粗顆粒填料壓實動態(tài)干密度控制研究

唐建立　來亦姝　皇甫澤華　歷從實　祁安領

摘要：黏土心墻砂礫（卵）石壩或面板堆石壩的砂卵石等填筑過程中現場檢測結果經常出現相對密度大于l的不合理現象，施工控制中測定砂礫（卵）石的相對密度，成為控制施工質量、保證工程建設順利進行的關鍵。通過分析現場砂礫（卵）石料試驗結果，發(fā)現砂礫（卵）石料中大于5 mm粒徑的粗粒含量與其最大、最小干密度存在曲線關系，利用試驗結果繪制砂礫（卵）石中粒徑大于5mm的粗粒含量與干密度關系曲線，根據檢測樣品中粒徑大于5 mm的粗粒含量，通過關系曲線確定樣品的干密度，計算檢測樣品壓實后的相對密度。研究表明，這一方法可以很好地解決填筑過程中現場填料檢測得到的相對密度大于1的不合理現象。

關鍵詞：粗顆粒填料;干密度;相對密度;土石壩;級配曲線

中圖分類號：TV222

文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2019.06.031

土石壩因充分利用當地材料進行壩體填筑、工程造價相對較低而被廣泛采用，當地材料的工程性質及其質量和數量的具體情況，直接決定著大壩的安全和工程造價[1-3]。目前，通常采用相對密度作為現場填筑質量的控制指標，然而受室內試驗設備尺寸限制，室內相對密度試驗還只能采用經過縮尺處理的模擬級配材料進行，導致試驗結果不能完全反映現場實際情況[4-7]。特別是存在人工采砂時料場砂礫（卵）石料細顆粒缺失，改變了料場砂礫（卵）石料天然級配的情況，致使填料級配曲線、物理力學參數以及后續(xù)開采條件等改變，導致擾動料級配范圍變化大、離散性大[8]。如果不能采用合理方法確定砂礫（卵）石料的最大、最小干密度指標，則會出現碾壓試驗和現場施工檢測得到的試樣相對密度大于1的不合理現象[9-12]，這說明原來的方法得到的最大、最小干密度指標并不具有普遍代表性。因此，確定合理的砂礫（卵）石料施工控制指標，對于合理確定填筑標準，控制施工質量，保證工程建設的順利進行，以及工程的長期運行安全等都具有重要意義[13-15]。

1 問題提出

河南省前坪水庫工程大壩設計采用黏土心墻砂礫（卵）石壩，設計上壩砂礫（卵）石填筑量約870萬m。大壩上游戧堤砂卵石料填筑設計要求相對密度控制標準不小于0.75。然而，在施工初期，施工過程中施工單位采用室內經過縮尺處理的模擬級配材料試驗成果進行施工控制，施工過程中相對密度檢測了74組，檢測結果顯示最大相對密度達1.51，且僅有6組低于1.0，最小值為0.92。這種明顯不合理的現象說明室內模擬檢測的最大、最小干密度并不能真實反映現場碾壓料的干密度，需要采用合理的方法確定現場砂卵石料的干密度。

2粗粒料的物理構成和級配分析

根據測量結果和現場復勘結果，料場砂卵石料大部分已被采砂擾動，砂卵石料中細顆粒部分被開采走，僅剩少量還未開采擾動。

2.1 砂卵石料的物理構成及現場描述

現場砂卵石料主要成分為安山玢巖、安山巖、石英斑巖、流紋巖等，卵石含量為70% - 90%，其余為黃色中粗砂和少量細砂，巖性不均，局部夾有中粗砂透鏡體。粒徑一般為3-12 cm，少量為14 - 23 cm，個別大者為50-70 cm，分選性差，呈中密、密實狀。

前坪水庫砂卵石料料場采砂濫開亂挖，導致料場砂卵石料大部分已經被擾動，剩余料主要為人工采砂后的篩余料，其級配不良，細顆粒（砂）明顯較少。人工擾動料打亂了天然砂卵石料的成因產狀、層位分布賦存條件和規(guī)律，造成料場料源難以按地域或深度進行分區(qū)和規(guī)劃利用。

2.2 室內試驗結果

在施工之前，為確定現場施工控制指標，取上游階地砂卵石料兩組（編號1#、2#）進行縮尺處理的模擬級配材料進行試驗，室內試驗結果見表1。

2.3 現場施工控制及問題

根據室內經過縮尺處理的模擬級配材料試驗結果，為嚴格控制現場施工質量，現場施工控制中采用最小干密度為1.95 g/cm、最大干密度為2.26 g/cm進行施工控制。施工中，砂卵石碾壓后干密度測試方法采用灌水法，天然含水量試驗采用烘干法。現場進行密度試驗的試坑直徑一般取0.9 - 1.0 m，深度與現場單層厚度相同。碾壓后，對砂卵石密度進行二次平行試驗，取其算術平均值：天然含水量采用室內烘干法測定，同樣進行二次平行試驗，取其算術平均值，平行誤差不得大于0.5%。

通過現場收集的5組試驗結果得知，干密度值在2.26-2.36 g/cm之間，根據式（1）計算相對密度D，，計算結果顯示相對密度在1.00 - 1.27之間（見表2）。 根據式（1）及規(guī)范可知，Dr值應在0-1之間，表2中出現相對密度大于1的情況明顯不合理，這說明在相對密度計算中，選取的最大、最小干密度是不合適的，與現場實際情況不吻合。現場檢測中采用的干密度指標并不能真實反映現場碾壓料的真實干密度。

