碎石土回填施工质量控制指标分析

何清举，苏保国，豆新国

（1.河南省水利第二工程局，450016，郑州；2.河南省水利科学研究院，450003，郑州；3.河南省水利第一工程局，450003，郑州)

一、基本情况

南水北调中线一期工程河南安阳段是中线工程总干渠第Ⅳ渠段 （黄河北至漳河南段）的组成部分，处于总干渠第Ⅳ渠段的最北部。南起汤阴羑里河倒虹吸出口，北接总干渠第Ⅴ渠段穿漳河倒虹吸起点，全长40.262 km。该段总干渠设计流量235～245 m3/s、加大流量265～280m3/s，设计水深7.0m。渠道纵比降1/28000，横断面采用梯形明渠，渠道内边坡坡比 1∶2～1∶3，渠底宽12.0～18.5 m，大部分渠道为半填半挖，局部最大挖深25.0 m。主要工程量合计2621万m3，其中土石方开挖1793 万 m3，土方回填 729 万 m3，混凝土和钢筋混凝土50万m3，砌石31万m3，砂石垫层 18万 m3，钢筋制安 2万t。工程静态总投资19.2亿元。

该段沿渠共布置各类交叉建筑物76座，其中河渠交叉3座，左岸排水16座，渠渠交叉9座，公路交叉43座，铁路交叉1座，分水口门1座，节制闸1座，退水闸1座。沿途左排、渠渠交叉建筑物共计25座，按照设计要求该类建筑物顶部高程以下基坑采用碎石土回填。

二、碎石土回填的技术要求

1.设计要求

根据设计要求，碎石土回填之前建筑物外侧需涂抹20～30 mm厚的黏土泥浆，随涂随填，以保证回填碎石土与建筑物接合紧密。

管身两侧、管顶以下基坑范围内回填低压缩性土。在压缩系数小于0.1 MPa-1的中重粉质壤土中，按30%～35%的重量比掺入碎石并拌和均匀，碎石土压实度要求大于100%。

2.相关技术规范要求

《南水北调中线一期工程渠道工程施工质量评定验收标准 （试行）》（NSBD 7—2007）关于土方填筑单元工程填料压实质量标准：试样检测点合格率大于或等于95%，最小值大于或等于设计值的0.98倍。碎石土回填压实质量标准，参照执行该项规定。

3.碎石土回填施工

按照设计要求，确定碎石掺量比，并进行室内碎石土击实试验。

依据试验确定的碎石掺量比集中拌制碎石土，运至施工现场后用挖掘机摊铺。松铺厚度30～35 cm,用20 t凸块振动碾碾压8～10遍，直至检验合格。建筑物两侧碎石土分层均衡上升，在机械无法碾压到的边角部位采用人工夯实。

碎石土填筑质量采用灌水或灌砂法检测。

三、碎石土压实度与回填质量的关系

建筑物基坑碎石土回填所用的碎石尤其是回填土存在差异，现仅以安阳段流寺沟左排碎石土回填为例来分析施工质量控制指标，以供其他建筑物和类似工程施工参考。

1.碎石土回填材料技术参数

流寺沟左排碎石土回填使用20～40 mm粒径的碎石，表观密度ρg为2.73 g/cm3。回填土轻型击实最大干密度ρsk为1.76 g/cm3。碎石土配合比碎石重占干土重的30%，重型击实最大干密度ρ为1.98 g/cm3，相应土体重型击实最大干密度ρsz为1.83 g/cm3。

2.碎石土干密度与碎石掺量比的关系

碎石土是碎石与土均匀拌和碾压成型后的一种建筑材料，碎石被土体包裹，接合紧密。单位体积的碎石土质量ρ与其所含的土体质量ms、土体密度ρs、碎石表观密度ρg、碎石质量mg及碎石掺量比α%之间存在公式（1）、（2）所表示的关系。

以碎石表观密度ρg为2.73 g/cm3，土体干密度ρs取重型击实土体最大干密度 1.83 g/cm3，按公式（1）、（2）计算不同碎石掺量比的碎石土最大干密度，结果见表1。在土体干密度不变的情况下，碎石土的干密度随碎石掺量的增加而增大。同理，在碎石土干密度不变的情况下，由公式（1）、（2）可以分析得出其土体干密度随碎石掺量的增大而减小。由此可见，在评价碎石土的回填质量时碎石土压实度不是唯一的评价指标，应综合考虑碎石掺量这一影响因素。

3.碎石土压实度及碎石掺量控制指标

碎石土中碎石被土体包裹，一般认为碎石不具有可压缩性，碎石土的回填质量取决于其中的土体压实度。在此，我们把碎石土中土体的干密度与其重型击实最大干密度比值（重型压实度）不小于95%，同时土体干密度与其轻型击实最大干密度比值（轻型压实度）不小于100%作为碎石土回填碾压合格的判别标准。

