粉细砂筑堤填筑标准确定的工程实践

汪德云

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

粉细砂筑堤填筑标准确定的工程实践

汪德云

（北京市水利规划设计研究院，北京 100048）

文章通过对粉细砂压密击实的工程特性与筑堤填筑工程现场碾压试验的对比分析，明确了在堤防工程设计施工中，按照设计规范规定采用相对密度指标作为均匀粉细砂土的筑堤碾压控制标准，存在着难于操作无法实现的问题所在，并介绍了实际工程中对粉细砂填筑标准确定的应对方法及措施，供类似工程借鉴。

粉细砂；筑堤；填筑标准

堤防勘察设计中的筑堤填筑料宜选用土料、石料及砂砾料等；砂性土，特别是粉细砂原设计规范为限制采用的土料。新修订的堤防设计规范，虽取消了限制，但实践中，由于粉细砂的压密击实特性很差，在按无粘性土类进行填筑设计时，仍存在着填筑标准难以确定的问题。

近年来在永定河流域的滞洪水库、河道堤防等水利工程建设实践中，对解决此类问题有了一些认识和体会，现将其进行归纳总结，仅供从事类似工程勘察设计的技术人员参考，不足之处请批评指正。

1 关于填筑标准的规定

堤防工程勘察设计中，贯彻因地制宜、就地取材的原则，并结合工程具体情况，合理确定所用筑堤料的填筑标准，是核心问题之一。它解决的好坏，既关系到能否满足工程在稳定、应力、变形、渗流控制等方面的要求，又关系到能否在客观条件限制下施工操作可行。

土料的填筑质量需使其具有足够的抗剪强度和较小的渗透性、压缩性，填筑质量的主要标准是土的密实度和均匀性。对不同等级、不同土料填筑的土堤确定合理的压实度，才能使堤防断面设计经济合理。

筑堤用土料除淤泥类土、杂填土及水稳定性差的膨胀土、分散性土等特殊土，主要为粘性土和无粘性土两大类。粘性土料，可按照规范要求，根据击实试验确定的最大干密度与最优含水量指标，结合堤防等级，确定其压实干密度和所需的含水率，即为填筑设计、施工的控制标准。提供此压实度下土体的物理力学参数，作为稳定计算、断面尺寸确定的依据；指导施工碾压试验，确定施工参数。

无粘性土料，规范采用相对密实度指标进行控制。碾压式土石坝设计、水工建筑物抗震设计等规程规范明确规定，甲类无粘性土填土（即将承受建筑物的荷重的填土）的相对密实度要求大于0.8，乙类填土（即不承受建筑物的荷重的填土，如土坝、堤防等用土）相对密实度一般为0.65～0.80。按堤防工程设计规范规定，I级堤防无粘性土料的压实标准为相对密度0.65，原规范规定粉细砂不宜作为堤身填筑材料，不得不使用时应采取处理措施。

无粘性土中的砂砾料及级配较好的粗粒砂料相对好解决，恰恰是其中的粉细砂类料，其颗粒组成多为均匀性好的不良级配料，压密击实特性很差，河流中下游又分布广泛，正常施工条件下压密指标很难达到规范要求的填筑标准。

2 工程实际状况

以永定河滞洪水库工程为例，其位于河流中下游宽广的滩地上，地层岩性为第四系全新统冲洪积松散厚层堆积物，砂料自上游至下游逐渐变细，地表以下8～10m为厚层粉细砂，该工程利用开挖永定河右侧滩地形成稻田和马厂水库，需下挖4～6m后，结合用开挖料筑堤而围成水库，主要有左堤（中堤）、右堤、横堤等建筑，均为I级堤防，形成几千万方的库容，将超限洪水暂滞削峰。工程土方开挖量巨大，仅新填筑的左堤全长就在10km以上，总体上达数千万方级。勘察设计中，遇到了新建堤身的填筑标准确定之难题，它的确定关系到在既定断面下，浩大土方量的功效实施问题。

表1 砂样基本组成及物理特性

满足堤防工程设计规程要求，同时考虑到滞洪水库工程运行工况的特殊性，设计和审查文件明确：滞洪水库进水闸、连通闸、退水闸、分洪闸4座主要建筑物按8度抗震设防，而左堤、右堤、中堤、横堤4座建筑则执行I级堤防标准，但不考虑地震与滞洪遭遇，粉细砂土料的压实标准采用相对密度0.65。

在工程区分别取几十组粉细砂土样进行试验，试验结果见表1。其平均粒径均在细颗粒组以下范围内，粘粒含量小于1%，不均匀系数 Cu＜5，曲率系数3＞Cc＞1，为不良级配土，粒径均匀。

