堆石料相對密度控制法試驗及檢測方法應用研究

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610056)

1 研究背景

目前，堆石料填筑設計標準通常按孔隙率進行評價，很少采用相對密度進行控制，但從近幾年水電工程碾壓試驗及壩體填筑檢測結果來看，在大型碾壓機械出現以后，堆石料碾壓孔隙率很容易達到設計要求[1-2]。同時由于填筑料級配的變化，同一孔隙率的填筑料具有不同的強度和壓縮變形等性質。因此，采用孔隙率評價大壩堆石料填筑質量的方式有待進一步探究。針對這種情況，技術人員擬在雅礱江兩河口水電站工程大壩堆石料填筑過程中，開展堆石料相對密度控制法試驗研究并開展相關試驗檢測工作，研究采用相對密度法對大壩堆石料填筑進行質量控制的可行性。由于室內最大干密度試驗受到實驗設備尺寸的限制，如果采用縮小實驗設備尺寸的方式進行相關試驗，那么得到的試驗結果不真實，也不完整，不能真實反映實際情況。鑒于上述情況，本文研究采用在碾壓試驗現場進行大型相對密度試驗的方法，通過技術措施取得堆石料的最小干密度和最大干密度，得到堆石料的相對密度值并判斷現場堆石料的實際碾壓狀況，分析相對密度法對堆石料填筑質量控制的可行性[3-6]。

為了獲得現場堆石料實際碾壓結果，現場試驗檢測方法采用坑測法和附加質量法在相同和不同測點進行試驗檢測。坑測法只選在代表性的碾壓遍數下進行試驗，也只能反映碾壓完成后的堆石料密度及其他參數，無法反映碾壓過程中的密度變化情況。附加質量法可在任何碾壓遍數下進行檢測，可實時獲得碾壓過程中堆石料密度及變化情況。因此，本文依據堆石料相對密度控制法試驗檢測成果分析判定堆石料實際碾壓狀況，并對附加質量法檢測成果進行評價，同時也驗證設計指標的合理性，為大壩優化設計和施工技術參數控制提供科學依據[7-10]。

2 相對密度控制法及現場試驗

2.1 相對密度控制法的提出

相對密度是評價粗顆粒土密實度最為直接的參數。從理論上講，干密度、孔隙率和相對密度均能反映粗顆粒土的密實程度。對于同一種粗顆粒土，干密度越大，土層越密實，如果達到最大干密度，土層就處于最密實狀態。但由于粗顆粒土的顆粒級配差別較大，其密實度不僅與粗顆粒土的最密實程度有關，還與粗顆粒土最松散程度有關[4]。

根據SL237-1999《土工試驗規程》，相對密度計算公式為

(1)

式中,Dr為相對密度；emax為最大孔隙率；emin為最小孔隙率；e0為填筑料壓實相應孔隙率或天然(實際)狀態孔隙率；ρd為人工填筑碾壓干密度,g/cm3；ρdmax為最大干密度,g/cm3；ρdmin為最小干密度，g/cm3。

式(1)表明：相對密度是最松散狀態孔隙率與天然(實際)狀態孔隙率的差值和最松散狀態孔隙率與最密實狀態孔隙率的差值之比，它可以反映粗顆粒土的實際壓實狀態在最松散和最密實狀態之間處于什么位置，更加全面和形象地反映粗顆粒土的密實程度。對于堆石料，由于室內獲取堆石料的最大干密度很難且不夠準確，為了反映堆石料的壓實程度，通常采用孔隙率這一指標。孔隙率是實際碾壓干密度和最大干密度(實際工作中取得比重)之比，它能反映堆石料的實際壓實狀態與最密實狀態的差異。但由于目前堆石料填筑孔隙率標準在大型碾壓機械出現以后很容易達到設計要求，于是技術人員借鑒采用相對密度評價粗顆粒土密實度的方法，提出了采用相對密度法對大壩堆石料填筑質量進行控制的思路。

2.2 現場大型相對密度試驗

為了開展堆石料相對密度試驗研究，經過分析討論，采用現場原級配堆石料約900 m3(面積900 m2，層厚100 cm)通過場地基礎處理、控制料源，然后按施工技術要求進行鋪料和碾壓并開展試驗。

2.2.1場地基礎處理

試驗場地選擇在兩河口水電站工程下游堆石料A3區，該場地填筑后沉降時間較長且基本趨于穩定。場地基礎采用32 t自行式平碾振動碾壓26遍后，現場劃定30 m×30 m的試驗區域，在場地周邊填筑厚度為1 m的堆石料后振動碾壓26遍(見圖1)。對靠近試驗區一側的坡面進行修整，剔除較大粒徑堆石料并采用反濾料Ⅰ和反濾料Ⅱ各占50%的混合料對修整后的坡面進行平整處理，然后用振動夯板進行夯實。現場測量網格點采用1 m×1 m布置，包括斜坡面中部與坡頂各布置一個測點，采用全站儀進行場地測量和鋪料厚度控制。

