行駛速度為2～3 km/h，振動碾壓26遍后，在每個密度桶范圍內微動進退振動碾壓15 min。在碾壓過程中，應根據(jù)試驗料及周邊料的沉降情況及時補充料源，使振動碾不與密度桶直接接觸。

③測定試樣體積。

a.人工挖出桶上及桶周圍的試驗料至低于桶口10 cm左右為止，并防止擾動下部試樣。用灌水法測量料頂面到桶口的體積；

b.將桶內試料全部挖出，稱量密度桶內試樣的質量并進行顆粒分析和含水率試驗。

④成果整理。

計算密度桶內試驗料的最大干密度、最小干密度，按式(3)計算現(xiàn)場相對密度Dr。試驗完成后，對全部試驗成果系統(tǒng)進行整理分析，繪制不同P5含量與最大干密度、最小干密度之間的變化關系曲線圖。

4 試驗成果比對

4.1 原級配現(xiàn)場相對密度試驗成果

試驗采用設計上包線級配、上平均線級配、平均線級配、下平均線級配、下包線級配5個不同礫石含量配料。根據(jù)設計級配選擇礫石含量:75%、78%、81%、84%、87%做為相對密度試驗級配；另外增加礫石含量為69%、72%兩組級配和砂礫料料場顆粒級配變化較大的實際顆分線礫石含量為80.8%(最大粒徑為156 mm)的級配進行了一組試驗，配料級配見砂礫石料現(xiàn)場相對密度試驗原型級配曲線(圖3)。

原型級配相對密度試驗不同礫石含量所對應的最大干密度、最小干密度試驗成果見表1。

從表1中的試驗結果可以看出：最大干密度在2.34～2.43 g/cm3，礫石含量在78%時其干密度達到最大值2.43 g/cm3。但在同樣的礫石含量、不同的最大粒徑情況下，最大干密度與最小干密度變化較大，根據(jù)設計包絡線，配料的礫石含量為81%時的最大干密度為2.4 g/cm3、最小干密度為2.06 g/cm3，最大干密度相比減小了0.07 g/cm3、最小干密度相比減小了0.12 g/cm3。由此可見，砂礫石料的干密度與礫石含量、最大粒徑的大小相關。根據(jù)試驗結果繪制出的砂礫石料不同礫石含量對應的最大干密度、最小干密度關系曲線見圖4。

圖3 砂礫石料現(xiàn)場相對密度試驗原型級配曲線圖

項 目礫石含量 /%69727578818487最大干密度( ρdmax ) /g·cm-32.352.382.422.432.42.372.34最小干密度( ρdmin ) /g·cm-31.962.012.052.082.062.021.98

圖4 不同礫石含量對應的最大干密度、最小干密度關系曲線圖

4.2 室內相對密度試驗成果

試驗采用設計上包線級配、上平均線級配、平均線級配、下平均線級配、下包線級配5個不同礫石含量配料。因密度筒試驗粒徑最大僅為60 mm，故在試驗時對原有級配按相似級配法進行制樣(式4)。

(4)

式中Pdn為粒徑縮小n倍后相應的小于某粒徑含量百分數(shù)，%；Pd0為原級配相應的小于某粒徑含量百分數(shù)，%；n為粒徑縮小倍數(shù)，=domax/dmax；domax為原級配最大粒徑,mm；dmax為儀器允許最大粒徑,mm。

按儀器最大允許粒徑修正相似級配后得到的曲線如圖5所示，試驗結果如表2所示。

室內相對密度試驗不同礫石含量所對應的最大干密度、最小干密度試驗成果見表2、圖6。從表2中的試驗結果可以看出：室內試驗最大干密度為2.41～2.44 g/cm3，礫石含量由于變化不大(礫石含量變化值僅為2%)，其試驗結果亦變化不大，不同于現(xiàn)場相似級配試驗結果因礫石含量變化大(礫石含量變化值為19%)對結果的影響較大。由此可見，砂礫石料的室內相對密度試驗方法針對現(xiàn)場實際情況還存在一定的差異性，不能真實地反映壩料的真實壓實情況，對壩體填筑質量判定存在一定的不足。

圖5 主堆石料(砂礫石)室內試驗(相似級配)級配曲線圖

表2 室內試驗礫石含量所對應的最小、最大干密度值表

圖6 主堆石料(砂礫石)室內試驗不同礫石對應的最大、最小密度曲線圖

5 結 語

(1)通過兩種試驗方法的對比和分析，我們發(fā)現(xiàn)：在砂礫料填筑現(xiàn)場施工過程中，由于料源的不均勻性會造成按室內試驗最大、最小干密度計算現(xiàn)場碾壓相對密度時結果有時會出現(xiàn)較大的偏大，有時出現(xiàn)較大的偏小，不能真實反映實際壓實情況。

(2)目前，新疆阿爾塔什大壩填筑已按原級配現(xiàn)場相對密度試驗成果計算壩體填筑的相對密度，試驗數(shù)據(jù)表明：沒有出現(xiàn)之前按室內試驗成果計算相對密度時結果大量偏大、偏小現(xiàn)象，說明針對大粒徑砂礫料填筑按原級配現(xiàn)場相對密度試驗結果參數(shù)控制填筑質量時，能真實地反映壩料的不均勻性，有利于反映壩料的真實壓實情況。

目前國內外新建土石壩較多，在充分使用當?shù)刂尾牧蠒r要注意各地區(qū)壩料均不相同，性質變化也較大，針對大粒徑砂礫石填筑壩體，宜采用原級配現(xiàn)場相對密度試驗成果進行質量控制，但對于有類似工程的壩料還需有針對性的進行大量的對比試驗工作，不能一概而論。