3 P5含量與干密度的關系曲線及應用

P5含量為土工試驗中粒徑大于5 mm的粗粒含量，由于現場攤鋪砂卵石料的級配及施工條件等與實驗室確定標準干密度的砂卵石級配不一致，導致室內試驗確定的干密度不能真實反映現場施工條件下所使用砂卵石料的最大、最小干密度[16-19]。同時，現場碾壓料級配范圍變化大，離散性大，現場施工控制中如果采用一個確定的標準干密度值來衡量砂卵石填料的壓實情況，將得不到正確的結果，因此需要采用更為接近施工實際條件的最大、最小干密度來檢測工程施工質量。

3.1 試驗結果分析

為解決相對密度超過1這一不合理現象，筆者收集了現場碾壓試驗結果，統計了6組碾壓試驗的砂礫（卵）石級配情況及最大、最小干密度（見表3）。從表3可以看出，隨著P5含量的增大，各相對密度條件下的最大、最小干密度均有先增大、后減小的趨勢，與黏性土擊實試驗中最大干密度與含水率的關系極為類似。受這一現象啟發(fā)，考慮砂卵石料的干密度與P5含量可能存在某種曲線關系。分析碾壓試驗結果，繪制了P5含量與干密度關系曲線（見圖1），現場施工控制時可根據試樣的P5含量，查關系曲線，確定試樣的最大、最小干密度，據此計算現場砂卵石壓實后的相對密度。

3.2 相關曲線在現場壓實度檢測中的應用

根據上述分析，再次對前述5組試樣進行重新統計分析，其P5含量在62.6% - 82.4%之間，利用P5含量與干密度關系曲線，采用內插法、外差法計算各組料的最大、最小干密度。通過計算發(fā)現（見表4），5組料壓實后的相對密度有4組在0.89 - 0.99之間，僅1組為1.01，略大于1。說明在粗粒料的現場壓實控制中，采用單一干密度控制是不合適的，其干密度與P5含量有關，對于不同級配的砂卵石料填筑現場采用動態(tài)干密度控制很有必要，根據P5含量與最大、最小干密度關系曲線確定相對密度進行現場施工控制存在一定的合理性。

4 結語

通過試驗分析建立了P5含量與干密度關系曲線，利用該關系對不同級配的料源采用不同的干密度進行施工控制可以有效解決使用單一最大、最小干密度控制時存在的問題。本研究是對粗顆粒填料壓實控制指標的一次探索，可以為現場施工提供一定的指導，但本文收集的資料有限，同時現場人工擾動使得砂卵石的級配不良，特別是細顆粒在人工采砂后大量缺失，致使現場填筑料級配不穩(wěn)定，從而導致建立的與P5含量相關的干密度曲線應用受到限制。

參考文獻：

[1] 王青志，朱鑫鑫，劉建坤，等.寒區(qū)高速鐵路路基粗顆粒填料大型直剪試驗研究[J].鐵道學報，2016，38（8）：102-109.

[2] 吳瑩，馬剛，周偉，等.基于分形理論的堆石料級配優(yōu)化研究[J].巖土力學，2016，37（7）：1977-1985.

[3]程煥達，冉淇，高填路基粗顆粒填料的壓縮變形特性研究[J].黑龍江交通科技，2016，39（4）：21-22.

[4] 高建強，白瑞強，馬勤國.非飽和粗顆粒土體的凍結試驗研究[J].冰川凍土，2018，40（1）：94-101.

[5]傅華，凌華，蔡正銀.粗顆粒土顆粒破碎影響因素試驗研究[J].河海大學學報（自然科學版），2009，37（1）：75-79.

[6] 張嘎，張建民，粗顆粒土的應力應變特性及其數學描述研究[J].巖土力學，2004，25（10）：1587-1591.

[7]冷伍明，劉文劫，趙春彥，等.重載鐵路路基壓實粗顆粒土填料動力破壞規(guī)律試驗研究[J].巖土力學，2015，36（3）：640-646.

[8] 熊治文，金蘭，程佳，等.高速鐵路改良粗顆粒填料凍脹特性試驗研究[J].中國鐵道科學，2015，36（5）：1-6.

[9] 周榮，宋曉東，粗粒填料土分形特征與可壓實特性相關性研究[J].人民長江，2014，45（1）：91-93.

[10] 暢帥，徐日慶.基于裂離比的粗粒料級配曲線預測模型[J].巖石力學與工程學報，2014，33（增刊2）：4145-4152.

[11]傅華，凌華，蔡正銀，粗顆粒土顆粒破碎影響因素試驗研究[J].河海大學學報（自然科學版），2009，37（1）：75-79.

[12] 王瀚霖，許峰，陳仁朋，等，粗顆粒填料含水量的TDR測試方法研究[J].三峽大學學報（自然科學版），2014，36（6）：37-42.

[13] 李安原，牛永紅，牛富俊，等，粗顆粒土凍脹特性和防治措施研究現狀[J].冰川凍土，2015，37（1）：202-210.

[14] 金蘭，熊治文，程佳，等.高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性改良試驗研究[J].鐵道建筑，2016（2）：102-105.

[15] 趙國堂，蔣金洋，崔穎輝，等，高速鐵路路基填料中細顆粒分布特征及其對凍脹的影響[J].鐵道學報，2017，39 （10）：1-9.

[16] 賈莉浩.高速鐵路高填方路基粗顆粒填料關鍵技術研究[D].長沙：中南大學，2013：27-28.

[17]徐永福，顆粒破碎對粗顆粒填料剪切強度的影響[J].固體力學學報，2018，39（5）：513-521.

[18]張聰穎.高速鐵路路基粗顆粒填料凍脹特性研究[J].鐵道工程學報，2018，35（2）：24-28.

[19] 石熊，張家生，劉蓓，等，高速鐵路粗粒土填料級配改良試驗[J].中南大學學報（自然科學版），2014，45（11）：3964-3969.

【責任編輯張華巖】