2.2.2料源控制

為了對料源進行控制，首先對Ⅰ區堆石料進行直觀判斷，然后進行顆粒級配試驗檢測。料源級配檢測2組，檢測成果表明選用的堆石料的料源顆粒級配均處于堆石料I區的設計包絡線范圍內，料源符合設計要求。

圖1 堆石料相對密度試驗場地布置Fig.1 Layout of rockfill relative density test site

2.2.3鋪料和碾壓

鋪料時為防止試驗區斜坡面邊沿壓塌，采用鋪設鋼板的形式對斜坡面進行保護，在靠近邊沿容易造成大粒徑堆石料集中的部位安排反鏟進行處理，以盡量避免大粒徑塊石集中。鋪料厚度按每場試驗的參數要求確定，自卸汽車卸料后用推土機攤鋪平整使厚度滿足要求并由測量人員控制。為保證周邊的側向約束，場地寬度方向加寬2 m，長度方向加長6 m，以便于錯車和停車，并在長度方向填筑一個斜坡道，以利于自卸汽車運輸作業。

碾壓前先拉測繩劃分碾壓范圍和條塊，用石灰畫線做好標識，以控制振動碾碾壓范圍，保證碾壓質量。碾壓時采用32 t自行式平碾振動碾壓2～26遍，并在每兩遍間進行沉降測量，碾壓要求振動碾行駛平直、穩定，碾跡重疊且無漏碾或超碾過寬現象，行車速度控制在2～3 km/h，并由碾壓指揮人員用秒表測控行車速度。碾壓根據擬定的技術要求采用“后退法”填筑，也可根據現場實際情況采用“進占法”填筑，以使粗粒徑石料滾落至底層而細粒徑石料留在表層，便于推土機的平整和振動碾碾壓。

2.2.4試驗堆石料設計標準及填筑標準

(1) 試驗堆石料設計標準。用于填筑的堆石料應采用微、弱風化或新鮮的開采料，開采堆石料的飽和抗壓強度應大于45 MPa，軟化系數大于0.75；堆石料的最大與最小邊長之比不超過4，最大粒徑不大于800 mm，D15≤30 mm,小于5 mm的顆粒含量為3%～15%，小于0.075 mm的顆粒含量不大于3%。

(2) 試驗堆石料填筑標準。堆石料層厚100 cm，壓實控制指標孔隙率≤21%；填筑的碾壓機具采用32 t振動平碾，碾壓時應加水且加水量≥5%；堆石料的顆粒級配應在包絡線之內，顆粒級配詳見表1，顆粒級配曲線見圖2。

表1 堆石料設計顆粒級配Tab.1 Rockfill designed grain composition

圖2 堆石料設計級配曲線Fig.2 Rockfill desined grading curve

3 試驗檢測方法及成果分析

3.1 坑測法試驗

3.1.1試驗方法

坑測法試驗分別對堆石料在松散鋪料(碾壓0遍)、碾壓8遍、碾壓26遍3種狀態下進行檢測，每種狀態檢測3個測點，同時進行堆石料密度試驗和顆粒級配試驗。密度試驗采用挖坑灌水法，根據堆石料最大粒徑為800 mm的要求，選用套環直徑為2 000 mm，塑料薄膜厚度為0.08 mm的試驗設備和材料。含水率測定按碾壓現場將濕試樣篩分至20 mm，對D≤20 mm和D>20 mm的級配分別測定含水率，根據不同的級配質量比例計算出挖坑全試樣的加權平均含水率。顆粒級配試驗從試坑中取出試樣，按 200 mm以上的顆粒用鋼尺量記其代表粒徑，小于200 mm的用大篩現場篩分至20 mm，小于20 mm的細顆粒經四分法取樣進行室內篩分，最終計算全試樣顆粒級配組成。

3.1.2試驗成果分析

在現場鋪料完成后，對堆石料在松散鋪料、碾壓8遍、碾壓26遍時3種狀態下各取3個測點，密度試驗成果詳見表2。

表2 場坑測法密度試驗成果統計Tab.2 Statistical results by pit measuring method

注：鋪料厚度100 cm，初始比重2.76。

顆粒級配試驗與密度試驗同時進行，在進行密度試驗的同時進行顆粒級配篩分，顆粒級配試驗成果詳見表3，顆粒級配曲線見圖3。

圖3 顆粒級配曲線圖(坑測法)Fig.3 Grading curve (pit measuring method)

