汪德云

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

粉細(xì)砂筑堤填筑標(biāo)準(zhǔn)確定的工程實(shí)踐

汪德云

（北京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100048）

文章通過(guò)對(duì)粉細(xì)砂壓密擊實(shí)的工程特性與筑堤填筑工程現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)的對(duì)比分析，明確了在堤防工程設(shè)計(jì)施工中，按照設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定采用相對(duì)密度指標(biāo)作為均勻粉細(xì)砂土的筑堤碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)，存在著難于操作無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題所在，并介紹了實(shí)際工程中對(duì)粉細(xì)砂填筑標(biāo)準(zhǔn)確定的應(yīng)對(duì)方法及措施，供類似工程借鑒。

粉細(xì)砂；筑堤；填筑標(biāo)準(zhǔn)

堤防勘察設(shè)計(jì)中的筑堤填筑料宜選用土料、石料及砂礫料等；砂性土，特別是粉細(xì)砂原設(shè)計(jì)規(guī)范為限制采用的土料。新修訂的堤防設(shè)計(jì)規(guī)范，雖取消了限制，但實(shí)踐中，由于粉細(xì)砂的壓密擊實(shí)特性很差，在按無(wú)粘性土類進(jìn)行填筑設(shè)計(jì)時(shí)，仍存在著填筑標(biāo)準(zhǔn)難以確定的問(wèn)題。

近年來(lái)在永定河流域的滯洪水庫(kù)、河道堤防等水利工程建設(shè)實(shí)踐中，對(duì)解決此類問(wèn)題有了一些認(rèn)識(shí)和體會(huì)，現(xiàn)將其進(jìn)行歸納總結(jié)，僅供從事類似工程勘察設(shè)計(jì)的技術(shù)人員參考，不足之處請(qǐng)批評(píng)指正。

1 關(guān)于填筑標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定

堤防工程勘察設(shè)計(jì)中，貫徹因地制宜、就地取材的原則，并結(jié)合工程具體情況，合理確定所用筑堤料的填筑標(biāo)準(zhǔn)，是核心問(wèn)題之一。它解決的好壞，既關(guān)系到能否滿足工程在穩(wěn)定、應(yīng)力、變形、滲流控制等方面的要求，又關(guān)系到能否在客觀條件限制下施工操作可行。

土料的填筑質(zhì)量需使其具有足夠的抗剪強(qiáng)度和較小的滲透性、壓縮性，填筑質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)是土的密實(shí)度和均勻性。對(duì)不同等級(jí)、不同土料填筑的土堤確定合理的壓實(shí)度，才能使堤防斷面設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理。

筑堤用土料除淤泥類土、雜填土及水穩(wěn)定性差的膨脹土、分散性土等特殊土，主要為粘性土和無(wú)粘性土兩大類。粘性土料，可按照規(guī)范要求，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)確定的最大干密度與最優(yōu)含水量指標(biāo)，結(jié)合堤防等級(jí)，確定其壓實(shí)干密度和所需的含水率，即為填筑設(shè)計(jì)、施工的控制標(biāo)準(zhǔn)。提供此壓實(shí)度下土體的物理力學(xué)參數(shù)，作為穩(wěn)定計(jì)算、斷面尺寸確定的依據(jù)；指導(dǎo)施工碾壓試驗(yàn)，確定施工參數(shù)。

無(wú)粘性土料，規(guī)范采用相對(duì)密實(shí)度指標(biāo)進(jìn)行控制。碾壓式土石壩設(shè)計(jì)、水工建筑物抗震設(shè)計(jì)等規(guī)程規(guī)范明確規(guī)定，甲類無(wú)粘性土填土（即將承受建筑物的荷重的填土）的相對(duì)密實(shí)度要求大于0.8，乙類填土（即不承受建筑物的荷重的填土，如土壩、堤防等用土）相對(duì)密實(shí)度一般為0.65～0.80。按堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，I級(jí)堤防無(wú)粘性土料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為相對(duì)密度0.65，原規(guī)范規(guī)定粉細(xì)砂不宜作為堤身填筑材料，不得不使用時(shí)應(yīng)采取處理措施。

