土石坝工程施工材料的试验与检验.pdf

第二十一章 土石坝工程 施工材料的 试验与检验 土方工程的主要施工过程是开挖、运输和填筑。土方工程施工，根据不同的自然和物资 条件，可以采用人工、机械、爆破或水力机械等方法进行。水利工程中，土方工程量往 往很大，选择恰当的施工方法和机械设备，合理地组织施工，加快工程进度，对保证工 程质量和降低工程造价，十分必要。 第一节土方工程施工材料的试验与检验 一、土的施工分级 从广义上讲，土包括土质土和岩石两大类。在土方施工中，按开挖的难易程度将 土、石综合分为十六级，其中!“级属土质土，即狭义的“土” （表 “# $ #，#! %$ 级属岩石。不同级别的土应采用不同的方法和设备施工，其施工定额和单价亦不同。 表 “# $ #土的分级表 土的等级土的名称 自然湿容重 （指孔隙完全被水充满时土的密度，以 $% . “0、干密度!= (,#第二十一章土石坝工程施工材料的试验与检验 和浮密度!。一般试验室应测定土的天然密度!、土粒比重 !“和含水率“，根据这三项 基本物理性指标，可换算其他各个指标，换算公式见表 #$ % （4） “+:; - !2! “（$ . /0/$“ ） % ! !2! 6 $/4 是黏性土呈可塑状态的上限含水率；塑限“?是黏性土呈可 塑状态的下限含水率；缩限“ “是黏性土从半固体状态继续失去水分过渡到固体状态时， 体积不再收缩的含水率。 （#）塑性指数。塑性指数 %?意义为液限“与塑限“?的差值，一般以百分数的绝 79$新编水利水电工程项目竣工资料编制与规范管理实用手册 对值表示： !“!#$!% 塑性指数是黏性土如在可塑状态的含水率变化范围，在一定强度上综合反映了影响 黏性土特征的多种重要因素，因此工程上常接塑性指数对黏性土进行分类，按塑性指数 !%值，将黏性土划分为黏土及粉质黏土两类。 （ $9# 式中，$*#、$:#、$9#分别为土的级配曲线上粒径累积质量分别占总质量 *#、:#和 9#的粒径。 （+）用表 +* , *+ 所列符号的组合表示土类，方法如下： “用两个符号组合时有下列情况： 前一个符号表示土的主要成分，后一个符号表示土的级配或性质。例如：-) 不良级配砾；05 粉质土（中液限） 。 前一个符号表示土的主要成分，后一个符号表示土的副成分。例如：-0 含粉 质土砾；. , / 微含黏质土砂。 #用三个符号表示土类时，第一个符号表示土的主要成分，第二个符号表示土的性 质，最后一个表示“含砾（砂） ” 。例如：/4%*新编水利水电工程项目竣工资料编制与规范管理实用手册 是粗粒土还是细粒土；最后进一步细分类。 （!）对无机土，首先筛除大于 “#$ 的卵石、碎石等，记录按质量计的含量百分 数。小于 “#$ 的土样按颗粒大小分析试验中的筛分析法进行颗粒分析。最细筛号为 #%#）无机土按其液限划分为三类，见表 !/ 3 /(。 表 !/ 3 /(无机土类别 液限$8（)） : *!*! + !“ 黏质土（中液限） 48 黏质土（低液限） 5= 粉质土（高液限）5 粉质土（中液限） 58 粉质土（低液限） 典型土名称 黏土等 黏质粉土等 粉质黏土等 粉土等 砂质黏土等 砂质粉土等 ;/第二十一章土石坝工程施工材料的试验与检验 （!“）在细粒，土中如夹有砾（砂） ，当含量为 #“$ % “6=“!. “ 3#第二十一章土石坝工程施工材料的试验与检验 （!）碎（砾）石类土料质量应符合表 “# $ “% 的规定。 表 “# $ “%碎（砾）石类土料质量指标 序号项目 指标 防渗体土料均质坝土料 #&!含量（ !(）宜 ) *+, “黏粒含量占小于 !( 的 #!, - .