而永定河流域属暖温带半湿润大陆性季风气候，滞洪水库工程区地表以下8～10m范围内，粉细砂天然含水率2.54%～6.22%。现场碾压试验，碾压机械采用12～18T振动碾，层厚40～50cm，施工气候环境条件下，碾压获得的实际效果其相对密实度仅为0.38～0.43，接近天然状态下的沉积密度，无法达到粉细砂土料的压实标准采用相对密度0.65的规定要求。

3 压实效果分析

3.1 粉细砂的压密击实特性

在工程区上、中、下游料场内分别选取代表性土样4组，对所取土样进行室内击实试验［1］，以测定筑堤土料的干密度与含水率的关系，确定筑堤土料的最大干密度与最优含水率，从而了解筑堤土料的压实特性，为现场施工碾压提供合理的压实参数。

试验参照《土工试验规程》SL237-1999“击实试验”中轻型击实进行。土样基本物理性能见表1。

图1 筑堤土料击实曲线图

土料击实试验的结果表明，4种土料在一定击实功条件下干密度与含水率关系基本一致，呈现明显的无粘性土的击实特性（干密度与含水率关系曲线见图1）。在含水率为0及最优含水率情况下，砂样的干密度达到最大。其中当含水率为0时，土料的干密度略高于最优含水率时的最大干密度。当含水率在4.5%～9.5%时，4种土料的干密度曲线呈现明显的水平段，在此范围内干密度并不随含水率的变化而变化，且在该含水率范围内击实干密度最小。

其它研究成果表明，砂砾料含水率与击实干密度的关系曲线呈“V”字型，干燥状态下易于压实，过最低点后，干密度随着含水率的增加而增大，较易于压实。粘性土料含水率与击实干密度的关系曲线呈“Λ”字型，存在最优含水率，含水率相对该值过大或过小，均达不到最佳击实效果，该类土属于易于压实土。

对比砂砾料、粘性土料，均匀的粉细砂的含水率与击实干密度的关系曲线呈“U”字型，两个最大干密度对应两个极端含水率值，0% ～0.5%和15%～19%，由于含水率的控制难题，使它成为最难于击实土料。

3.2 砂土相对密度试验与其击实试验的关系

砂的设计指标，用相对密实度表示：

根据砂的最大最小干密度试验成果和设计要求的相对密度，提出设计干密度：

其由来为：对于砂、卵石等无粘性土，最主要的物理状态指标就是紧密度，作为填方，则就是要求压实到一定紧密度。而其紧密度首先反映在孔隙比e上，孔隙比愈小，表示土愈密实。但由于用孔隙比判别密实度没有考虑级配的因素而存在缺点，因此通常采用相对密度来表示砂土的密实度。

上述设计干密度公式中的最大干密度ρmax与最小干密度ρmin是由室内相对密度试验击实法确定的。少数的研究表明，修正普氏（重型）击实试验得出的最大干密度约相当于相对密实度0.5到0.7，前一值适用于级配较好的土，后者适用于级配不好的土［2］。砂性土中的粘粒含量在5%以上，才有最优含水量等粘性土的性质。

永定河滞洪水库筑堤砂料属级配不好的土，且粘粒含量在1%以下，不具有最优含水量等粘性土的击实性质。其典型粉细砂轻型击实试验的结果分别为最大干密度1.65～1.81g/cm3，其对应的相对密度0.53～0.63，低于相对密度0.65对应的干密度 1.68～1.75g/cm3（详见表 2）。

表2 砂样压密击实特性参数

现场施工控制是选取击实指标为标准，参照实施，来执行设计控制干密度。

3.3 现场碾压试验分析

现场由于粉细砂天然含水率在3%～10%区间内，根据库区击实试验成果，含水率变化对击实干密度影响不大，属于难以压实区。仔细观察该类土现场碾压试验可以发现，大吨位的震动碾辊下砂层下降，其两侧砂料上涌，即使重碾强震，密实度变化不大，与砂砾料、粘性土碾压时，加大压实功能就可以明显地提高压实密实度有明显的差别。现场碾压机械、施工气候环境条件下，地表砂料含水率最低只能降至3%，无法降至0.5%以下。相对密度0.70与0.65的干密度之差仅0.02g/cm3左右，试验说明，均匀粉细砂和一般砂砾石料碾压效果相差明显，加大碾压功能对提高其密实度功效甚微。说明相对密度标准来确定填筑控制干密度的可操作性很差。

