土石坝的压实标准及应用中存在的问题概要.docx

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土石坝的压实标准及应用中存在的问题概要

土石坝的压实标准及应用中存在的问题

郭庆国

（国家电力公司西北勘测设计研究院工程科研实验院，西安　710043）

李鹏　徐彦文

（陕西省水电工程局，西安　710068）

   关键词：

土石坝；土石料；压实标准；压实度；相对压实度

   摘　要：

土石坝施工的核心是土石料的填筑压实，压实质量的好坏，关键在于能否正确执行压实标准。

本文基于某些工程在执行压实标准中存在一些问题，对此作了简略的分析，以引起注意外，着重对压实标准的定义、条件、相互关系作了较全面的阐述，其目的旨在正确的应用压实标准，确保工程质量。

1　压实标准及有关指标

　　碾压式土石坝的施工，关键工序是对坝体土石料的分层填筑压实，压实效果，用测得的干密度反映出来，所以干密度是设计和施工质控的主要指标。

　　一般当填筑的土石料较为均匀时，性质比较稳定，在同一压实条件下，干密度接近常数值，这时可用某一干密度作为设计和施工质控标准。

但天然土石料往往是不均匀的，在同一压实条件下，干密度指标是不同的，若仍用某一干密度作为设计和施工质控标准，必然出现对易于压实的土石料，压实后的干密度值容易达到，而压实结果是偏松的，对不易压实的土石料，压实干密度不易达到，而压实结果是偏紧密的，这样形成不均匀土石料在同一压实条件下，紧密程度不同，容易发生不均匀变形，危及坝体安全。

鉴于此种情况，在坝体设计中对不均匀土石料，不用某一固定干密度值作为设计和施工质控指标，而是对粘性土用压实度（见

（1）式），对无粘性粗粒土用相对压实度（见（3）（4）式）作为设计标准和施工质控的依据。

式中：

D为压实度；ρd为干密度；ρdmax为最大干密度。

　　由

（1）式看出，D为压实度，是干密度与最大干密度比值，反映相对紧密度的一个无量纲标准值，值的大小，是依据土石坝工程的规模（坝高、工程量、库容等）、重要性（地理位置、效益、作用等），工程等级由规范确定，对某一工程而言，它是一个固定值，代表该土石坝的设计标准；ρd是土料压实后测出的干密度，反映了压实效果的指标值，ρdmax是对该土料用标准压实方法（如ASTMD698方法）［5］测得最优含水量的干密度值，亦称标准压实条件下的最大干密度指标，反映土料的压实特性指标值，ρd和ρdmax为同一种土料在两种压实条件下的两个密度指标值。

按

（1）式关系，只要现场测得压实后的干密度满足

（2）式的质控标准，则压实合格，否则需进行补压处理，直到满足为止。

强调一句，若不是同

　　一土料的两个指标，没有可比性，两者相比没有任何意义。

（2）、（3）、（4）式中：

Dr为相对压实度；ρdmax、emin为最大干密度、最小孔隙比；ρdmin、emax为最小干密度、最大孔隙比；ρd、e0为现场测得压实后干密度，孔隙比。

　　由（3）（4）式看出，Dr为相对压实度（已往称相对密度），它反映了无粘性粗粒土（砂石料）干密度（孔隙比）与最大干密度（最小孔隙比），最小干密度（最大孔隙比）相对关系的紧密度指标，该指标的大小是依据工程规模、重要性、等级由规范决定，对某一土石坝工程而言，是一常数值，反映该土石坝工程的设计标准。

它涉及3个密度指标，其中Pd是现场测得压实后干密度指标，反映压实效果，ρdmax、ρdmin是用标准试验方法（如ASTMD4253［6］）测得的最大、最小干密度指标，反映砂石料的压实特性指标。

