三點擊實法在平原水庫質量檢測中的應用

宋德明，張存暖，史新軍

（山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276006）

土壩填筑質量的優劣直接影響著土壩的穩定和安全。壩體填筑質量檢測主要是壓實度實體檢測。壓實干密度的檢測方法一般有環刀法、核子密度儀法、灌水法、灌砂法等，通過測定土層的濕密度和含水率來計算干密度；但壓實度的檢測還必須再進行標準擊實，測定該土的最大干密度，最后計算壓實度。在設計壓實度的范圍內，最大干密度和控制干密度的差值范圍很小，如設計壓實度0.98時，實測控制最小干密度僅比最大干密度小0.04。然而，上壩土料是不均勻的，最大干密度也不可能是一個常數。因此，相應各實測點要做標準擊實測定最大干密度的工作量大，時間長，很不適應上壩土料的施工。

三點擊實法又稱快速壓實控制法，是美國工程師Hilf研究出來的土石料壓實快速質量控制方法,1957年試用，2001年錄用于《碾壓式土石壩施工規范》（DL/T5129—2001）的附錄C4。該法不需要測定含水率，僅在測定密度后用測定密度試驗的土樣做3種含水率的擊實試驗，測定3個擊實濕密度，就可以確定填土的壓實度 （D）和最優含水率與填土含水率的差值（Zm）。壓實度計算公式如下：

式中:ρdf為填土實測干密度;ρdmax為標準擊實最大干密度；ωf為填土含水率。

從（1）式可知：由于含水量相同，所以濕密度比等于干密度比。ρdf(1+ωf)為填土濕密度，用環刀取土稱其濕土重再除以環刀容積即可。ρdmax(1+ωf)為相同含水量土的最大濕密度，土源來自環刀取土的位置。其計算最簡便快速的方法就是三點擊實法。

1 三點擊實法的應用

三點擊實法有圖解法和數解法。圖解法經過多次豎、橫向的畫線定點，累計誤差較大，精度較差，不宜推廣使用。下面只介紹數解法的應用。

1.1 數解法操作方法

1）用環刀法測定填土濕密度ρf。

2）首先取保持原有填土含水率的土樣進行標準擊實，得ρ1,變換濕密度ρ1′＝ρ1/(1+0)。

3）原有填土含水率土樣加水2%,拌勻后標準擊實第 2 點，得ρ2，變換濕密度ρ2′＝ρ2/(1+0.02)。

4）最后取原有填土含水率的土樣加水4%,拌勻后標準擊實第 3 點，得ρ3，變換濕密度ρ3′＝ρ3/(1+0.04)；繪制（ρ1′,0），（ρ2′,0.02）,(ρ3′,0.04)三點拋物線圖。

5）變換最大濕密度（ρm）的計算公式：

6）最優含水率與填土含水率的差值Zm的計算公式：

式中：yb=ρ2′-ρ1′，yc=ρ3′-ρ1′

7）壓實度(D)計算公式：

1.2 數解擴展法操作方法

三點擊實—數解法的使用條件是三個擊實土樣都必須加水（低于最優含水率），并且加水遞增率必須是2%。但是筑壩土的實際情況并非如此。上壩土料大于最優含水率時，必須遞減水2%方可做出三點曲線圖；上壩土料為最優含水率時，必須先加后減方可做出三點曲線圖。因此，原“三點擊實”的檢測方法是有使用限制條件的，為了在任何條件下都能使用三點擊實法檢測壓實度，對三點擊實法進行了擴展使用的研究，即采用數解擴展法操作方法如下：

1）首先取保持原有填土含水率的土樣進行標準擊實第 1 點，得ρ1,變換濕密度ρ1′＝ρ1/(1+0)。

2)原有填土含水率的土樣加水2%,拌勻后標準擊實第 2 點，得ρ2，變換濕密度ρ2′＝ρ2/(1+0.02)。

3）當第2點的變換濕密度小于第1點時，第3點必須將原有填土含水率的土樣減水2%,拌勻后標準擊實,得ρ3，變換濕密度ρ3′＝ρ3/(1-0.02)。

繪制（ρ1′,0），（ρ2′,0.02）,(ρ3′,-0.02)三點拋物線。

4）當填土含水率大于最優含水率時，第2點可以直接將原有填土含水率的土樣減水2%、第3點減水 4%；或者從第 1 點就開始逐級減水 2%；將（ρ1′,0），（ρ2′,0.02）,(ρ3′,-0.04)繪制三點拋物線。

5）當填土含水率小于最優含水率時，可以直接將原有填土含水率的土樣加水2%、第2點加水4%、第 3 點加水 6%。 將（ρ1′,0.02），（ρ2′,0.04）,(ρ3′,0.06)繪制三點拋物線。

1.3 數解擴展法的計算方法

三點加-減水、三點減水、三點加水等情況下的最大變換濕密度計算和最優含水率與填土含水率的差值計算，不能直接使用（2）、（3）式，可以采用三點擊實曲線平移法（參見圖1），將水平坐標的負值部分平移至水平坐標的正值部分后再利用（2）、（3）式計算。最優含水率與填土含水率的差值計算，是平移后利用（3）式計算。因此，算出的最優含水率與填土含水率的差值要加上平移部分。下面驗證平移法的正確性：