通過對表3和圖3的檢測成果進行分析，顆粒級配滿足堆石料設計包絡線要求，碾壓后小于5mm含量基本無變化。堆石料松散鋪料狀態最小干密度平均值為1.75 g/cm3，對應孔隙率平均值為36.5%；碾壓26遍最大干密度2.26 g/cm3，對應孔隙率平均值為18.2%。根據下游堆石I區當前實際施工鋪料厚度100 cm、32 t碾碾壓、碾壓8遍的條件，相應的填筑干密度值為2.20 g/cm3，對應孔隙率平均值為20.2%，對應的相對密度為0.89。

3.2 附加質量法檢測

3.2.1檢測方法

附加質量法以振動理論為基礎[5-6]，建立堆石料與附加質量塊的單自由度線彈性振動系統等效物理模型，通過求取參振體系介質的動剛度與參振質量，利用數字量板專利技術計算堆石體密度。根據研究成果，被測堆石體的干密度ρd與動剛度K、參振質量m0存在著線性關系，由大量試驗資料可得到如下經驗公式：

ρd=af(K,m0)+b

(2)

表3 顆粒級配試驗成果統計表(坑測法)Tab.3 Statistical table f grain composition test results (pit measuring method)

注：初始比重為2.76。

式中,ρd為被測堆石體干密度；K為參振體動剛度；m0為參振質量；f(K，m0)為數字量板；a，b為系數，對于特定介質為常數。

附加質量法是近年來廣泛應用的一種堆石體密度原位測定方法，該方法具有快速、準確、實時等特點，而且適用于不同粒徑組成的堆石料。它不僅可以在施工過程中對填筑質量進行實時檢測以達到控制施工質量的目的，而且其快速獲取的和高抽樣率的檢測數據還可以為建成后的大壩建立密度數據庫及大壩三維密度分布圖形[8-9]。

在相對密度控制法試驗中，利用附加質量法分別對堆石料在松散鋪料及每增加2遍碾壓后(直到碾壓26遍)的堆石料密度進行跟蹤檢測，共布置3個常規連續跟蹤檢測點。同時，還用附加質量法對坑測法試驗前在相同位置的測點進行了檢測，堆石料在松散鋪料、碾壓8遍、碾壓26遍3種狀態下和每種狀態下的3個測點共9個測點。附加質量法現場檢測見圖4。

圖4 坑測試驗前進行附加質量法檢測Fig.4 Conducting test of additional mass method before pit measuring test

3.2.2檢測成果分析

堆石料為Ⅰ區堆存料，層厚100 cm,碾壓設備為32 t自行式振動平碾，低頻、高振。附加質量法檢測成果有兩種：① 選取3個連續跟蹤檢測的測點分別對松散鋪料狀態及每增加2遍碾壓后(直到碾壓26遍)的密度進行檢測，檢測成果詳見表4;② 附加質量法在坑測試驗前進行檢測，分別為堆石料在松散鋪料、碾壓8遍、碾壓26遍時3種狀態下和每種狀態下的3個測點進行檢測， 檢測成果詳見表5。

表4 3個連續跟蹤檢測點附加質量法檢測干密度成果統計Tab.4 Statistical table of dry densities at 3 successive points by additional mass method

注：初始比重為2.76。

根據表4中3個連續跟蹤檢測點附加質量法檢測成果可知：堆石料松散鋪料狀態最小干密度平均值為1.89 g/cm3，對應孔隙率平均值為31.4%；碾壓26遍最大干密度平均值2.29 g/cm3，對應孔隙率平均值為17.2%；同樣碾壓8遍相應的填筑干密度平均值為2.24 g/cm3，對應孔隙率平均值為18.8%，對應的相對密度為0.89。

根據表5中3種狀態下各3個測點附加質量法檢測成果可知：堆石料松散鋪料狀態最小干密度平均值為1.83 g/cm3，對應孔隙率平均值為33.8%；碾壓26遍最大干密度平均值2.28 g/cm3，對應孔隙率平均值為17.5%；同樣碾壓8遍相應的填筑干密度值為2.24 g/cm3，對應孔隙率平均值為18.7%，對應的相對密度為0.93。

根據SL274-2001《碾壓式土石壩設計規范》中規定壩體填筑粗砂礫石層碾壓后相對密度不應低于0.75的要求，從坑測試驗9個測點得到對應的相對密度為0.89；附加質量法對3個連續跟蹤檢測點得到對應的相對密度為0.89；附加質量法對堆石料在松散鋪料、碾壓8遍、碾壓26遍3種狀態下3個測點進行檢測得到對應的相對密度為0.93。3種試驗檢測結果均滿足設計規程要求，同時3種試驗檢測的堆石料壓實控制指標孔隙率也滿足設計要求。由此可見，采用相對密度法對大壩堆石料填筑質量進行控制是可行的。