资料介绍［3］，新疆大漠地理环境条件下，沙层天然含水率一般也有1%左右。另一方面，现场条件下，用洒水车及其它喷灌设备给砂料加水，其碾压时，工作面的含水率仅能保持在8%～10%，无法达到15%以上。上述现场试验、施工条件无法象试验室一样让砂料的含水率接近曲线的两个极端含水率区域，实际总是在最难压实的含水率区间内实施碾压，碾压获得的实际效果其相对密实度仅接近天然状态下的沉积密度（详见表2）。

现场试验结果完全符合粉细砂压密击实的规律性。

决定砂土密实度大小的内在因素在于砂土的特殊土体结构，砂土的土体结构常常表现为单粒结构，即较粗的矿物颗粒在其自重作用下沉落，颗粒间依靠其表面粗糙产生的摩擦力及颗粒之间互相镶嵌、连锁作用产生的咬合力而达到每个颗粒的稳定。而不似粘性土中那样是较细的颗粒依靠土颗粒间接触点处的分子引力相互吸附而更稳定。

内外因素，均不具备达到压实标准所需要的条件，这就是均匀粉细砂料达不到压实标准的原因所在。也就难于达到规范规定的相对密实度要求。

4 填筑标准确定的对策

水工建筑物填筑标准是指要求的压实干密度和填筑含水量。经调研，已有的确定填筑标准的方法很多，大致可归并为5类，它们分别以下列5种作为确定填筑标准的依据［3］。①以料场土料的天然含水量或天然干密度为依据；②以要求的填土工程性质指标为依据；③以所掌握的施工机械和压实方法为依据；④以相对密实度试验成果为依据；⑤以击实试验成果为依据。

实践证明，对粘性土来说，以击实试验成果为依据的方法使用最广，因适用范围广，经济而且方便。对于堆石来说，一般以施工方法为依据。

从粉细砂压密击实特性及本工程现场碾压试验效果来看，显而易见按规范规定的采用其相对密实度指标进行控制是难于实现的。

对于本工程，应寻找出现实碾压设备及粉细砂含水率不利条件下的最好压实效果，并应采用对应填筑密实度状态下堤身土体的重度、抗剪强度、渗透性、压缩性等物理力学指标重新核算，验证其能否满足在稳定、应力、变形、渗流控制等方面的要求。

工程实践中，按照统一要求，各标段工程承包商同时进行了现场碾压试验，采用12～18T振动碾，粉细砂均匀铺层，厚度40～50cm，含水率一般为6%～10%，碾压（双向）4至5遍达到最大密度，相当于轻型击实试验最大击实干密度的90%～95%之间，再增加碾压遍数，密实度变化不明显，有时反而降低。通过大量的现场碾压试验，基本摸清了不同铺厚、含水率、碾重、振动、遍数等各项碾压参数与压实干密度之间的关系。经评审后认为，施工用设备和试验结论基本合理，若施工中能够切实按照这样的工艺严格进行，已经做到了目前条件下的最好压实效果。结合设计安全复核的验算成果，堤身的压实度已达到安全的要求。

对于本工程的粉细砂土料，上述分析结论对应的是采用上述依据中的“② +③”相结合的方案，即主要依靠碾压工艺来保证施工质量，现场施工碾压压实标准建议采用最大击实干密度的90%～95%作为填筑控制干密度，以此标准，制定明确的压实工艺，实现客观条件下的最好压实效果。前提是满足本工程的设计条件，即库区开挖量巨大，填筑砂料充足，设计为堤顶宽75～100m，堤坡1∶4.5的超大断面，以此有了足够的安全储备。在保证填筑均匀、预留足够的沉降量条件下，整体工程安全是完全可以得到保证。

现工程已建成十多年，各项监测数据显示堤防整体沉降变形均在正常范围之内，符合当初的设计标准要求。

5 结语

堤防工程设计中，从粉细砂的压密击实特性及现场试验结果来看，是难于压密的，对应状态下的各项物理力学指标值也是偏低的，确实不宜使用粉细砂作为填筑土料。不得已使用时，在满足设计断面要求、使工程具有足够安全储备的前提条件下，遵循其压密击实规律，主要依靠控制施工现场碾压工艺来保证施工质量，实现客观条件下的最好压实效果的方法是可行的。

［1］北京市水利科学研究所.永定河滞洪水库工程“筑堤土料击实试验分析报告”［R］.1999.

［2］陈愈炯.填土填筑标准的确定和实施［J］.工程勘察，1993（01）： 9-12.

［3］新疆水利水电勘测设计研究院.引额济乌工程“沙漠砂工程性质研究报告”［R］.2000.

TV541+.1

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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，教授级高级工程师。