砂砾石最大\最小干密度与P5(含砾率)关系曲线的推求及在工程中的应用

摘要：本文通过对天然砂砾石料参配细料并进行碾压试验的方式，分析了最大、最小干密度和砂砾石级配之间的关系，寻找出一种砂砾石碾压的近似控制标准，并在工程上得到了引用。

关键词： 砂砾石坝最大干密度相对密度

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

随着砂砾石坝设计理论的进一步完善，由砂砾石填筑的高坝不断涌现。在设计和施工过程中，根据现场的施工设备和料源情况，在满足设计指标的前提下，尽可能的选择较大的控制粒径dmax和充分利用各种不同的料源进行填筑，对于减少土地占用、减少弃料，减低工程造价有着显著的效用。

砂砾石坝壳料填筑的压实标准以相对密度作为控制指标，相对密度的定义为：

Dr= ρdmax(ρd0-ρdmin)/ρd0(ρdmax-ρdmin)

上述公式中的Dr由设计单位给出，ρdmax、ρd0和ρdmin均为施工前通过室内或现场试验取得，上述三个指标与压实方法有关外，主要决定于砂砾石自身的颗粒级配组成，即粗料含量、最大粒径、颗粒性质、形状等因素。对于料源组成相对稳定单一料场，采用一组固定的指标对填筑进行控制是可行的，但是对于来源比较复杂、颗粒级配差别较大以及多个料场的料源，继续采用一组固定的指标对填筑进行控制，则经常出现尚未完成设定的碾压遍数，相对密度已经大于1或反复碾压也达不到设计指标的现象发生。因此，根据不同料源的颗粒级配组成，寻找一种与不同料源相匹配的方便快捷和近似的控制指标作为坝体填筑标准成为一个亟待解决的现实问题，本文根据国内已建工程的经验，结合新疆玛纳斯河肯斯瓦特水利枢纽工程的实践，对上述问题进行了探讨。

肯斯瓦特水利枢纽工程位于新疆玛纳斯县和沙湾县的界河—玛纳斯河的上游，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电的综合性水利枢纽工程，最大坝高129.4m，砂砾石料总填筑量约710万m3。坝壳料的主料场C2—1和C2—2位于坝体上游右侧的一级阶地的古河槽左右岸，C3备用料场位于二级阶地上的耕地内。通过初步设计阶段的勘探发现，两块主料场总储量基本满足坝体填筑需要，但是随着料场平面位置以及同一位置的不同深度 料源的颗粒级配组成有着巨大的差异，其中最上层的10m深度为砂砾石层，最大粒径约60cm，粗粒料（d0≥5mm）含量在72%～76%之间，级配连续；10m至22m深度为漂石层，最大粒径约80cm，粗粒含量86%～82%之间，级配基本连续；22m至34m深度为泥质胶结砾岩层，最大控制粒径40cm，粗粒含量69%～86%之间，级配连续。下面就上述三种不同坝料以及应用在坝体不同部位的最大、最小干密度的试验方法分析如下：

一、超径粗粒料砂砾石料控制标准的确定

根据设计单位提出的技术指标，上述三种砂砾石料均可作为坝壳料使用，通过对上述三种砂砾石料的级配曲线对比，可以发现，三种材料中，除最大粒径和细颗粒（dmin

1、筛分和配料

在料场选择合适的位置，分别挖取上述三种砂砾石料各300m3，通过振动筛将粒径小于5mm的细料全部筛除，以每种料上、下包线粗颗粒（或细颗粒）含量作为边界，分别选择dmin

2、试验场地

在料场选择一块较为平整的场地，使表面平整度小于10cm，按照9组不同级配料考虑场地大小，共分为9个条带单元，每个单元尺寸5m×4m，周围填2m宽约束料，场地布置如下图所示。

3、碾压

按照拟定的松铺厚度90cm，砂砾石料采用推土机平整后退法铺料。根据振动压实理论，强震具有较高的穿透能力，影响深度大，有利于压实中间至底层的压实；弱振具有较高的能量，有利于压实层中间至表面的压实，对人工参配料碾压试验先不开振动静碾1遍，再强振18遍，在震动过程中应防止颗粒离析现象，适当调整振动频率，通过测定其沉降率至0时，认为级配料达到最大密实度，可停止振动碾压。