强调一点，ρd、ρdmax、ρdmin为同一砂石料不同压实条件下的三个密度指标值，若不是同一砂石料的指标则它们没有可比性，计算的Dr值毫无意义。

只要现场测得压实干密度与该同一砂石料测得ρdmax、ρdmin满足（5）式施工质控标准，则压实结果满足设计要求，该土石坝是合格的。

　　上述两种压实标准的适用范围，按一般习惯，压实度标准多用于粘性土的压实，相对压实度标准用于无粘性粗粒土（砂石料）的压实。

近来有些国家考虑到测定无粘性粗粒土ρdmin的方法为徐徐松填法，不象测ρdmax那样由机械条件控制，测试结果稳定性差，也采用压实度标准。

这里要说明一点，粘性土，无粘性粗粒土皆采用压实度标准时，测定ρdmax值方法不同，粘性土用标准击实试验（如ASTMD698），无粘性粗粒土用振动法（如ASTMD4253）标准试验，其原因，主要是粘性土颗粒间有粘结力的作用，采用击实试验方法效果好，无粘性粗粒土颗粒间没有粘结力，用振动试验方法效果好。

　　压实标准采用压实度或相对压实度的好处，尽管因土石料不均匀，压实后测得的干密度值不同，但或达到同一压实度或同一相对压实度标准，反映出压实后紧密程度是相同的。

2　关于Dr的名称

　　从（3）式看，Dr是（e0－emin）与（emax－emin）之比，是一个无量纲的比值，从（4）式看，Dr是ρdmax（ρd－ρdmin）与ρd（ρdmax－ρdmin）之比，是两个密度量纲（g／cm3）积的比值，成为一个无量纲值。

而密度本身是单体积的质量，是有量纲的如，g／cm3、t／m3等。

一个公式的合理与否，它的数值计算应是严密的，物理量应是清楚的，合理的，故Dr关系式从量纲方面讲，原来称为相对密度是不确切的，从（3）式看，它是反映土体压实后孔隙比与极限孔隙比（最大、最小孔隙比）的相对关系，反映土体压实紧密度的一个指标值，从它本身的定义方面讲将Dr称为相对压实度比称为相对密度更妥当些，再将（4）式与

（1）式相比，前者反映干密度与最大、最小干密度间的相对关系，后者反映干密度与最大干密度的相对关系，两者有相似之处，又有区别之分，既将D称为压实度，这里将Dr称为相对压实度是要更合理些。

　　将Dr称为相对压实度，一是排除原相对密度含量纲的概念，使Dr值的物理量清楚，名称、定义、公式一致；二是反映干密度与极限干密度相对关系的压实紧密度指标；三是与压实度D的含义基本一致，既有相似之处又有区别之分的无量纲的比值指标。

3　相对压实度与压实度的关系

　　相对压实度的定义如（4）式所示：

   将（7）、

（1）式代入（6）式

   Dr＝R／D（8）

　　由（8）式表明，相对压实度与压实度的关系为：

相对压实度为相对压实系数与压实度的比值，或是压实度为相对压实系数与相对压实度的比值，或是相对压实度与压实度之积等于相对压实系数。

4　压实标准使用中存在的问题

　　近来发现在某些地方土石坝建设中，虽然使用了上述的压实标准，但忽视了压实标准的含义和条件，影响正确的确定设计和施工质控指标及评价压实效果。

对此，本文一开始对压实标准的定义、条件、关系等已作了较全面的叙述，这里不妨对出现的问题略举两例，以引起注意，也是有益的，目的在于正确的使用压实标准。

　　例1．某土石坝为粘土心墙砂石坝，在粘土心墙设计中，采用压实标准为压实度D＝0．98，土料用标准击实试验测得最大干密度ρdmax＝1．73g／cm3，按

（2）式ρd＝Dρdmax＝1．695g／cm3，据此设计采用设计干密度ρd＝1．70g／cm3。

后来由于料场变更，土性发生变化，满足不了1．7g／cm3的要求，但因坚持1．7g／cm3不变，为此有人提出用增加功能办法，而采用45击替代25击标准击实试验，也有人提出用掺砂砾料或直接用砾石土代替粘土料等途径满足1．70g／cm3，并用此作为选择土料场的依据。

　　例2．某土石坝的砂卵石坝壳，设计采用的压实标准为相对压实度Dr＝0．8，设计计算采用干密度ρd＝2．24g／cm3，但在压实质控指标的确定中，先是依据料场的勘测资料，由众多的颗粒级配曲线，获得上包线，下包线，平均级配曲线，以这三条级配曲线为基础，分别对每一条曲线料，再人工配制不同粗料（d＞5mm）含量P5的试料，并分别测出各自最大、最小干密度值，如表1所示。