把碎石掺量为30%时的重型击实最大干密度ρ为1.98 g/cm3作为判别基准值，由式（2）计算不同碎石掺量比时单位体积碎石土中的土体质量。

流寺沟左排碎石的表观密度ρg为 2.73 g/cm3，由公式（1）计算出不同碎石掺量比时碎石土中土体的干密度，并由此计算出相应的重型压实度和轻型压实度。

依据碎石土回填碾压合格判别标准，当碎石土干密度不小于击实标准，碎石掺量比小于45%时，其土体的重型压实度不小于95%，轻型压实度不小于100%。因此，在碎石土压实度合格的情况下，应以碎石掺量比小于45%作为碎石土碾压检验合格的控制指标。

4.最小碎石土压实度及碎石掺量比控制指标

参照《南水北调中线一期工程渠道工程施工质量评定验收标准 （试行）》中“渠堤土方最小干密度不应小于设计值98%”的规定，我们把碎石土中土体的重型压实度不小于93%，同时土体的轻型压实度不小于98%作为分析确定碎石土最小压实度和碎石掺量比控制指标的判别标准。

按碎石土干密度为最大干密度的 98%，由公式（1）、（2）计算出不同碎石掺量比相应的土体重型压实度和轻型压实度。根据计算结果，当碎石土压实度为98%，碎石掺量比小于45%时，其土体的压实度同时可满足重型压实度不小于93%、轻型压实度不小于98%的控制指标。因此，当碎石土干密度不满足击实标准时，其压实度不应小于98%，同时应以碎石掺量比小于45%为控制指标。

表1 碎石土干密度与碎石掺量比的对应关系

四、以碎石土中土体的压实度评定回填质量

1.碎石土中土体压实度的计算方法

基于碎石土压实度取决于其中土体的密实程度这一基本认识，可以直接应用碎石土中土体的压实度来评定碎石土的回填碾压质量。我们把碎石土中土体的轻型压实度不小于100%作为碎石土回填碾压合格的判别标准。

用于计算碎石土中土体压实度的回填材料技术参数包括：回填土体的轻型击实标准ρsk和碎石表观密度ρg。

现场和试验室检测、计算的数据包括：碎石土试样体积V、试样质量m、干石质量 mg、湿石质量 m′g、土体体积Vs、土体平均含水量β%及其干密度ρs。

碎石土试样中土体的干密度符合公式（3）、（4）所表示的关系：

以流寺沟碎石土一组试验数据为例，由公式（3）、（4）计算土体压实度，结果见表2。

以碎石土中的土体压实度评价回填质量，表2中的试样土体干密度均大于其轻型击实标准，检测指标合格。

2.碎石逊径含量对土体压实质量的影响

对碎石土试样中的土体进行压实度检测时，由于土体中逊径碎石的存在，土体干密度实际值比检测计算值偏小。因此，用土体压实度（或干密度）评价回填质量时，必须考虑碎石逊径含量这一影响因素。

假设碎石掺量比为α%的碎石土，碎石的逊径含量为αx%，单位体积的土体中含有土体质量ms、逊径碎石质量为 ms·α%·αx%，土体干密度合格时应满足公式（5）。扣除单位体积土体中的逊径碎石所占的体积，实际土体体积可表示为式（6）。此时的土体干密度不应小于轻型击实标准的98%。

联解公式（5）、（6）、（7），可得到碎石的逊径含量应满足公式：

把流寺沟碎石土回填材料技术参数代入公式（8），碎石掺量比为45%时碎石逊径含量应小于12.8%，对于机制碎石来说这一指标是比较容易控制的。在碎石土回填施工过程中可采用碎石逊径含量小于10%作为控制指标。

五、碎石土回填施工质量评价

1.评价方法

目前，通常使用碎石土压实度（或干密度）来评定回填碎石土的施工质量。通过上述分析，我们认为碎石土压实度不能作为唯一指标，必须同时控制碎石含量。碎石土压实度合格，碎石掺量比应小于45%，且最小压实度不应小于98%。

表2 碎石土中土体压实度检测结果

碎石土回填质量用土体压实度评价比较客观直接，碎石掺量比不再是控制指标，而仅作为检测指标。碎石逊径含量也比较容易控制，可用小于10%作为控制指标。

综合比较两种评价方法，我们推荐使用碎石土中土体压实度评定碎石土回填质量。

2.存在问题

使用碎石土中土体压实度评定碎石土回填质量模糊了碎石掺量比这一控制指标。如果碎石含量太小，致使碎石土的允许沉降量不能满足设计要求，将导致交叉建筑物周边与相邻渠堤的不均匀沉降；如果碎石含量过大，土体不能完全包裹碎石，不仅该计算方法不再适用，同时碎石土的不稳定结构可能会因渗透变形而导致渠堤及渠道防渗结构的破坏。因此，无论采用何种方法评定碎石回填土的施工质量，碎石含量都应作为一项控制指标。

[1]国务院南水北调工程建设委员会办公室.南水北调中线一期工程渠道工程施工质量评定验收标准 （试行）[S].2007.