現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法

《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》是中國水利水電第十五工程局有限公司、中國水電建設集團路橋工程有限公司完成的建築類施工工法；作者分別是王星照、趙繼成、李晨、馬明功、梁艷萍；該工法適用於黏土心牆土石壩、堆石面板壩等類似工程粗粒土填築施工中粒徑大於60毫米的砂礫石料的壓實質量標準的確定和施工中的質量控制。

《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》主要的工法特點是：“密度桶法”直接用原型級配進行試驗，確定壓實標準；“密度桶法”試驗環境完全等同施工環境與條件；“密度桶法”可直接結合碾壓試驗，簡單易行。

2009年10月19日，《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》被中華人民共和國住房和城鄉建設部評定為2007-2008年度國家二級工法。

基本介紹

• 中文名：現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法
• 工法編號：GJEJGF203-2008
• 完成單位：中國水利水電第十五工程局有限公司、中國水電建設集團路橋工程有限公司
• 完成人：王星照、趙繼成、李晨、馬明功、梁艷萍
• 審批單位：中華人民共和國住房和城鄉建設部
• 主要榮譽：國家二級工法（2007-2008年度）

形成原因

大粒徑砂礫料作為築壩材料，具有易開採、好施工、經濟、方便等優越性，被廣泛的套用於碾壓式土石壩和堆石面板壩建設中。隨著碾壓式土石壩和堆石面板壩的快速發展，大粒徑砂礫料的填築套用越來越廣泛。《土工試驗規程》SD128-84隻規定了粒徑小於60毫米砂礫料的相對密度試驗方法，現行的《土工試驗規程》SL237-1999中也只規定了粒徑小於60毫米砂礫料的相對密度試驗方法，即室內採用振動台、試樣桶（內徑300毫米、高340毫米）及配重等試驗設備來確定。對粒徑在300~400毫米，特別是用在高土石壩中最大粒徑達500~1000毫米的砂礫料，一直沒有一個科學可靠的方法確定其壓實質量標準。

面對這一現狀，中國國內的一些專家、學者和工程技術人員在20世紀70和80年代曾進行過試驗研究，提出過一些確定方法，但這些方法都建立在室內用振動台法先做小粒徑試驗，然後用某一數學摸擬方法推算大粒徑料壓實標準，這樣的結果經實踐證明，由於沒有用原型級配料試驗，使砂礫石料密實的方法機理與施工實際不一致，且推算的數據模式不一定合理，使得試驗結果與施工中的壓實效果有一定的差距，經常出現這樣那樣的問題，不能正確的反映工程的實際質量情況，不能正確評價工程質量，也不能給施工質量控制提供可靠、科學的依據。

陝西省黑河金盆水利樞紐工程是陝西省重點建設項目之一，其攔河壩為黏土心牆土石壩，壩殼料為河床砂卵石，最大粒徑400毫米，為了科學、準確、可靠的控制壩殼料工程填築施工質量和準確評價工程質量，套用有關基礎理論，經反覆的試驗、研究論證，用原型級配料，用壓實工藝、方法完全等同填築施工時的環境和條件，不用數學模式推算，直接取得數據的技術方法，即“密度桶法”，確定壩殼料的填築壓實標準取得了成功。後經青海公伯峽堆石面板壩3BⅡ區砂卵石料回填的試驗驗證，以及陝西渭南澗峪河水庫、吉林老龍口大壩工程施工試驗驗證，證明這一方法是科學、可靠的。

中國水利水電第十五工程局有限公司、中國水電建設集團路橋工程有限公司經總結，形成了《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》。

工法特點

《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》的特點有：現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準與以前國內採用室內振動台確定壓實標準有以下三個方面區別。

1.技術上

“密度桶法”直接用原型級配進行試驗，確定壓實標準；振動台法是先作小粒徑砂礫料進行壓實試驗，然後用數學方式模擬推算大粒徑料壓實標準。因此振動台法試驗用料必須改變施工用料的級配，而級配又是決定乾密度大小的重要因素。