1）圖2是依據三點加-減水法擊實數據繪制的三點曲線，進行多項式回歸分析，利用回歸公式計算最大濕密度為1.942。2）同理，依據平移后的三點擊實曲線，進行多項式回歸:Y=-129.5X2+3.92X+1.9124，代入最大濕密度點的加水量值，計算最大濕密度等于1.942。 3）按小—大的順序排列后用（2）式計算最大濕密度也等于1.942。

驗證表明：因為水平移動不影響曲線的縱坐標值。所以，任意條件下的三點擊實最大濕密度計算可以直接采用(2)式計算，但是ρ′1，ρ′2，ρ′3必須按小—大的順序排列。最優含水率與填土含水率的差值計算也可以采用（3）式計算，但是必須將計算結果加最大減水量值（水平移動的部分）。

2 三點擊實操作中容易出現的錯誤

2.1 形不成三點曲線

越加水擊實濕密度越大，直線上升。原因：填土含水量過低，加水量增加到4%時還未超過最優含水率。因此，曲線無下降拐點。填土含水量過高時擊實曲線也形不成三點凸線 （見圖3）?；蛱钔梁窟^高，減水量減到2%時還未低于最優含水率。因此，曲線無拐點。

2.2 加水反弧線（見圖4）

原因是未執行“第2點小于第1點時，第3點應減水”的重要原則。第3點不應當加水，而應當減水。

2.3 減水反弧線（見圖5）

原因是未執行“第2點大于第1點時，第3點應繼續加水”的重要做法。第3點不應減水，而應加水。

2.4 弧線平滑

填土含水率大，第3點減水太少（3點的濕密度應低于1點）。同理，填土含水率小，第3點加水太少，都形成平滑弧線。

3 最大濕密度的計算方法

3.1 三點加水擊實法最大濕密度

首先計算濕密度，變換濕密度的計算是點不加水形成反弧將濕密度除以（1+加水量）。變換最大濕密度可直接用（2）式計算。

3.2 填土減水情況下三點擊實的最大濕密度

填土減水情況下的三點擊實最大濕密度可以直接利用（2）式計算。 但是必須將 ρ′1，ρ′2，ρ′3按小—大排列，計算如表1示。最優含水率與填土含水率的差值計算也可以采用（3）式計算。但是必須將計算結果加上最大減水量值（Zmax）水平移動的部分。

表1 填土減水情況下三點擊實的最大濕密度計算表

最優含水率與填土含水率的差值為負值時，表明上壩土料含水率大于最優含水率；為正值時表明上壩土料含水率小于最優含水率。

3.3 非常情況下的計算

1）填土含水量大于最優含水率3%時。減水2%后還未出現凸型曲線時，再繼續減水4%形成凸型曲線（見圖6）。去掉加水的第2點，重新按小—大順序排列 ρ′1，ρ′2，ρ′3。最大濕密度可以直接利用（2）式計算。最優含水率與填土含水率的差值計算，必須將計算結果加上最大減水量值。

2）填土含水量小于最優含水率4%時。連續2次加水至4%后還未出現凸型曲線時，再繼續加水6%后形成凸型曲線。去掉第1點，繪制3點擊實曲線圖，最大濕密度直接利用（2）式計算，最優含水率與填土含水率的差值計算，必須將計算結果加上0.02（加水量值水平移動的部分）。

3.4 三點擊實的數量

在上壩土料不均勻的情況下宜采用三點擊實法，每個測點做出相應的最大濕密度，計算出的壓實度具有客觀真實性。但是，每個環刀取樣都做“三點擊實”會增加了檢測的工作量。為此，建議以“單元工程為檢測批”進行實測濕密度統計分析：以濕密度的平均值暫定為0.98的壓實度，平均值/0.98＝合格上限值。濕密度＞合格上限值為上限不合格批;：濕密度＜平均值為下限不合格批。對上、下限不合格批的濕密度再按0.04的級差進行加(或減)細分類。統計各分類的檢測組數，按每個實測濕密度的分類最少做一組“三點擊實”，最后統計需要“三點擊實”的數量如表2示。

表2 用濕密度實測統計資料確定三點擊實數量分析表

值得提醒的是每個檢測點在環刀取樣的同時必須取三點擊實試驗用土，并做好土料與環刀取樣的記錄標簽，密封保護送至試驗室。試驗室按照不合格類別的檢點找出相應密封的三點擊實試驗土樣加做“三點擊實”。這樣，一個單元工程的壓實度檢測大約20～30個測點，需要三點擊實試驗的8個左右。

4 結語

一個完整的三點擊實試驗過程大約需要1 h左右的時間，最快速度40 min。其計算方法及曲線圖的繪制，已編制成程序，可適用于任何含水率狀態下的三點擊實成圖和計算，現正在南水北調山東段的三個平原水庫圍壩施工中應用，效果良好。