+, %最大颗粒粒径) #!+( 或不超过碾压铺垫层厚 “/% .塑性指数#+ - “+ !渗透系数 碾压后 ) # 0 #+$ !1(/2，并应小 于坝壳透水料的 !+ 倍 碾压后 ) # 0 #+$ . 1(/2 * 有机质含量（以重量 计） ) “,) !, 3水溶盐含量) %, 4天然含水率与最优含水率或塑限接近者为优 （二）黏性细粒土的压实控制标准 黏性土的压实标准用压实度和含水率控制。 （#）在室内用标准击实（击实功能 *+.56/(%）确定最大干密度和最优含水率； （“）用设计要求的压实度确定填筑干密度。 （%）确定施工控制含水率范围。 从击实曲线得到的最优含水率仅是一个值，而实际天然含水率总是在某一范围内变 动。因此，为适应施工的要求，必须围绕最优含水率规定一个范围，即含水率的上、下 限。 含水率上、下限的确定，应结合击实曲线、土的天然含水率、塑限和施工碾压情况 综合确定。一般上限不宜超过最优含水率（或塑限）“, - %,，下限一般不低于 “,， 最好接近天然含水率。 4*#新编水利水电工程项目竣工资料编制与规范管理实用手册 （三）黏性粗粒土压实质量普氏击实试验控制 !“ 压实质量控制 填筑的土体压实质量控制，概括起来主要有以下几个方面： （!）确定压实标准。黏性土、黏性粗粒土的压实标准，通常是用压实度 ! 表示： ! # ! $% !&( ) !*+ 式中 ! $% 填筑压实土体要求干密度，,-.&/； !&( 标准击实测定的最大干密度，,0.& /； ! 的大小是根据工程规模、重要性按有关设计规范确定的。当 ! 确定之后，质量 控制的干密度指标! %# !%&(。只要压实后土体干密度等于或大于最大干密度（由标 准击实试验确定）和压实度的乘积时，则满足压实质量要求。 （1）对用于填筑的黏性粗粒土样，进行室内标准击实试验，确定出最大干密度和相 应的最优含水率。 （/）填筑前在料场控制填筑土料的含水率，必要时需进行水分调节，使含水率在最 优含水率左右，一般控制在最优含水率 2 1+ 3 4 /+范围之内。 （5）按工程重要性、压实标准、填筑强度等确定施工方法和压实机械。 （6）结合填筑料和压实机械等，按确定的施工方法，进行填筑试验，确定出铺土层 厚、振动频率、压实遍数等压实参数。 （7）待上述过程完成之后，进行填筑压实，并在填筑过程中随时按要求进行质量控 制。质量控制包括两方面的内容：一是严格按设计图纸，控制好各种填筑料的边线；二 是控制压实参数，并对压实后土体进行质量监测，如干密度和含水率等指标。 （8）对测定的结果，进行分析比较，即将测得的干密度! % 与设计要求的压实度 ! 和最大干密度! %&(之积比较，若!%!%&(，则满足控制标准，否则不满足。或者将实 际压实度与规范规定压实度比较，若实际压实度大于或等于规范要求压实度，则满足质 量控制标准要求，否则不满足要求。当不满足时，应及时采取补救措施，如补压等，以 最终达到满足标准为止。 （9）如果利用黏性粗粒土填筑土石坝等工程的防渗心墙或斜墙，它的主要作用是拦 水、防渗，因此防止渗漏和保持渗透稳定就显得特别重要。所以，在压实质量控制中， 除了控制主要填筑区之外，对边缘部位（如和岸边基岩、混凝土及其他材料的接触部 位）的压实质量更要严格控制，决不能疏忽。 1“ 压实质量控制指标 前面谈到有压实度和干密度两种选题控制指标，究竟用哪一种好，主要视填筑料所 包含的几个要素 !、 !%、!%&(的具体情况而定。 （!）当料场土料的性质比较均匀，多次测得的最大干密度! %&(基本接近，! 是常 数，由! %# !%&(计算出的干密度值也基本一致的，即在!