4、密度测定

最小干密度采用人工松填法测定，本工程试桶直径160cm，高度为80cm，与碾压后最大堆石铺土厚度相同，开始碾压后，每强振2遍后测定干容重，强振18遍后，通过测定其沉降量为0时，测定其最大干密度。

5、结果分析

在上述试验的基础上绘制最大、最小干密度与P5关系曲线（图2）、粗颗粒含量与相对密度关系图（图3）、最大粒径Dmax与相对密度关系图（图4）

由图2和图3上看出，ρdmax—P5与ρdmin—P5关系上有着相似的规律，两者皆有明显的峰值点，在峰值点前密度随着P5含量的增大而增大，在此阶段，细颗粒占主体，粗颗粒砾石分散在细颗粒当中互不接触。当P5的含量增至峰点时，粗颗粒骨料相互接触形成一个完整的骨架，细颗粒又能填满空隙，出现干密度最大的峰值点，此峰点反映出粗、细料含量的比例最佳，称为最优砾石含量用[P5]表示之，在峰点之后，P5>[P5],由于粗骨料含量增大，空隙也增大，相应细料含量减少，填不满空隙并具有架空料的特点，出现密度随砾石含量增大而减小。同一料场、同一dmax的砂砾石，不仅ρdmax—P5与ρdmin—P5关系曲线平行和相似，而且最优砾石含量 [P5] 也接近，说明，在同一料场，最大砾石粒径相同的情况下，即使砾石含量不相同，他们的性质也基本相似，尤其在同一砾石含量情况下，级配也基本一致，同时也说明在不同的P5（粗颗粒含量）下ρdmax和ρdmin差值基本为一常数，即：ρ=ρdmax—ρdmin。

从图4上可以看出，最大粒径不同的砂砾石，其ρdmax—P5、ρdmin—P5曲线和最佳砾石含量[P5]略有不同，，并随着最大粒径dmax的增大而略有增大，例如，当dmax=400mm时，[P5]约为67%，当dmax=600mm时，[P5]约为73%，当dmax=800mm时，[P5]约为78%。以上数字说明P5曲线随着最大粒径dmax不同而发生变化，这是由于由于最大粒径的增大，粗颗粒的砂砾石相互填充的几率也在增加，粗、细颗粒的分界线有可能随着dmax的增大而增大，如果仍然以原来的d=5mm作为粗细颗粒的分界线，则必然出现[P5]随着dmax增大而增高。

二、P5关系曲线在工程上的应用

通过对上述的试验结果的分析比较，初步了解了砂砾石最大、最小干密度与粗颗粒含量P5及最大粒径最大粒径之间的关系及变化趋势，为在不同最大粒径和粗颗粒含量条件下，快速确定砂砾石坝壳料的碾压标准创造了条件。首先，分别绘制dmax=400mm、600mm、800mm条件下的最大干密度ρdmax、最小干密度ρdmin以及Dr=0.85时的控制干密度ρd0与粗颗粒含量（或细颗粒含量）曲线图，再根据地勘或现场筛分资料，在与最大粒径对应的曲线图上，按照粗颗粒含量查找出所对应的干密度（Dr=0.85）最为最低控制标准，在现场坑试检验时，将现场所检测得到的干密度ρ放在对应的图表中进行比较，如果该点落在ρdmax—P5与ρd0—P5曲线之间，说明砂砾石干容重已大于设计相对密度Dr所对应的干容重，碾压质量合格，否则为不合格，需要重新碾压直至合格标准。在实际应用当中，需要定期测定砂砾石最大粒径和粗颗粒含量，并根据测定的结果及时调整控制标准，以避免填筑质量的降低。

参考文献：

【1】史彦文．大粒径砂卵石最大密度的研究【J]．土木工程学报，1981(2)：53．58．

【2】刘贞草．大粒径粗粒材料相对密度试验研究【J】．土石坝工程．1987(2)．

作者简介：王军，男，1969年出生，祖籍四川，水利工程师，大学本科，一直从事水利水电工程建设管理工作。