“密度桶法”試驗環境完全等同施工環境與條件，而室內振動台法的試驗設備與施工環境差別很大。

“密度桶法”可直接取得試驗數據、室內振動台法必須通過一定的數學模式推算方可取得數據，由於砂礫料特性的複雜性，這種數學模式推算不一定符合實際規律，還容易造成施工質量控制上的偏差。

2.方法上

“密度桶法”可直接結合碾壓試驗，簡單易行，試驗結果完全符合實際規律，真實、準確﹔室內振動台法必須經過大量的室內試驗，才能用數學模式導出試驗結果。

3.工程量上

“密度桶法”免除了大量的室內試驗工作，與現場碾壓試驗合二為一，從而節省了室內試驗工程量。

操作原理

▪適用範圍

《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》適用於黏土心牆土石壩、堆石面板壩等類似工程粗粒土填築施工中粒徑大於60毫米的砂礫石料的壓實質量標準的確定和施工中的質量控制。

▪技術理論

《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》的工藝原理是：用“密度桶法”確定大粒徑砂礫料的最大、最小乾密度。

1.密度桶法：加工ф1400毫米，高1000毫米，厚14毫米的帶底鋼桶，鋼桶斷面尺寸滿足徑徑比3~5以上，徑高比≥2。

2.結合砂礫料的碾壓試驗將帶底鐵桶，埋置在碾壓試驗場地內，桶內用工程實際使用的原型級配料人工配料，人工裝填並高出桶頂，然後鋪填桶周圍的砂礫料（圖1），用實際施工用的推土機平整，用實際施工用的自行式振動碾碾壓24遍，然後定點在桶上振壓15分鐘，以達到振壓表面不再下沉，其桶內料的乾密度為最大乾密度。

圖1 密度桶法碾壓試驗示意圖

3.最小乾密度也用原型級配料，在該密度試驗桶內採用人工松填法求得。

4.利用不同礫石含量的最大、最小乾密度數值和公式（見公式1）計算不同相對密度Dr；情況下的乾密度ρd；數值，繪製Dr-ρd-P5三因素相關圖，在施工中作為質量控制標準。

（公式1）

ρd—實測乾密度，千克/立方米；

ρ_max—最大幹密度，千克/立方米；

ρ_min—最小乾密度，千克/立方米。

▪施工工藝

施工工藝流程

《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》的施工工藝流程如下：

試驗用料和組次的確定→試驗用料的製備→試驗場地的布置→試驗設備的確定→人工松填（求出最小乾密度）→鋪料、整平、碾壓、取樣、試驗（求出最大幹密度）→試驗資料整理（繪製三因素相關圖）→校核試驗→施工現場質量控制。

操作要點

《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》的操作要點如下：

1.試驗用料和組次的確定

在工程實際套用中，通過對料場的複查，以料場的上下包線和平均級配線為基準，用插入法確定試驗組次，試驗組次選擇在能覆蓋全部料源，滿足施工壓實質量評價需要和技術要求的情況下，應儘可能的減少工作量。

2.試驗用料的製備

應結合工程實際，取代表性砂礫料作為試驗用料，試驗前要對試驗用料進行顆粒級配分析、含泥量、含水量試驗，並將試驗用料全部用土工篩篩成標準級配，根據試驗組次的需要配成不同礫石含量的砂礫料備用。例如公伯峽工程選擇了45.0%、55.0%、60.5%、66.4%、70.0%、72.3%、75.0%、80.0%、85.0%、90.0%共10個不同礫石含量級配進行了試驗。

3.試驗場地的布置

結合現場碾壓試驗，根據試驗組次，將試樣桶布置在長20米，寬8米的場地上，試樣桶間距應該在2~3米，同時還應該考慮碾壓機具的有效寬度，錯位、搭接等需要的範圍，避免對試驗場地造成影響。例如，圖2為公伯峽“密度桶法”試驗現場布置圖。