%&(值趋于常数的情况下，用 干密度控制较为方便，即现场对压实后土体实测的干密度! % 值，大于或等于设计干密 :7!第二十一章土石坝工程施工材料的试验与检验 度值，满足压实质量控制标准。 （!）当料场土颗粒组成和性质分布不均匀，土的性质差异较大，试验测得的最大干 密度值很不相同时，则! “#$%为一变数。即使采用同一种压实方法（包括压实功能、压实 参数）进行压实，测得的干密度值也是随土性的不同而不同的。在这种情况下，为保持 土体的压实结果，满足同一质量控制标准的要求，宜采用压实度作为质量控制指标，即 当由! “&!“#$%! 时，则满足要求。 ( 关于黏性粗粒土最大干密度的测定类型与质量控制 由于黏性粗粒土含有无黏性砂、石粗颗粒，粒径较大，一般用标准功能的大型击实 仪测定最大干密度和最优含水率，来反映黏性粗粒土全料性质。但有些单位无大型击实 仪或者习惯用小型标准击实仪测定细料部分的最大干密度和最优含水率，此资料只能反 映黏性粗粒土中细料（“ ) *# 或 “ ) +(,*#）的性质。在细料资料的基础上，考虑黏 性粗粒土中粗料含量，即利用粗料含量对细料最大干密度、最优含水率加以校正之后， 得到反映全料性质的最大干密度和最优含水率。此值才能与现场测定的压实后黏性粗粒 土（全料）的干密度作比较，判定是否满足要求。另外一种方法是以细料测得的最大干 密度（或细料压实度）的质量控制标准，对压实后土体实测干密度考虑粗料含量校正出 细料的干密度值进行比较，判断是否满足要求。 +( 无黏性粗粒土的压实标准 （-）压实标准 以相对密度为压实质量控制标准。 反映无黏性粗粒土密实程度的主要指标是相对密度，故在无黏性粗粒上压实中，常 用相对密度作为压实标准。 ./0 !-1-21+碾压式土石坝设计规范中指出：无黏性土的压实标准，按相对密 度确定，要求相对密度值不低于 3(,3 4 3(,*。地震区土石坝应按照水工建筑物抗震设 计规范确定。 /5 *3,!333水工建筑物抗震设计规范中规定：当无黏性土填筑于浸润线以 上部位时，要求相对密度不低于 3(,3；当填筑于浸润线以下部位时，要求相对密度不 低于 3(,* 4 3(1*（根据地震烈度大小而定） 。对于砂砾料，当其粗料（“ 6 *#）含量小 于 *37时，应保证其中细料的相对压实度满足上述要求。 用相对密度作为压实标准的最大优点是当填筑料的级配、性质发生变化时，虽然压 实密度不同，但填筑料紧密程度是基本相同的。根据土石坝的高度、工程规模及其重要 性、当地的地震烈度及有关设计规范中的要求，确定出相对密度 #8后，该相对密度就 是工程的设计标准，也是确定坝体计算密度标准和填筑密度下限值的基础。 如果无黏性粗粒土本身的质量和性质是均匀的，其最大、最小干密度各只有一个或 变化甚小，在某一相对密度下，填筑要求的干密度! “3也只有一个，则设计计算干密度 和施工质量控制的干密度即合为一个标准，即只要填筑干密度不小于要求干密度就是合 格的。 在压实标准中，除了上面所述相对密度之外，也有采用压实度的。该标准以往在黏 性土中应用的较多，近几年来在无黏性粗粒土压实中也有应用。无论采用相对密度标准 3,-新编水利水电工程项目竣工资料编制与规范管理实用手册 还是采用压实度标准，皆要对同一种填筑料，在现场测定压实后的干密度并用相对密度 试验测定的最大干密度。 （!）压实标准 以孔隙率与压实质量控制标准。 “#$!%&%&(碾压式土坝设计规范中规定， “堆石料的压实程度与其最大粒径 和颗粒级配有关，可由碾压试验确定，一般要求孔隙率不大于 !)* + ,)*” 。 %, 年关于修改 “#$!