水利工程质量控制中砂砾料相对密度试验方法运用分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 22 日 作者简介：崔朋（1989），男，河北蠡县人，2011 年毕业于北京中医药大学东方学院公共事业管理专业，2017 年取得水利水电工程工程师职称，2021 年毕业于河北水利电力学院水利水电工程专业。-29-水利工程质量控制中砂砾料相对密度试验方法运用分析 崔 朋 河北广宸建筑工程检测有限公司，河北 保定 071051 摘要：摘要：砂砾料作为一种分布范围广、性能指标优良的无粘性粗粒料，被广泛应用到水利工程中，为避免砂砾料在使用过程中，因相对密度不足，影响工程质量。本文先对不同砂砾料相对密度试验方法再生成的实验结果进行研究，然后结合不同水利工程，砂砾料相对密度测试情况，分析将砂砾料应用到水利工程，开展相对密度试验的方法，以期为水利工程施工建设项目的推进提供参考。关键词：关键词：水利工程；质量控制；砂砾料；相对密度 中图分类号：中图分类号：TV544 0 引言 现行国家级行业规范中，确定砂砾料的相对密度方法有两种，一种是室内相对密度实验法，另一种是现场原型及配料测定相对密度实验法，上述两种方法在实际应用过程中，有各自优缺点。为保证水利工程项目中应用的砂砾料相对密度测试方法，能够满足要求，应在明确水利工程项目实际需求的基础上，开展方法应用成效的研究，确定最适合水利工程项目施工活动试验方法。1 相对密度试验 为了提升水力源管控、利用工作的可靠性，近年来我国水利工程项目施工建设投资不断增加，为我国洪涝灾害管控、农业水利应用等工作的开展提供了有力的支持。砂砾石是水利工程施工建设中不可或缺的建材之一，水工混凝土面板堆石坝设计规范（SL228-2013）中明确指出土石坝砂砾石料在开展大坝填筑施工时的控制标准，需要以土石坝高度的不同加以调整，具体来说，在当土石坝的高度低于 150m 时，相对密度的控制标准为 0.750.858，高度在 150200m 之间时，相对密度的控制标准为 0.850.90。但需要注意的是，上述规范中并未明确指出测定砂砾石料相对密度的具体方法，因此工作人员在实际测试过程中，会随机选用室内相对密度实验或现场原型级配料测定相对密度实验法开展实验工作，但受到砂砾料最大粒径、级配、最大干密度、试验机理因素存在差异的影响，最终得到的相对密度测试指标会出现较大的差别。为了解决上述问题，则需要对两种试验方法加以比较1。1.1 相对密度级配试验 在当前的水利工程中，可以结合地勘资料确定设计线沙粒料级配，同时，可以在料源复查时确定实测级配线，上述两种级配方式均为现场原级配线工作，为提升配线工作的准确性，可以采用室内或室外相对密度试验级配线。1.1.1 室内相对密度试验级配线 在开展室内相对密度实验时，工作人员可以以DL/T5356 或 SL237 中粗粒土相对密度实验方法开展实验操作。在实际实验活动中，需要以室内试验桶的尺寸为基础，采用等量替换法，对砂砾料的原型及配料进行缩尺处理。一般情况下，砂砾料缩尺后的最大粒径为 80mm，缩之后的级配情况如表 1 所示。表 1 砂砾料设计级配等量代换表 粒径（mm）小于某粒径的百分比数（%）80 60 40 20 10 5 2 1 0.5 0.25 0.075 P5含量71%100 91.5 76.6 55.5 39.7 29.0 20.8 17.7 13 6.9 2,0 P5含量79%100 88.8 72.5 47.6 31.3 21.0 17.0 13.5 9.5 4.8 1.5 P5含量83%100 86.0 69.1 41.6 26.5 17.0 13.4 11.0 8.0 4.3 1.3 P5含量87%100 82.6 65.2 34.9 21.5 13.0 9.9 8.5 6.5 3.8 1.2 中国科技期刊数据库 工业 A-30-表 2 砂砾料实测级配表 粒径（mm）小于某粒径的百分比数（%）300 200 100 80 60 40 20 10 5 2 1 0.5 0.25 0.075 P5含量71%100 98.4 98.0 84.2 77.6 66.0 49.6 37.3 29.0 20.8 17.7 13.0 6.9 2.0 P5含量79%100 