無(wú)粘性土中的砂礫料及級(jí)配較好的粗粒砂料相對(duì)好解決，恰恰是其中的粉細(xì)砂類料，其顆粒組成多為均勻性好的不良級(jí)配料，壓密擊實(shí)特性很差，河流中下游又分布廣泛，正常施工條件下壓密指標(biāo)很難達(dá)到規(guī)范要求的填筑標(biāo)準(zhǔn)。

2 工程實(shí)際狀況

以永定河滯洪水庫(kù)工程為例，其位于河流中下游寬廣的灘地上，地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖洪積松散厚層堆積物，砂料自上游至下游逐漸變細(xì)，地表以下8～10m為厚層粉細(xì)砂，該工程利用開(kāi)挖永定河右側(cè)灘地形成稻田和馬廠水庫(kù)，需下挖4～6m后，結(jié)合用開(kāi)挖料筑堤而圍成水庫(kù)，主要有左堤（中堤）、右堤、橫堤等建筑，均為I級(jí)堤防，形成幾千萬(wàn)方的庫(kù)容，將超限洪水暫滯削峰。工程土方開(kāi)挖量巨大，僅新填筑的左堤全長(zhǎng)就在10km以上，總體上達(dá)數(shù)千萬(wàn)方級(jí)?？辈煸O(shè)計(jì)中，遇到了新建堤身的填筑標(biāo)準(zhǔn)確定之難題，它的確定關(guān)系到在既定斷面下，浩大土方量的功效實(shí)施問(wèn)題。

表1 砂樣基本組成及物理特性

滿足堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)程要求，同時(shí)考慮到滯洪水庫(kù)工程運(yùn)行工況的特殊性，設(shè)計(jì)和審查文件明確：滯洪水庫(kù)進(jìn)水閘、連通閘、退水閘、分洪閘4座主要建筑物按8度抗震設(shè)防，而左堤、右堤、中堤、橫堤4座建筑則執(zhí)行I級(jí)堤防標(biāo)準(zhǔn)，但不考慮地震與滯洪遭遇，粉細(xì)砂土料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用相對(duì)密度0.65。

在工程區(qū)分別取幾十組粉細(xì)砂土樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。其平均粒徑均在細(xì)顆粒組以下范圍內(nèi)，粘粒含量小于1%，不均勻系數(shù) Cu＜5，曲率系數(shù)3＞Cc＞1，為不良級(jí)配土，粒徑均勻。

而永定河流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，滯洪水庫(kù)工程區(qū)地表以下8～10m范圍內(nèi)，粉細(xì)砂天然含水率2.54%～6.22%?，F(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，碾壓機(jī)械采用12～18T振動(dòng)碾，層厚40～50cm，施工氣候環(huán)境條件下，碾壓獲得的實(shí)際效果其相對(duì)密實(shí)度僅為0.38～0.43，接近天然狀態(tài)下的沉積密度，無(wú)法達(dá)到粉細(xì)砂土料的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)采用相對(duì)密度0.65的規(guī)定要求。

3 壓實(shí)效果分析

3.1 粉細(xì)砂的壓密擊實(shí)特性

在工程區(qū)上、中、下游料場(chǎng)內(nèi)分別選取代表性土樣4組，對(duì)所取土樣進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)［1］，以測(cè)定筑堤土料的干密度與含水率的關(guān)系，確定筑堤土料的最大干密度與最優(yōu)含水率，從而了解筑堤土料的壓實(shí)特性，為現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓提供合理的壓實(shí)參數(shù)。

試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》SL237-1999“擊實(shí)試驗(yàn)”中輕型擊實(shí)進(jìn)行。土樣基本物理性能見(jiàn)表1。