表5 3種狀態下3個測點附加質量法檢測的干密度成果Tab.5 Statistical table of dry densities of 3 points by additional mass method under three conditions

注：初始比重為2.76。

4 附加質量法應用效果與評價

4.1 堆石料密度變化趨勢

分別分析附加質量法中3個連續跟蹤檢測點不同碾壓遍數(0，2，…，26遍)條件下的堆石體密度變化趨勢，得干密度與碾壓遍數關系如圖5所示。當碾壓遍數在0～10遍時，干密度隨碾壓遍數的增加而增加，增長的速率較快，當碾壓遍數超過10遍時，干密度增長速率極為緩慢，基本趨于穩定。分析可知3個檢測點堆石料密度在碾壓遍數超過10后，堆石料密度無變化，說明100 cm層厚堆石料、32 t振動碾、碾壓10遍即為在當前施工環境下最優的施工碾壓參數。

4.2 對比數據分析

表6為附加質量法和坑測法試驗檢測成果對比。具體為堆石料在松散鋪料、碾壓8遍、碾壓26遍時3種狀態時先進行附加質量法檢測，然后在同點進行坑測法試驗。

圖5 3個連續檢測點干密度與碾壓遍數關系(附加質量法)Fig.5 Relation of dry densities and grinding times of three successive points by additional mass method

測點號附加質量檢測平均值/(g·cm-3)坑測試驗檢測平均值/(g·cm-3)碾壓遍數相對誤差/%XDMD-SP-11.701.6204.7XDMD-SP-21.881.7805.4XDMD-SP-31.901.8701.6XDMD-8-12.232.1882.2XDMD-8-22.242.2081.8XDMD-8-32.262.2381.3XDMD-26-12.272.25260.9XDMD-26-22.282.26260.9XDMD-26-32.282.26260.9

從對比的情況來看，堆石料在松散鋪料(碾壓0遍)情況下附加質量法與坑測法的對比結果誤差較大，最大相對誤差達到5.4%。隨著碾壓遍數的增加，相對誤差逐步減小。對于這種現象開展了進一步研究，選取相對誤差最大的測點XDMD-SP-2和 相對誤差最小的測點XDMD-26-1的頻譜圖進行分析(圖6)。

圖6 測點頻譜圖對比Fig.6 Comparison of spectrum diagram of measuring points

XDMD-SP-2測點測試信號頻譜范圍寬、主頻稍不清晰、頻差稍大，XDMD-26-1測點測試信號頻譜圖主頻清晰、頻差一致性好，原因是在松散鋪料狀態下振動能量衰減較快對測試信號有一定影響。附加質量法與坑測法試驗檢測平均相對誤差為2.2%，滿足規程要求，數據資料可靠。

總之，此次相對密度控制法試驗是首次采用附加質量法對堆石料碾壓密度的變化進行跟蹤檢測分析。附加質量法檢測結果基本反映了堆石料從松散鋪料及每增加2遍碾壓(直到碾壓26遍)后碾壓過程中的堆石料密度變化趨勢，從而為分析堆石料實際碾壓狀態提供了更為全面的數據支撐，為驗證設計指標、復核和確定設計參數及施工參數提供了技術支撐，也為大壩優化設計和施工技術參數控制提供科學依據。

5 結 論

(1) 針對以孔隙率評價堆石料填筑的設計標準在大型碾壓機械出現以后很容易達到設計要求的情況，在兩河口水電工程大壩堆石料填筑過程中開展了現場大型相對密度控制法試驗及相關檢測工作。坑測試驗選擇了9個測點，附加質量法選擇了3個連續跟蹤檢測點。附加質量法和坑測法對堆石料在松散鋪料、碾壓8遍、碾壓26遍下3個測點測得的相對密度均滿足設計規程要求，同時檢測的堆石料壓實孔隙率指標也滿足設計要求。由此可見，采用相對密度法對大壩堆石料填筑質量進行控制是可行的。

(2) 由于坑測試驗具有破壞性，無法獲取堆石料密度的變化趨勢。為此，采用附加質量法對3個連續跟蹤檢測測點進行全過程檢測。從檢測成果來看：附加質量法檢測數據基本反映了堆石料碾壓過程中的密度變化情況，說明采用附加質量法技術獲取最佳施工碾壓參數思路可行，效果良好，也為分析堆石料實際碾壓狀態提供了更為全面的數據支撐。

(3) 在試驗過程中開展了附加質量法與坑測法的對比試驗。從對比的結果來看，在松散鋪料下，附加質量法與坑測法的對比結果相對誤差偏大，隨著碾壓遍數的增加，相對誤差逐步減小。原因是在松散鋪料狀態下振動能量衰減較快，對測試信號有一定影響。今后需要對附加質量法開展進一步研究，以提高在松散鋪料情況下的探測精度。