圖2 公伯峽“密度桶法”試驗現場布置圖

4.試驗設備的確定

根據工程填方的特點、施工現場環境條件、施工進度要求等確定施工設備，現場“密度桶法”試驗是為了確定施工控制質量標準，所以使用的設備都與實際施工設備是一致的。

5.人工松填，確定最小乾密度

用人工松填法將配製好的不同礫石含量的試驗用料分別裝人試驗桶中，裝料時一定要沿桶底部，從四周到中間，輕輕地、均勻地放入，確保試樣保持自然鬆散狀態，裝滿試驗桶後，輕輕整平表面，局部空隙用合適的料填充，求出最小乾密度。為了確保試驗數據的可靠性，應進行兩次試驗取其平均值。為了試驗具有可比性，應該儘可能使用同一人、用同樣的方法裝完所有不同礫石含量的試驗桶。

6.鋪料、整平、碾壓、取樣、試驗，求出最大幹密度

在做完最小乾密度的桶上，再裝一些試驗用料，高出試驗桶50厘米左右，再將試驗場地的其他區域鋪料、整平，用實際施工用的自行式振動碾碾壓24遍，然後定點在桶上振壓15米in，用經緯儀測量桶面高程，達到振壓表面不再下沉為止，挖去上部多餘的料，使表面儘量平整，離桶頂部約5~7厘米，上部的體積用灌水法或灌砂法求得，其桶內料的乾密度為最大幹密度。

7.試驗資料整理，繪製三因素相關圖

根據試驗結果，將不同礫石含量的最大最小乾密度數值，代入公式1計算不同相對密度Dr情況下的ρd數值，繪製Dr-ρd-P5三因素相關圖，在施工中作為壓實質量檢測的標準。

8.校核試驗

根據碾壓試驗確定的鋪料厚度、施工設備、碾壓遍數等施工參數，對施工用料進行校核試驗，進行取樣、試驗、數據分析，檢驗施工參數和壓實質量控制標準的可靠性。

9.施工現場質量控制

在砂礫料填築施工中，壓實質量檢測挖坑用灌砂法或灌水法（一般用灌水法）測濕密度，現場測小於5毫米料的含水率，並按事先用不同礫石含量、不同含水率情況下通過試驗作出的小於5毫米料的含水率與全料含水率關係曲線，查出全料的含水率，計算乾密度ρd-，依據設計要求的相對密度Dr；，根據現場檢測的顆粒分析結果，計算礫石含量P5，用Dr-ρd-P5三因素相關圖評價是否壓實合格。

材料設備

《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》的材料設備要求如下：

該工法只有鋼質密度桶是特製的，其他材料和設備都是施工和試驗中必備的材料和設備，見表1。

表1 機具設備表

序號	設備名稱	設備型號	單位	數量	用途
1	正鏟	6.3立方米	台	1	挖料和裝料
2	推土機	520HP	台	1	平料
3	自卸車	44噸	輛	2	運輸
4	自行式振動碾	18噸	台	1	碾壓
5	密度桶	ф1400毫米，高1000毫米，厚14毫米	個	5	相對密度試驗
6	經緯儀	-	台	1	測量
7	士工篩	0.075~100毫米	套	1	顆粒級配
8	台秤	100千克，分度值50克	台	1	稱量
9	案秤	10千克，分度5克	台	1	稱量

質量控制

施工企業採用《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》施工時，應採取的質量控制要求如下：

1.該工法實施過程中，參照《土工試驗規程》SL237-1999進行試驗，質量控制要求和精度要求見表2。

表2 檢測項目和精度

檢測項目	檢測方法	允許偏差	備註
密度桶直徑和高	用鋼捲尺	±5毫米	-
砂石料質量	台秤、案秤、天平	±1%	-
含水量	炒乾法	±0.5%	密度桶中用風乾料
密度	灌水法或泓砂法	±0.03克/立方厘米	-
礫石含量	篩析法	±1%	-