由此资料表明平均级配的密度值最高，而选择了用平均级配资料为依据，确定出以下2种的质控标准：

（1）用干密度值作为质控标准。

由表1资料知，数值最高的为平均级配且P5＝83．1％时ρdmax＝2．4g／cm3，ρdmin＝2．0g／cm3，当Dr＝0．8时用（4）式计算结果ρd＝2．308g／cm3，据此确定出ρd＝2．31g／cm3，为填筑压实的下限标准，即压实后测得ρd≥2．31g／cm3，则合格，否则需要进行补压处理。

（2）用相对压实度作为质控标准。

仍用表1中数值最高平均级配资料并绘制出ρdmax～P5和ρdmin～P5关系曲线，用作质控依据。

当现场测得压实后干密度ρd同时也测得P5筑……压实后的干密度应大于等于ASTMD698［5］标准击实试验最大干密度的100％”；“反滤料填筑……碾压后干密度大于等于ASTMD4253［6］标准试验获得最大干密度的95％。

”该例既明确提出压实度标准的大小，又指明了最大干密度的测定方法，体现了压实度（压实系数）与最大干密度测试标准方法的相关性，统一性。

5　应用中的矛盾及解决的途径

　　如前所述，应用的压实标准中，无论是压实度D，还是相对压实Dr，对某一工程而言，皆为某一常数，但它涉及的同一土石料的几个密度指标值，是随土石料性质不同的变数值，皆需通过实际试验测得，如对粘性土，用现场试验方法测得压实后干密度值（反映压实效果的密度指标），同时对该土用标准试验方法（如ASTMD698）测得最大干密度值（反映压实特性的密度指标）；对无粘砂石料，现场试验测得压实后干密度值，同时对该砂石料用标准试验方法（如ASTMD4253）测得最大干密度值或最大、最小干密度值，有了这2种试验资料，才能按（9）式或（10）式作出质评结果

式中：

D、Dr分别为压实度，相对压实度；ρdmax、ρdmin为与ρd同一土石料由标准试验测得最大、最小干密度。

　　为了正确的作出质评结果，当现场测得压实干密度后，又要对该同一土石料由标准试验测得反映压实特性的最大干密度或最大最小干密度值，这就出现了试验工作量增大，时间、质量的矛盾，现就此问题按土性不同简略叙述如下。

5．1　无粘性砂石料

　　对于无粘性砂石料，一个标准试验，一般1～2h可以完成，在时间上可以满足要求，但由于这种材料的特点是颗粒粗，试验用量大劳动强度高，要达到一一对应的标准试验工作量增大，时间拖长，这是矛盾的焦点。

问题的核心是如何快速的确定标准试验密度指标。

其解决途径有如下2种：

（1）直接试验法。

要取得同一砂石料标准试验条件下的密度指标，矛盾的焦点是工作量大，劳动强度高，其解决途径首先是领导重视试验工作，尽可能的建立距现场最近的试验室，适当的配备运输工具及人员，为及时进行现场试验提供方便，使其能及时的完成标准试验。

这种方法的优点是ρd、ρdmax、ρdmin或ρd和ρdmin为同一砂石料的试验值，质评结果最实际，最直观。

（2）间接近似法。

是先依据砂石料场勘察资料，分析确定出反映料场变化范围的代表性级配，预先对代表性级配料分别进行标准试验，测定出各自的ρdmax或ρdmin，ρdmin值，绘制出ρdmax～P5和ρdmin～P5关系曲线（每一代表性级配有一个P5和ρdmax、ρdmin，不同级配料则有不同的P5…、ρdmax、ρdmin）备用。

当现场测定ρd值亦测出P5值，用此P5值在上述备用的曲线查得与P5相应标准试验值ρdmax、ρdmin值，即可按（9）式或（10）式计算出质评结果。

现举例如下：

之间变化，设计采用的压实标准Dr＝0．8。

依据勘测中测得的许多颗粒级配资料，确定出代表性级配，其方法有几种详见文献［7］，本例仅以其中平均级配法确定出5种（上包线、上平均线、平均线、下平均线、下包线）代表性级配，并分别进行标准试验，测得各自的P5、ρdmax、ρdmin值，如表2所示，并绘制出P5～ρdmax和P5～ρdmin关系曲线。