圖1 筑堤土料擊實(shí)曲線圖

土料擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果表明，4種土料在一定擊實(shí)功條件下干密度與含水率關(guān)系基本一致，呈現(xiàn)明顯的無(wú)粘性土的擊實(shí)特性（干密度與含水率關(guān)系曲線見(jiàn)圖1）。在含水率為0及最優(yōu)含水率情況下，砂樣的干密度達(dá)到最大。其中當(dāng)含水率為0時(shí)，土料的干密度略高于最優(yōu)含水率時(shí)的最大干密度。當(dāng)含水率在4.5%～9.5%時(shí)，4種土料的干密度曲線呈現(xiàn)明顯的水平段，在此范圍內(nèi)干密度并不隨含水率的變化而變化，且在該含水率范圍內(nèi)擊實(shí)干密度最小。

其它研究成果表明，砂礫料含水率與擊實(shí)干密度的關(guān)系曲線呈“V”字型，干燥狀態(tài)下易于壓實(shí)，過(guò)最低點(diǎn)后，干密度隨著含水率的增加而增大，較易于壓實(shí)。粘性土料含水率與擊實(shí)干密度的關(guān)系曲線呈“Λ”字型，存在最優(yōu)含水率，含水率相對(duì)該值過(guò)大或過(guò)小，均達(dá)不到最佳擊實(shí)效果，該類土屬于易于壓實(shí)土。

對(duì)比砂礫料、粘性土料，均勻的粉細(xì)砂的含水率與擊實(shí)干密度的關(guān)系曲線呈“U”字型，兩個(gè)最大干密度對(duì)應(yīng)兩個(gè)極端含水率值，0% ～0.5%和15%～19%，由于含水率的控制難題，使它成為最難于擊實(shí)土料。

3.2 砂土相對(duì)密度試驗(yàn)與其擊實(shí)試驗(yàn)的關(guān)系

砂的設(shè)計(jì)指標(biāo)，用相對(duì)密實(shí)度表示：

根據(jù)砂的最大最小干密度試驗(yàn)成果和設(shè)計(jì)要求的相對(duì)密度，提出設(shè)計(jì)干密度：

其由來(lái)為：對(duì)于砂、卵石等無(wú)粘性土，最主要的物理狀態(tài)指標(biāo)就是緊密度，作為填方，則就是要求壓實(shí)到一定緊密度。而其緊密度首先反映在孔隙比e上，孔隙比愈小，表示土愈密實(shí)。但由于用孔隙比判別密實(shí)度沒(méi)有考慮級(jí)配的因素而存在缺點(diǎn)，因此通常采用相對(duì)密度來(lái)表示砂土的密實(shí)度。

上述設(shè)計(jì)干密度公式中的最大干密度ρmax與最小干密度ρmin是由室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)擊實(shí)法確定的。少數(shù)的研究表明，修正普氏（重型）擊實(shí)試驗(yàn)得出的最大干密度約相當(dāng)于相對(duì)密實(shí)度0.5到0.7，前一值適用于級(jí)配較好的土，后者適用于級(jí)配不好的土［2］。砂性土中的粘粒含量在5%以上，才有最優(yōu)含水量等粘性土的性質(zhì)。

永定河滯洪水庫(kù)筑堤砂料屬級(jí)配不好的土，且粘粒含量在1%以下，不具有最優(yōu)含水量等粘性土的擊實(shí)性質(zhì)。其典型粉細(xì)砂輕型擊實(shí)試驗(yàn)的結(jié)果分別為最大干密度1.65～1.81g/cm3，其對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度0.53～0.63，低于相對(duì)密度0.65對(duì)應(yīng)的干密度 1.68～1.75g/cm3（詳見(jiàn)表 2）。

表2 砂樣壓密擊實(shí)特性參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)施工控制是選取擊實(shí)指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)，參照實(shí)施，來(lái)執(zhí)行設(shè)計(jì)控制干密度。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)分析