97.9 82.1 76.2 68.4 57.0 39.6 28.2 21.0 17.0 13.5 9.5 4.8 1.5 P5含量83%100 95.7 76.0 69.6 60.7 50.0 32.6 23.0 17.0 13.4 11.0 8.0 4.3 1.3 P5含量87%100 93.5 70.0 63.0 53.0 43.0 25.6 17.9 13.0 9.9 8.5 6.5 3.8 1.2 表 3 室内相对密度实验结果 干密度（g/cm3）砾石含量（%）65 71 75 77 79 83 87 最大干密度 2.240 2.361 2.382 2.371 2.344 2.277 2.224 最小干密度 1.940 1.981 1.986 1.980 1.968 1.929 1.898 表 4 现场原型级配料测定相对密度试验结果 干密度砾石含量 71%79%83%87%最大干密度（g/cm3）2.341 2.385 2.406 2.376 最小干密度（g/cm3）2.000 2.032 2.406 1.996 最大粒径（mm）260 270 280 295 1.1.2 室外相对密度试验级配线 某工程项目的料场复查实测级配线如表 2 所示，通过分析可以发现，室外相对密度试验中应用的砂砾料级配线与实测线保持一致。1.2 试验方法 1.2.1 室内相对密度实验 相应标准 DL/T5356 或 SL237 规程中均指出了室内相对密度实验的具体方法，在开展莎莉时相对密度测试时，室内相对密度实验方法可以先对给定的原级配料进行缩尺处理，此时最大限制粒径为 60mm，然后应用室内振动台法确定砂砾石的相对密度。为切实了解这一技术方法的应用价值，本文采用了砂砾石含量分别为 65%、71%、75%、77%、79%、83%、87%的室内相对密度试验砂砾石开展振动法相对密度实验活动，试验结果如表 3 所示。受数学模型建立偏差的影响，室内相对密度实验方法很难取得较为真实的控制标准。因此，在实际的水利工程项目施工活动中，规范的不确定性会导致工程项目执行过程中出现较大的偏差，降低砂砾石的压实效果，导致水利工程填筑体的沉降量偏大2。1.2.2 现场原型级配料测定相对密度试验方法 参照 NB/T35016 中的现场原型级配料测定相对密度试验方法开展水利工程砂砾石相对密度测试工作时，砂砾石的最大粒径可以达到 600mm。由于大部分水利工程施工建设环节应用的砂砾石粒径在200600mm之间，因此这种试验方法有着较高的应用范围。在实际应用过程中，可以以料厂实测及配线为基础，应用NB/T35016-2013 中的沙粒石料原级配现场相对密度实验开展测试工作，测试结果如表 4 所示。需要注意的是，尽管这一技术方法在应用时有着试验工程量偏大、技术要求较高的特点，但相较于室内相对密度实验，这一试验方法测得的相对密度与水利工程中的实际砂砾石相对密度有着较高的吻合度3。1.3 室内外砂砾石相对密度最大、最小干密度试验成效 1.3.1 室内砂砾石相对密度最大、最小干密度试验成效 以相关实验规程为基础，结合过往工程实践经验，为解决砂砾石料填筑碾压施工活动中相对密度大于一的问题，提高现场控制标准的合理性，部分水利工程项目在实际的砂砾石相对密度实验过程中，会在室内最大最小干密度实验成果的基础上，采用三点近似法、系列延伸法、渐近线辅助法等技术方法确定现场控制的标准。某水利工程碾压实验活动中，工作人员就采用了三点近似法对室内最大，最小干密度进行了分析，并开展了数学模型修正工作，具体推算结果如表 4 所示。中国科技期刊数据库 工业 A-31-表 4 砂砾料室内相对密度最大、最小干密度试验成果表 干密度砾石含量 71 79 83 87 最大干密度（g/cm3）2.360 2.392 2.406 2.356 最小干密度（g/cm3）2.000 2.032 2.046 1.996 表 5 砂砾料室外相对密度最大、最小干密度试验成果表 干密度砾石含量 71 79 83 87 最大干密度（g/cm3）2.360 2.408 2.394 2.322 最小干密度（g/cm3）2.000 2.032 2.046 1.996 表 6 甲水利工程中砂卵石平均级配料不同砾石含量最大最小干密度试验结果表 砾石含量 