亦可由已知的Dr、ρdmax、ρdmin，按（5）式计算出ρd0，并绘制Dr＝0．8时P5～Pd0关系曲线，如图1所示。

　　当现场测出压实后P5和ρd后，用P5值在图1上查得ρdmax、ρdmin并代入（9）式计算结果大于等于Dr则合格。

或者看测得ρd大于等于Dr＝0．8时ρd0～P5曲线对应于P5值的干密度ρd0值，则压实合格。

该方法优点利用反映料场变化范围（上、下、平均级配）的ρdmin～P5、ρdmax～P5关系图，能较快的作出质评结果，有利于机械化施工，但它是建立在认为P5值相同，砂石料的性质一致的基础上，其精度没有直接法高，但比直接法能及时作出质评结果。

5．2　粘性土

　　如（10）式所示，要作出质评结果除了现场测得压实后的干密度值外，还要进行室内标准击实试验（如ASTMD698）测得最大干密度ρdmax、问题是用核子密度仪法，测一个现场ρd值，10多分钟即可出成果，一个标准试验需要2～3d时间。

ρdmax值测不出来，是无法作出质评结果，影响土料不能继续填筑，这就是矛盾，尤其是机械化施工水平愈高，这一矛盾愈突出。

如果使用ρdmax值和ρd不是同一土料，影响质评结果的可靠性。

为了解决这一矛盾，许多学者进行了研究，提出了一些有益的方法［8］。

　　经实践认为，其中西尔夫（Hlif）三点击实法较好，击实试验仍是用标准普氏击实法，不但测含水量快速，原理合理如（11）～（15）式所示，一般约2h即可出成果，在时间上可以满足要求，目前在国外较为流行，我国有些工程已经采用，是一种解决矛盾的途径，具体方法详见文献［8］［9］。

　　由（10）知质评判别式为：

式中：

ρd、ρd（1＋ωf）为现场压实后干密度、湿密度；ρdmax、ρdmax（1＋ω0p）为最大干密度、最大湿密度；ωf为现场压实土含水量；ω0p为最优含水量；D为压实度；ω0p－ωf为最优

　　含水量与现场含水量差；

　　采用该种办法，不但解决了ρd、ρdmax是同土料的密度指标，又能较快的作出是否满足压实度、含水量与最优含水量差值的质评结果。

6　设计稳定分析中采用的干密度（或干容重）的确定标准　　

　　在叙述了土石坝工程设计标准（压实标准），施工质控标准之余，不妨顺便简谈一下设计计算干密度指标的确定标准。

　　土石坝设计规范［2］明确指出，“对不含砾或少量砾的粘性土料，以干密度为设计指标，按标准击实试验测得的最大干密度乘以压实系数（压实度）确定”。

如（17）式所示，

　　式中，D为压实度，根据规范确定的一个常数值，ρdmax是由标准击实试验测得最大干密度，当土性均匀时，趋于一个常数值，设计干密度ρd0亦趋于常数值，此时可用ρd0作分析计算和施工质控的干密度指标。

但是自然界的土料是不均匀的，必然是有几组击实试验，有几个ρdmax值和相应的几个ρd0值，在坝体分析中，就不可能对众多的ρd0值，一一进行计算分析，故有一个计算干密度指标的确定问题。

　　目前采用的方法，一般根据土料勘测试验资料，分析整理出平均值、大值或小值平均值。

一般多采用平均值作为设计分析干密度指标，特殊情况从偏于安全计应用小值平均值或大值平均值作为计算指标。

设计干密度指标用平均值，必然约有50％的值低于设计值，其保证率约50％，而施工质控标准一些规范［11］对土石坝质量等级评定中，要求压实标准的D或Dr的合格率大于等于90％为合格工程，合格率大于等于95％为优良工程。

又因设计干密度指标按ρd0＝Dρdmax　　定，压实标准也是按ρd／ρdmax≥D，同属一种标准，但上述计算干密度用保证率的50％，合格率又为90％，显然是不协调的，甚至是不合理的。