現(xiàn)場(chǎng)由于粉細(xì)砂天然含水率在3%～10%區(qū)間內(nèi)，根據(jù)庫(kù)區(qū)擊實(shí)試驗(yàn)成果，含水率變化對(duì)擊實(shí)干密度影響不大，屬于難以壓實(shí)區(qū)。仔細(xì)觀察該類土現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，大噸位的震動(dòng)碾輥下砂層下降，其兩側(cè)砂料上涌，即使重碾強(qiáng)震，密實(shí)度變化不大，與砂礫料、粘性土碾壓時(shí)，加大壓實(shí)功能就可以明顯地提高壓實(shí)密實(shí)度有明顯的差別。現(xiàn)場(chǎng)碾壓機(jī)械、施工氣候環(huán)境條件下，地表砂料含水率最低只能降至3%，無(wú)法降至0.5%以下。相對(duì)密度0.70與0.65的干密度之差僅0.02g/cm3左右，試驗(yàn)說(shuō)明，均勻粉細(xì)砂和一般砂礫石料碾壓效果相差明顯，加大碾壓功能對(duì)提高其密實(shí)度功效甚微。說(shuō)明相對(duì)密度標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定填筑控制干密度的可操作性很差。

資料介紹［3］，新疆大漠地理環(huán)境條件下，沙層天然含水率一般也有1%左右。另一方面，現(xiàn)場(chǎng)條件下，用灑水車及其它噴灌設(shè)備給砂料加水，其碾壓時(shí)，工作面的含水率僅能保持在8%～10%，無(wú)法達(dá)到15%以上。上述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、施工條件無(wú)法象試驗(yàn)室一樣讓砂料的含水率接近曲線的兩個(gè)極端含水率區(qū)域，實(shí)際總是在最難壓實(shí)的含水率區(qū)間內(nèi)實(shí)施碾壓，碾壓獲得的實(shí)際效果其相對(duì)密實(shí)度僅接近天然狀態(tài)下的沉積密度（詳見(jiàn)表2）。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果完全符合粉細(xì)砂壓密擊實(shí)的規(guī)律性。

決定砂土密實(shí)度大小的內(nèi)在因素在于砂土的特殊土體結(jié)構(gòu)，砂土的土體結(jié)構(gòu)常常表現(xiàn)為單粒結(jié)構(gòu)，即較粗的礦物顆粒在其自重作用下沉落，顆粒間依靠其表面粗糙產(chǎn)生的摩擦力及顆粒之間互相鑲嵌、連鎖作用產(chǎn)生的咬合力而達(dá)到每個(gè)顆粒的穩(wěn)定。而不似粘性土中那樣是較細(xì)的顆粒依靠土顆粒間接觸點(diǎn)處的分子引力相互吸附而更穩(wěn)定。

內(nèi)外因素，均不具備達(dá)到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)所需要的條件，這就是均勻粉細(xì)砂料達(dá)不到壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的原因所在。也就難于達(dá)到規(guī)范規(guī)定的相對(duì)密實(shí)度要求。

4 填筑標(biāo)準(zhǔn)確定的對(duì)策

水工建筑物填筑標(biāo)準(zhǔn)是指要求的壓實(shí)干密度和填筑含水量。經(jīng)調(diào)研，已有的確定填筑標(biāo)準(zhǔn)的方法很多，大致可歸并為5類，它們分別以下列5種作為確定填筑標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)［3］。①以料場(chǎng)土料的天然含水量或天然干密度為依據(jù)；②以要求的填土工程性質(zhì)指標(biāo)為依據(jù)；③以所掌握的施工機(jī)械和壓實(shí)方法為依據(jù)；④以相對(duì)密實(shí)度試驗(yàn)成果為依據(jù)；⑤以擊實(shí)試驗(yàn)成果為依據(jù)。

實(shí)踐證明，對(duì)粘性土來(lái)說(shuō)，以擊實(shí)試驗(yàn)成果為依據(jù)的方法使用最廣，因適用范圍廣，經(jīng)濟(jì)而且方便。對(duì)于堆石來(lái)說(shuō)，一般以施工方法為依據(jù)。

從粉細(xì)砂壓密擊實(shí)特性及本工程現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)效果來(lái)看，顯而易見(jiàn)按規(guī)范規(guī)定的采用其相對(duì)密實(shí)度指標(biāo)進(jìn)行控制是難于實(shí)現(xiàn)的。