2.最大、最小乾密度試驗裝料頂面距密度桶頂5~7厘米。

安全措施

施工企業採用《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》施工時，除應執行國家、地方的各項安全施工的規定外，尚應遵守注意下列事項：

為了保證試驗的順利安全進行，認真貫徹“安全第一，預防為主”的方針，應該採取以下安全措施：

1.試驗前組織相關人員進行安全學習。

2.在試驗場地周圍設定明顯的標誌牌，禁止無關人員和機械進入試驗場地。

3.設立專職安全員負責試驗場地的安全工作。

4.周圍如果存在爆破作業，應提前溝通，合理安排時間，儘量避過爆破時間。

5.車輛裝料不要太滿，以防灑落的砂礫石砸傷人。

6.指揮機械的人員要手持紅旗，並與機械保持足夠的安全距離，任何人員不得在機械的後面隨意跑動。

環保措施

施工企業採用《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》施工時，應採取的環保措施是：

1.在工法的實施過程中嚴格遵守國家和地方政府下發的有關環境保護的法律、法規和規章。

2.將施工場地和作業限制在工程建設允許的範圍內，合理布置、規範圍擋，做到標牌清楚、齊全，各種標識醒目，施工場地整潔文明。

3.加強對施工燃油、工程材料、設備、廢水、生產生活垃圾、棄渣的控制和治理，遵守有防火及廢棄物處理的規章制度。

4.對施工通行道路進行灑水，防止塵土飛揚，污染周圍環境。

效益分析

中國水利水電第十五工程局有限公司、中國水電建設集團路橋工程有限公司採用《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》施工的效益有：

1.社會效益

該工法的實施解決了黏土心牆壩和面板堆石壩大於60毫米砂礫石料施工質量控制標準的技術難題，為此類工程大粒徑砂礫石料填築控制標準的確定提供了一條新的途徑，確保了工程進度和工程質量。為保證國家和人民生命財產安全做出了貢獻。

2.經濟效益

該工法的實施免除了大量的室內試驗工作，與現場碾壓試驗合二為一，每個工程僅試驗費一項就可以節約30~50萬元左右。

套用實例

中國水利水電第十五工程局有限公司、中國水電建設集團路橋工程有限公司採用《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》的套用實例如下：

1.黑河金盆水利樞紐工程

a.工程概況

黑河金盆水利樞紐主要有攔河壩、泄水建築物、引水發電系統三大部分及古河道防滲與副壩、下游護岸組成。

黑河金盆水利樞紐攔河大壩為黏土心牆砂礫石壩，設計壩高130米，砂礫石填築總量603萬米3。

b.試驗結果

在黑河金盆水利樞紐工程中，以料場的上下包線和平均級配線為基準，做了不同級配不同礫石含量情況下的最大、最小乾密度試驗，試驗級配如圖3~5所示，結果見表3~5。

圖3 黑河大壩砂卵石料平均級配不同礫石含量試驗級配曲線圖

圖4 黑河大壩砂卵石料上包線級配不同礫石含量試驗級配曲線圖

圖5 黑河大壩砂卵石料下包線級配不同礫石含量試驗級配曲線圖

從試驗結果看，原型級配的最優礫石含量上移，在83.1%處，比以往模擬級配最優礫石含量在70%左右偏高約10%，這主要是隨著粒徑的增大，空隙率減小的原因導致的結果，符合一般規律。`

c.質量控制標準

依據試驗結果繪製Dr-pa-P5三因素相關圖（圖6），按設計相對密度在圖上查得不同礫石含量下的對應乾密度，作為施工壓實質量控制標準，如表6。

圖6 黑河大壩砂礫石料級配最大最小乾密度試驗三因素相關圖

d.施工中套用效果

黑河工程2000年8月底前，壩殼料填築341萬立方米，取樣1371組，統計結果見表7。

2.黃河公伯峽水電站

a.工程概況

黃河公伯峽水電站位於青海省循化縣與化隆縣交界處的黃河幹流上，樞紐建築物包括攔河大壩（混凝土面板堆石壩）、右岸引水發電系統及左岸溢洪道、泄洪洞、右岸泄洪洞等部分組成。