%&%&(碾压式土石坝设计规范的通知中，提出， “堆石的压实功能和设计孔隙率可按已有工程经验拟定，一般为 !)* + ,)*，并由碾压 试验确定。施工时以施工参数（包括碾压设备的型号、重量、振动频率、铺填层厚、加 水量、碾压厚度等）及干密度同时控制。 ” 从一些堆石坝看，有的以孔隙率为压实标准，其值在 !,* + ,)*之间；有的以干 密度为标准，其值为 !-) + !-,./01,之间；也有以孔隙率和干密度同时作为标准的。 以相对密度作为压实标准，在土石坝的反滤料、过渡料和砂砾石、砂卵石等坝壳材 料的压实中应用较多，而在堆石料填筑中应用较少，主要是堆石料的粒径大，目前尚没 有一个成熟的、作为规范标准的测定最大干密度的方法，故只能采用某一孔隙率或干密 度或碾压参数等作为控制标准。这在一定程度上是借鉴工程经验或依靠现场碾压试验确 定压实标准。 至于堆石等超径粗粒土最大干密度的确定方法，目前仍有待研究。一旦有所突破， 将为相对密度或压实度提供依据，那时可用相对密度或压实度确定压实标准。 七、筑坝材料的压实试验与检验 （一）填筑压实分类 %- 按填筑方法分类 填筑压实按填筑方法分为现场填筑试验和室内击实试验及相对密度试验两大类。 !- 按土性填筑分类方法 （%）黏性土、黏性粗粒土的轻型、重型击实试验。 （!）无黏性土、无黏性粗粒土的相对密度试验。 （二）黏性土、黏性粗粒土的击实试验 %- 击实仪及击实功能选择 击实仪技术性能见表 !% 2 !(。 !- 目的及适用范围 其中，编号“%”击实仪适于细粒土；编号“!”和“,”适于最大粒径 3)11 的粗 粒黏性土。前者为轻型击实仪，后者为重型击实仪。采用哪种标准应根据工程需要选 用。 %4%第二十一章土石坝工程施工材料的试验与检验 !“ 最佳含水率和最大干密度的测定 土的最佳含水率和最大干密度的测定方法步骤，详见有关土工试验规程。 （#）按土的塑限估计其最优含水率，制备不少于 $ 个试样，分别进行击实试验，计 下各土样的含水率和干密度。 表 %# & %击实仪技术性能 编号 击锤 质量 （()） 击锤底 直径 （*+） 落高 （*+） 击实筒尺寸 直径 （*+） 高度 （*+） 体积 （*+!） 装土 层次 （层） 每层击数 单位体 积功能 （(,-+!） 单位面 积冲量 （(./ 0） #%“$“1!1#1#%“2#111!%2312“! %#$“$#$31!1%4“2$ %1!%!31! !$“!#$31!1%4“2$ %1!%!44%212 （%）以干密度为纵坐标，含水率为横坐标、绘制干密度与含水率的关系曲线，曲线 上峰值点的纵、横坐标分别表示土的最大干密度和最佳含水率。 （!）当试样中粒径大于 $+ 的土质量不大于试样总质量的 !15时，应校正最大干 密度及最佳含水率。校正方法按有关规定进行。 “ 击实试验中应注意的几个问题 （#）对粗粒土天然含水率测定，应按分别测取粒径大于 $+ 颗粒饱和面干含水率 和粒径小于 $+ 试样的含水率，再作加权计算即得全料含水率。 （%）对于用风化料筑坝，应分别测取击实前后级配，并计算其破碎量和破碎率。 （!）为符合施工实际的土质本身的天然特性，对黏性土或含黏粗粒土，对起始含水 率控制宜按湿法制样。 （三）无黏性土 #“ 相对密度仪器选择 无黏性粗粒土的相对密度试验仪器规格要求见表 %# & %$。 %“ 目的及适用范围 （#）!、“型适于无黏性粗粒土且通过 1“12$+ 粒径含量不小于 #%5，能自由排 水。 （%）#型适于颗粒直径小于 $+ 且能自由排水的砂砾土。 %2#新编水利水电工程项目竣工资料编制与规范管理实用手册 （!）