對(duì)于本工程，應(yīng)尋找出現(xiàn)實(shí)碾壓設(shè)備及粉細(xì)砂含水率不利條件下的最好壓實(shí)效果，并應(yīng)采用對(duì)應(yīng)填筑密實(shí)度狀態(tài)下堤身土體的重度、抗剪強(qiáng)度、滲透性、壓縮性等物理力學(xué)指標(biāo)重新核算，驗(yàn)證其能否滿足在穩(wěn)定、應(yīng)力、變形、滲流控制等方面的要求。

工程實(shí)踐中，按照統(tǒng)一要求，各標(biāo)段工程承包商同時(shí)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，采用12～18T振動(dòng)碾，粉細(xì)砂均勻鋪層，厚度40～50cm，含水率一般為6%～10%，碾壓（雙向）4至5遍達(dá)到最大密度，相當(dāng)于輕型擊實(shí)試驗(yàn)最大擊實(shí)干密度的90%～95%之間，再增加碾壓遍數(shù)，密實(shí)度變化不明顯，有時(shí)反而降低。通過(guò)大量的現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)，基本摸清了不同鋪厚、含水率、碾重、振動(dòng)、遍數(shù)等各項(xiàng)碾壓參數(shù)與壓實(shí)干密度之間的關(guān)系。經(jīng)評(píng)審后認(rèn)為，施工用設(shè)備和試驗(yàn)結(jié)論基本合理，若施工中能夠切實(shí)按照這樣的工藝嚴(yán)格進(jìn)行，已經(jīng)做到了目前條件下的最好壓實(shí)效果。結(jié)合設(shè)計(jì)安全復(fù)核的驗(yàn)算成果，堤身的壓實(shí)度已達(dá)到安全的要求。

對(duì)于本工程的粉細(xì)砂土料，上述分析結(jié)論對(duì)應(yīng)的是采用上述依據(jù)中的“② +③”相結(jié)合的方案，即主要依靠碾壓工藝來(lái)保證施工質(zhì)量，現(xiàn)場(chǎng)施工碾壓壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)建議采用最大擊實(shí)干密度的90%～95%作為填筑控制干密度，以此標(biāo)準(zhǔn)，制定明確的壓實(shí)工藝，實(shí)現(xiàn)客觀條件下的最好壓實(shí)效果。前提是滿足本工程的設(shè)計(jì)條件，即庫(kù)區(qū)開(kāi)挖量巨大，填筑砂料充足，設(shè)計(jì)為堤頂寬75～100m，堤坡1∶4.5的超大斷面，以此有了足夠的安全儲(chǔ)備。在保證填筑均勻、預(yù)留足夠的沉降量條件下，整體工程安全是完全可以得到保證。

現(xiàn)工程已建成十多年，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示堤防整體沉降變形均在正常范圍之內(nèi)，符合當(dāng)初的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

堤防工程設(shè)計(jì)中，從粉細(xì)砂的壓密擊實(shí)特性及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，是難于壓密的，對(duì)應(yīng)狀態(tài)下的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)值也是偏低的，確實(shí)不宜使用粉細(xì)砂作為填筑土料。不得已使用時(shí)，在滿足設(shè)計(jì)斷面要求、使工程具有足夠安全儲(chǔ)備的前提條件下，遵循其壓密擊實(shí)規(guī)律，主要依靠控制施工現(xiàn)場(chǎng)碾壓工藝來(lái)保證施工質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)客觀條件下的最好壓實(shí)效果的方法是可行的。

［1］北京市水利科學(xué)研究所.永定河滯洪水庫(kù)工程“筑堤土料擊實(shí)試驗(yàn)分析報(bào)告”［R］.1999.

［2］陳愈炯.填土填筑標(biāo)準(zhǔn)的確定和實(shí)施［J］.工程勘察，1993（01）： 9-12.

［3］新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.引額濟(jì)烏工程“沙漠砂工程性質(zhì)研究報(bào)告”［R］.2000.

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1672-2469（2017）10-0121-04

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.034

2017-04-13

汪德云（1963年-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。