土石坝的压实标准及应用中存在的问题

1、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

2、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

3、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。=卢（1式中：d为压实度；pd为干密度；p dmax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；pd是土料压实后测出的干密度，反映了压实效果的指标值，p dmax是对该土料用标准压实方法（如astm698方法）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

4、指标，反映土料的压实特性指标值，pd和p dm ax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）出口4一户1（2）、（3）、（4）式中：d为相对压实度；pdma幻emin为最大干密度、最小孔 隙比；pdmin、emax为最小干密度、最大孔隙比；pd、e。为现场测得压实后干密度， 孔隙比。由（3） （4）式看出，d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

5、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，p dmax、p dmin是用标准试验方法（如 astm4253）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，pd、pdmax、p dmin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d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 p d max、p dmin满足（

6、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 p dmin的方法为徐徐松填法，不象测 p dm ax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pdmax值方法不同，粘性土用标准击实试验（如 astm698）,无粘性粗粒土用振动法（如 astm4253）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

7、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，d是（e。 emin）与（emaxemin）之比，是一个无量纲的比值， 从（4）式看，d是 p dmax （ p d p dmin）p d （ p dmax p d min） 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

8、的，故 d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d称为相对压实度是要更合理些。将d称为相对压实度，一是排除原相对密度含量纲的概念，使 d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；

9、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：“tfi六小”一产令用mh *；系也k3 丁fir * i 1武 m i 二将（7）、 （1）式代入（6）式d = 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

10、。 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 p dma1. 73g/cm3,按（2） 式pd = dp dmax=1. 695g/cn3,据此设计采用设计干密度 pd=1. 70g/cm3。后 来由于料场变更，土性发生变化，满足不了 1. 7 g/cm3的要求，但因坚持1. 7 g/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，

11、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 . 70 g/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 d = 0. 8, 设计计算采用干密度pd = 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（d5mm 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

12、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 p dmax 2. 4g/cm3, p dmin 2 . 0 g/cm3,当 d = 0. 8 时用（4） 式计算结果pd = 2. 308g/cm3,据此确定出pd=2. 31 g/cm3,为填筑压实的 下限标准，即压实后测得 pd2. 31g/cm。，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pdmaxp5和p dm inp5关系曲线，用作质控依据。当现场测得压实后干密 度pd同时也测得p5筑压实后的干密度应大于等于 astmd69皆标准击实试 验最大干密

13、度的100%” ； “反滤料填筑碾压后干密度大于等于astmd4253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。*i几种的融石料大.小干密夜试h赍料pt4657.争722. 0。os佬66 072+07品083,090旱均t krm i3- 2s2 mz. 39% 40,34蝮ijt cm1 j2.1。2- pr2&22. 00l975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d,对某一 工程而言，皆为某一常数，但它涉及的同一土石料

14、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 astm698）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astm4253）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 d分别为压实度，相对压实度；pdma幻p dm in为与pd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

15、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12h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

16、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p d、p dma幻p d min或pd和pdmin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pdmax 或pdmin, p dm in值，绘制出pdmaxp5和pdminp5关系曲线（每一代表性级配有 一个p5和 p dm ax、 p dmin , 不同级配料则有不同的 p5一、 p d max p dmin）备用。当 现场测定pd值亦测出p5值，用此p5值在上述备用

17、的曲线查得与 沁相应标准试验 值pdmax pd min,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d = 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，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、pdmag pdmin值，如表2所示，并绘制出p5p dm ax和rp dmin关系曲线。亦可由已知的 d、 p dmax p dmin , 按（5）式计算出p% 并绘制d = 0. 8时p5pdo关系曲线，如图1所示。霾2几静代融性绘

18、配*吸蛆底的标潴黄吟懦累现配气称2杈 f 5户50尹一, wrm”卜包壮工111131. 8曲匕平均烷z-z56v928平均壮2- 37559下平均建z. 3加1. 970下应投3 15b81丸tn1. 914当现场测出压实后 总和p d后，用psf在图1上查得p dmax、p dmin并代入（9） 式计算结果大于等于dr则合格。或者看测得pd大于等于d = 0. 8时pd op5 曲线对应于p5值的干密度pd 0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 pdminp5、pdmaxr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

19、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p dmax、问题是用核子密 度仪法，测一个现场p d值，10多分钟即可出成果，一个标准试验需要 23d时 问。pdmax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p dmax值和pd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。经实践认为，其中西尔夫（hl

20、if ）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。由（10）知质评判别式为：(h：(12)川4.(14%)、”,，(13)四 二 冷* （1 + %.）现场悬悔出能度lp*11+叼）若（in式除以（it叫/ f n+印力,傅换算最大湿度i十叫 樽（12）和（13）相比口 4可胤看出（bl）和（!.1）相同，邺可获得质评结果式中：pd、pd （1+cdf）为现场压实后干密度、湿密度;为最大干密度、最大湿密度；c

21、df为现场压实土含水量;压实度；coop cdf为最优含水量与现场含水量差；p d ma冷p dmax (1 + op)op为最优含水量；d为 % 一 % ,it 1 + */采用该种办法，不但解决了el石坝质量等级评定中, 程，合格率大于等于 定，压实标准也是按 的50% ,合格率又为pd、p dmax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.明确指出，“对不含砾或少量砾的粘性土料

22、，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，(17)式中，d为压实度，根据规范确定的一个常数值，p dm ax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pd 0亦趋于常数值，此时可用p do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p dmax值和相应的几个pdo值，在坝体分析中，就不可能对众多的pdo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

23、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5o%的值低于设计值，其保证率约5o%,而施工质控标准一些规范方对土要求压实标准的d或d的合格率大于等于9o%为合格工95 %为优良工程。又因设计干密度指标按p do= dp dm axp d/ p dmaxd,同属一种标准，但上述计算干密度用保证率 9o%,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 口0，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

24、映土料压实性质的标准击实试验有 14组成果, 按pdmax值的大小顺序排列，并按(18)式计算保证率如表3所示。(ib式中：ni为大于等于某值的组数；n为总组数；p为保证率%。x 3某工程心,土料大干密度.保证隼累扑序号p 口1l-m7,03 -!.ah-3j21. 41匹6s1，3$*才e1.外 p dmin是用标准方法(与d或d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p d和p dmax p dmin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