P5（%）20 40 60 72 78 83.1 90 95 最大干密度（g/cm3）1.93 2.09 2.26 2.36 2.39 2.40 2.36 2.26 最小干密度（g/cm3）1.72 1.87 2.00 2.03 2.02 2.00 1.97 1.92 表 7 甲水利工程坝壳砂卵石料压实质量控制标准表 砾石含量 P5（%）60 72 78 83.1 90 相对密度及其对应的干密度 相对密度 填筑干密度（g/cm3）0.7 2.175 2.250 2.266 2.264 2.215 0.8 2.203 2.286 2.306 2.308 2.255 0.9 2.231 2.322 2.347 2.353 2.297 在分析室内砂砾石相对密度最大、最小干密度试验成效的过程中，可以发现室内结果比现场原配线最大干密度下降了 0.024，若以室内实验结果为控制标准，那么现场压实厚度会有所降低。因此，可以认为直接采用室内缩尺后的实验成果作为压实标准，将会导致水利工程项目的现场控制标准无法满足工程项目的实际需要，增大安全隐患的出现概率，尤其是在超过两百米的水利工程中，室内实验项目测得的控制标准，仍需开展进一步的优化升级工作4。同时，在应用密度桶法开展砂砾料原型级配相对密度实验时，可以发现试验结果为基础测得的推算结果得出的最大干密度对应砾石含量有所下降，考虑到推算模型不同，因此砾石含量下降量也存在一定的差异。以某水利工程碾压实验数据分析情况为例，通过分析室内相对密度实验后砂砾石碾压情况可以发现，现场碾压实验活动中，若砂砾石相对密度测得最大值为2.33g/cm3，最小值为1.84g/cm3，实际的相对密度为 1.031.84g/cm3，洒水量为 10%，铺料厚度为 60.9cm，采用脱式振动碾压机碾压 12 次后，相对密度最大值为 1.03，最小值为 1.0，检测中发现出现了相对密度大于 1 的数据，因此可以认定本次测试工作中砂砾石最大干密度与最小干密度值并不符合施工现场圆形及配料的碾压工况5。1.3.2 室外砂砾石相对密度最大、最小干密度试验成效 为了解室外最大、最小干密度试验成效，工作人员构建了现场原型级配料测定相对密度试验模型，并通过对室外砂砾石原料级配现场最小、最大干密度加以分析的方式，得到了如 5 所示的试验成果表。2 工程应用实例 2.1 施工现场含水率检测 考虑到在沙砾时无粘性粗粒土填筑施工活动中填注料的湿密度检测方法一般为灌砂法或灌水法，如果现场检测得到的湿度小于 5mm 料的含水率，那么可以得到小于 5mm 料含水量与全量含水率的关系曲线（如图 1 所示），为后续干密度计算工作的开展提供含水率参照。图 1 不同含砾量的全料与小于 5mm 料的含水率关系图 2.2 相对密度试验方法 为了解砂砾料相对密度测试方法在当前水利工程施工活动中的具体成效，本文以甲、乙、丙三个水利工程为基础，确定了砂砾料相对密度实验方法对水利工程质量管控工作产生的影响。2.2.1 甲水利枢纽工程 甲水利枢纽工程在测试沙砾石相对密度时应用了密度桶法，该实验过程中的密度桶的直径为 120cm，高 中国科技期刊数据库 工业 A-32-表 8 甲水利工程大坝坝壳砂卵石料压实取样结果统计表 取样组数 1 8 468 980 4 砾石含量 P5（%）5060 6070 7080 8090 90100 干密度（g/cm3）最大值 2.21 2.34 2.39 2.40 2.37 最小值 2.21 2.25 2.26 2.27 2.27 平均值 2.21 2.30 2.33 2.33 2.33 表 9 乙水电站坝壳砂卵石料压实质量控制标准表 砾石含量 P5（%）45 55 60.5 66.4 70 72.3 75 80 85 90 相对密度以及对应的干密度 相对密度 填筑干密度（g/cm3）1.0 2.143 2.233 2.288 2.340 2.379 2.397 2.418 2.387 2.343 2.287 0.9 2.11 2.2 2.254 2.305 2.341 2.356 2.373 2.341 2.296 2.24 0.8 2.08 2.17 2.22 2.27 2.3 2.32 2.33 2.3 2.25 2.19 0.7 2.05 2.14 2.19 