为了使确定设计计算干密度指标方法和质控标准要求压实合格率相匹配，笔者建议用保证法确定计算干密度指标，具体方法详见文献［10］，现举例如下：

某土石坝工程为粘土心墙，设计标准采用D＝0．99，反映土料压实性质的标准击实试验有14组成果，按ρdmax值的大小顺序排列，并按（18）式计算保证率如表3所示。

式中：

ni为大于等于某值的组数；n为总组数；P为保证率％。

　　由表3资料看出，该土料标准击实试验测定最大干密度值，最大值为1．68，最小值为1．58平均值为1．64g／cm3反映出土料的不均匀性，若采用ρdmax＝1．68g／cm3确定干密度指标，保证率为14％，若用平均值1．64g／cm3，保证率为57％，若用1．62g／cm3，保证率达85．7％，明显比采用平均值要安全可靠。

　　当采用保证率P＝85％，ρdmax＝1．62g／cm3，设计标准D＝0．99。

则设计干密度指标为

式中：

ρd为压实后土石料干密度；ρd0为设计计算采用干密度。

7　结　　语

（1）压实度D或相对压实度Dr是碾压式土石坝的设计标准。

既体现了土石坝工程的规模、重要性、等级，又保证坝体压实紧密度一致性，均匀性。

以此标准为基础，产生如下标准：

（2）施工质量控制标准：

   （3）计算干密度标准，ρd0＝Dρpdmax

　　上述标准中，ρpdmax为某一保证率时最大密度，ρd是现场测得的干密度，反映压实效果；ρdmax或ρdmax、ρdmin是用标准方法（与D或Dr相匹配的规定的标准试验方法）测定最大、最小干密度值，是标准条件下的最大、最小干密度，反映土石料压实特性指标值。

　　（4）在比较分析中ρd和ρdmax、ρdmin必须是同一土石料，不同压实条件的密度指标值，否则没有实际意义．要作到此点，在施工中存在时间和质量矛盾，尤其是机械化施工水平愈高矛盾愈突出。

为解决这一矛盾，满足质评结果的真实性和机械化施工需要，尽可能采用快速测试方法，在思想上、组织上重视试验工作，防止盲目的追求数量，忽视质量现象，必要时宁可少测一点，也要保证质评结果反映实际。

　　（5）碾压式土石坝一般分为两部分：

一是用无粘性砂石料作为坝壳棱体，主要担负抗滑稳定作用；二是用粘性土作防渗体，主要担负拦水防渗作用，既要满足防渗要求，又要有一定塑性，防止不均匀变形产生裂缝，故对粘性土的压实不是功能愈大愈好，而是适可而止，不能超过极限抗压强度，防止超压密发生剪切破坏，形成渗流通道涉及坝体安全。

实践证明，对于粘性土，室内试验采用标准普氏击实试验方法，获得最大干密度关键性指标。

以此为基数确定的设计标准，计算标准压实标准，满足心墙体的防渗，变形要求，而且和当前施工方法相适应，施工能获满意的合格率要求。

而大功能的修正普氏方法，一般多用在以变形为主的道路或特殊要求工程。

参考文献

［1］SDJ218—84，碾压式土石坝设计规范［S］．

［2］SDJ218—84修改和补充规定，碾压式土石坝设计规范［S］．［3］SDS01—79上册，土工试验规程［S］．

［4］SD128—84第一分册，土工试验规程［S］．

［5］ASTMD698—78，土、混合土含水量与干密度试验标准方法［S］．

［6］ASTMD4253，松散材料最大干密度试验标准方法［S］．［7］郭庆国等．粗粒土的工程特性及应用［M］．郑州：

黄河水利出　　版社，1998．

［8］郭庆国等．结合小浪底土料谈几种快速质控方法的特点和应用［J］．土石坝工程，1997，（4）．

［9］郭庆国等．一种快速合理质控方法的原理与应用［J］．大坝观测与土工测试，1998，

（2）．

［10］郭庆国，孙维卫等．用保证率法确定设计与施工质控标准的方法［J］．西北水电，1999，

（1）．

［11］SL—38—92，水利水电基本建设工程单元工程质量等级评定标准（七）碾压式土石坝和浆砌石坝工程［S］．