无黏性粗粒土采用振动压实法测定最大密度，倾注松填法测定最小密度。 !“ 相对密度试验与检验 操作方法及步骤，遵照有关土工试验规程。 表 #$ % #&相对密度仪器规格 编号 直径 ! （(） 高度 “ （(） 体积 # （(!） 允许最大粒径 $()* （(） ! !+!,#,+!-+ “ #+#!.#-#+ # &$#“.#&+& （四）土的渗透特性 $“ 目的和适用范围 测定水流状态符合达西定律的土的渗透系数和渗透变形参数及破坏类型。 #“ 渗透试验与检验 操作方法及步骤，遵照有关土工试验规程。 !“ 成果计算整理与制图 粗粒土按常水头渗透试验方法。试验时，应在双对数纸上，以渗流坡降 % 为纵坐 标，渗流速度 & 为横坐标，绘制渗流坡降与渗流速度关系曲线（/0% % /0& 曲线） 。 当试样达到临界坡降后，还应延长每级水头的持续作用时间，并绘制渗流速度 & 与 时间 的过程线（& % 过程线） 。只能在测压管水位稳定，渗流速度不再增大时，才能 提升水头。 （五）土的抗剪强度试验与检验 $“ 目的和适用范围 土的抗剪强度指标是决定土坡坡度和土体稳定性的重要指标。在确定土的抗剪强度 时，应首先正确估计建筑物在施工、运行中的各种条件，然后据此选择正确的试验方 法，以便用有效应力或总应力法来确定土体的抗剪强度指标。 #“ 依据的试验检测方法标准 试样尺寸、试样制备和饱和，试验方法的选择，应遵照有关土工试验规程进 行。 !“ 测试条件及分类 （$）按测试仪器方法分为：三轴剪切试验和直接剪切试验。 （#）直接剪切试验按剪切速率不同分为： !.$第二十一章土石坝工程施工材料的试验与检验 !快剪试验（!） ：在试样上施加垂直压力后，立即施加水平剪切力； “固结快剪试验（“!） ：在试样上施加垂直压力，待排水固结稳定后，施加水平剪 切力； #慢剪试验（#） ：是在试样上施加垂直压力及水平剪应力的过程中均应使试样排水 固结。 （$）在三轴剪力试验中，根据排水条件的不同，分为不固结不排水剪（%） 、固结 不排水剪（“%） 、固结排水剪（“&）三种试验类型。 !不固结不排水剪试验（%） 。其适用条件是土体受力后，孔隙水不易排出，孔隙 水压力得不到消散的情况。当排水条件又差，施工进度又快，孔隙水不易排出，孔隙水 压力得不到消散的情况，宜用此类型试验成果，通常多用于土石坝施工期用总应力法进 行稳定分析。 “固结不排水剪试验（“%） 。主要用以测定总强度（!(、$(）及有效强度参数 （$)、!)） ，对土体用总应力法或有效应力法进行稳定分析。以土石坝为例，填筑于土石 坝的粗粒土，经常荷载作用土体已得到固结，若遇上游库水位骤降时，孔隙水不易排出 的状况，可采用此方法。用总应力法对水位骤降期进行稳定分析，用有效应力法对稳定 渗流期进行稳定分析。 #固结排水剪试验（“&） 。主要用来测定土的排水剪强度指标（!*、$*）及非线性 应力应变参数。由于孔隙水能够充分排出，孔隙水压力趋于零，则该强度参数亦为有效 强度参数，此类试验成果用于有效应力分析和有限元分析。 +, 抗剪强度指标的测定和应用 不同情况下，抗剪强度指标的测定方法和应用见表 -. / -0。 表 -. / -0抗剪强度指标的测定和应用 控制稳定 的时期 强度计算 方法 土类使用仪器试验方法与代号 强度 指标 试样起始 状态 施 工 期 有效应力法 无黏性土 直剪仪慢剪（#） 三轴仪排水剪（“&） 黏 性 土 饱和度小于 123 直剪仪慢剪（#） 三轴仪 不排水剪测孔 隙压力（%） 饱和度大于 123 直剪仪慢剪 三轴仪 固结不排水剪 测孔隙压力（“%） !)%) 总应 力法 黏 性 土 渗透系数小于 .2/ 456