2.24 2.27 2.28 2.29 2.25 2.21 2.14 最小值 0.0 1.870 1.944 1.991 2.035 2.048 2.045 2.030 1.992 1.942 1.874 表 10 砂卵料取样统计分析表 取样组数 11 14 50 48 12 砾石含量 P5（%）5060 6070 7080 8090 90 干密度（g/cm3）最大值 2.18 2.33 2.41 2.34 2.29 最小值 2.17 2.28 2.30 2.24 2.23 平均值 2.18 2.31 2.35 2.31 2.26 表 11 丙水电站中砂砾石不同砾石含量最大最小干密度试验结果表 砾石含量 P5（%）58.0 63.0 68.0 72.5 79.9 85.1 91.0 95.6 最大干密度（g/cm3）2.241 2.341 2.425 2.40 2.35 2.32 2.256 2.19 最小干密度（g/cm3）1.872 1.877 2.033 1.997 1.995 1.992 1.897 1.792 表 12 砂卵料取样统计分析表 取样组数 1 29 147 1 砾石含量 P5（%）实测 70.2 7080 8090 90 干密度（g/cm3）最大值/2.35/0.98 2.37/0.97/最小值/2.30/0.85 2.23/0.85/平均值 2.34/0.87 2.32/0.89 2.28/0.88 2.23/0.90 度为 100cm，厚度为 12mm，实验结果如表 6 所示。现场原级配实验结果现场砂卵石料控制标准，如表 7 所示。在该工程项目建设活动中坝壳料填量达到了 341万 m3，为了解相对密度检测工作的质量，现场取样 1317组。试验结果如表 8 所示。对表 8 加以分析，可以了解到本次实验满足设计相对密度 0.80 的要求，合格率100%，且现场检测结果相对密度并不存在超一现象。2.2.2 乙水电站工程 如表 9 所示为应用密度桶法测定乙水电站工程施工现场砂卵石料原级配的实验结果。在施工建设过程中，乙水电站共填筑了 90 万 m3的砂砾料，为了解砂砾料填筑效果，工作人员共取了177 组样品，得到了如表 10 所示的实验结果。通过分析可以发现，在本次工程项目中，砂砾料的相对密度不小于 0.8，最大值为 1.0，平均相对密度为 0.87，因此，本次砂砾料相对密度符合工程项目施工建设的实际需要，相对密度实验合格率为 100%。2.2.3 丙水电站工程 如表11所示为应用密度桶法测定丙水电站工程施工现场砂卵石料原级配的实验结果。在施工建设过程中，丙水电站共填筑了 60 万 m3的砂砾料，为了解砂砾料填筑效果，工作人员共取了178 组样品，得到了如表 12 所示的实验结果。通过分析可以发现，在本次工程项目中，砂砾料的相对密度不小于 0.85，在实际测量工作中，最大值为 0.98，平均相对密度为 0.87，因此，本次砂砾料相对密度符合工程项目施工建设的实际需要，相对密度实验合格率为 100%。中国科技期刊数据库 工业 A-33-3 结论 总而言之，在当前的水利工程施工建设过程中，部分施工人员会直接依据事宜内试验结果和设计规定参数，确定砂砾料的现场控制标准，这使得在实际施工活动中出现了施工现场检测结果与相对密度大于一的现象。这一现象与工程实际状况不符，这必然会对工程项目的最终施工建设质量造成不利的影响。现阶段为保证水利工程项目的施工建设安全，可以砂砾料原级配料现场相对密度实验应用到实际施工中，确保相对密度检测工作能够真实反映砂砾料的压实性能，为砂砾料施工现场管控标准的制定提供有力的支持。参考文献 1葛娟.浅析筑坝砂砾石料原型级配相对密度试验J.地下水,2022,44(5):139-141.2林三熙.堤防工程施工砂砾料质量控制方法J.黑龙江水利科技,2021,49(9):187-188.3刘凯,王剑飞.基于室内振动台法粗粒土最大干密度试验研究J.云南水力发电,2023,39(7):103-105.4王龙,李彦坡,王志坚等.阿尔塔什水利枢纽混凝土面板堆石坝筑坝砂砾料相对密度试验及工程应用J.水利水电技术,2018,49(S1):21-26.5王红刚.砂砾石原级配现场相对密度试验J.四川水力发电,2019,38(3):41-44.