攔河大壩長429.0米，把頂寬10.0米，最大壩高139.0米。壩體填築量473立方米。黃河公伯峽面板堆石壩3BⅡ區砂卵石料最大粒徑為450毫米，築壩壓實標準的確定也採用了“密度桶法”。

b.試驗結果

青海黃河公伯峽水電站工程在總結陝西黑河金盆水利工程試驗和工程使用的經驗的基礎上，經過研究探討，選擇了45.0%、55.0%、60.5%、66.4%、70.0%、72.3%、75.0%、80.0%、85.0%、90.0%共10個不同礫石含量級配進行了試驗。其結果見表8、圖7。

表8 黃河公伯峽3BⅡ區砂礫石料不同礫石含量最大最小乾密度試

礫石含量Ps（%）	45.0	55.0	60.5	66.4	70.0	72.3	75.0	80.0	85.0	90.0
最大幹密度 （克/立方厘米）	2.143	2.233	2.288	2.34	2.379	2.397	2.418	2.387	2.343	2.287
最小乾密度 （克/立方厘米）	1.872	1.944	1.911	2.035	2.048	2.045	2.03	1.992	1.942	1.874

從試驗結果看，原型級配的最優礫石含量是75.0%，礫石含量60.0%、65.0%、70.0%，相對密度為0.8時所對應的乾密度與設計值基本一致；礫石含量在85.0%、90.0%所對應的乾密度比設計值高0.02~0.05克/立方厘米。這主要是由於粒徑的增大，孔隙率減小的原因所導致的結果，也說明模擬級配粒徑縮小過多，其密度也會降低。從試驗中觀察桶底部及側部塊石有明顯的擠壓痕跡，證明在此功能下，上部碾壓對底部有較強的壓實作用。

圖7 公伯峽密度桶法試驗砂礫石料級配曲線圖

c.質量控制標準

依據試驗結果繪製Dr-ρd-P5三因素相關圖（圖8），按設計相對密度在圖上查得不同礫石含量下的對應乾密度，作為施工壓實質量控制標準，如表9。

圖8 黃河公伯峽3BⅡ區砂礫石料級配最大最小乾密度試驗三因素

d.施工中套用效果

黃河公伯峽3BⅡ區料的部分取樣資料統計見表10。

3.渭南澗峪水庫

渭南市澗峪水庫工程位於一級支流赤水庫河上游西澗峪口以上280米處，距渭南市區31千米。由攔河壩、導流泄洪洞、溢洪洞、輸水洞等建築物組成。

攔河壩為砼面板砂礫堆石壩，面板最大壩高81.8米，壩頂長度196米。

2004年初，澗峪水庫工程在砂礫石料場複查的基礎上，以“密度桶法”確定了主堆石區砂礫料的壓實標準。具體作法同黑河金盆水利樞紐大壩壩殼料。澗峪水庫大壩兩年填築結束，共填築砂礫料伍十二萬陸任多方，挖坑灌水或挖坑灌砂取樣檢測約150多組，楊陵水科所也取樣檢測了幾十組，均達到或超過設計要求指標。挖坑後，觀察到填築層密實牢靠。根據表11，說明“密度桶法”確定的標準是可靠的。

榮譽表彰

2009年10月19日，中華人民共和國住房和城鄉建設部以“建質[2009]162號”檔案發布《關於公布2007-2008年度國家級工法的通知》，《現場“密度桶法”確定大粒徑砂礫料壓實標準工法》被評定為2007-2008年度國家二級工法。