水利水电工程土工比重试验精准度技术研究

罗小涛

(中国水利水电第五工程局有限公司,四川 成都 610066)

在岩土工程中,比重是一个无量纲的名词,土工试验中作为专用名词来对待,土粒比重是土的基本物理性质指标之一,是计算孔隙比和评价土质的主要指标。土粒比重是土在105～110℃温度下烘至恒值时的质量与土粒同体积4℃时纯水质量之比值。

在水利水电工程建设中,作为建筑材料和地基的土,有细料和粗料(以粒径5mm为界限)之区分。因此,在土工试验规程中,根据土粒小于和大于5mm分别采用比重瓶法、浮称法和虹吸筒法测定比重。土工试验规程规定,粒径小于5mm的土采用比重瓶法进行比重测定;粒径大于5mm的土,其中含粒径大于20mm颗粒大于10%时,用浮称法进行比重测定。

1 比重在工程质量控制中的重要性

比重是土的基本物理性质指标之一,作为计算孔隙比和评价土质的主要指标,在岩土工程中应用很广泛,尤其是在水利水电大坝填筑中,作为控制大坝填筑质量控制的重要指标,比重试验结果的准确性直接关系填筑料碾压后密实度是否达到真实设计指标要求。材料孔隙率或密实度大小直接反映材料的密实程度,材料的孔隙率高,则表示密实程度小。材料的孔隙率以P表示,其计算公式为

式中:P为孔隙率,%;ρd为干密度,g/cm3;ρw为水的密度,取1 g/cm3;Gs为土粒比重。

当试验比重结果偏大时,实测填筑孔隙率也偏大,施工成本增加,造成不必要的浪费;当试验比重结果偏小时,实测填筑孔隙率也偏小,实际填筑密实度达不到设计控制指标,大坝填筑质量存在隐患。

2 比重试验结果在工程质量控制中存在的问题

在水利水电工程建设中,往往有一些工程在施工过程中,在质量控制环节中对孔隙率换算比重的过程不明确,只是判断填筑料碾压后孔隙率是否达到了设计控制指标要求,并未重视孔隙率的换算问题,忽略了比重试验结果的重要性。在比重试验过程中对主要技术因素控制不到位,直接采用大于5mm颗粒混合料和小于5mm颗粒测定比重,然后计算加权平均比重。或者直接采用大于5mm颗粒进行比重测定,对大于5mm颗粒各粒径级不进行分级比重测定,从而出现试验结果数据离散性较大、实测比重值偏小的现象,导致换算的孔隙率偏小,这将从技术控制层面上降低了坝体填筑质量控制标准,对坝体沉降变形控制带来不利影响。

3 影响比重试验结果值精准度的主要技术因素

在比重试验过程中,影响比重试验结果值精准度的主要技术因素来自五个方面:试验操作技术人员,试验样品的代表性,土样和试样制备方法,比重试验过程,试验结果处理。

3.1 试验操作技术人员因素

试验技术人员对试验操作步骤没有充分了解,操作技术不熟练,整体业务能力水平偏低,对规程的理解不到位,不能严格按照相关规程进行规范操作。试验技术人员是水利水电工程建设质量控制的重要组成部分,其技能水平和专业素质的高低直接影响工程的建设质量。因此,相关单位必须重视试验技术人员的培训工作,通过定期组织专业素质和施工技术培训活动,对相关试验技术人员进行理论与实践的全面培训,还要提高试验技术人员的安全意识和质量意识,保障试验检测操作过程规范、数据准确。

3.2 试验样品代表性因素

在试验样品取样过程中,由于各种因素造成所取的试验样品不具代表性时,由试验所得比重结果无法准确判断填筑料碾压后是否达到了孔隙率的控制标准。为了保证检测数据的准确性,结果具有代表性,试验样品必须符合代表性要求。水利水电工程大坝填筑堆石料为当地岩土爆破开采料,岩体的比重整体上不均一,表层、中层与内部岩体的风化程度差异性较大,经过爆破开采后,堆石由不同比重的岩石组成,整体上比重差异性较大,在取样过程中,应对各粒组分别取代表性样品。当料场发生变化,或者料场岩性发生变化时应及时进行补充比重测定,以保证比重试验结果具有代表性。

3.3 土样和试样制备方法影响因素

土样和试样的制备程序是试验工作的第一个质量要素。为保证试验成果的可靠性和试验数据的可比性,必须统一土样和试样的制备方法和程序。土样和试样制备步骤的正确与否,都会直接影响试验成果。土样和试样制备时一定要控制好制备试样的均匀性,减少试验数据的离散性。

土样制备的目的是将具有代表性的试样,经过必要的制备程序制成各项试验用料。土样在试验前必须经过制备程序,包括土的风干、碾散、过筛、匀土、分样和贮存等预备程序。比重试验将全部土样依次过筛,按>100mm、100～80mm、80～60mm、60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、<5mm分组,根据土样性质,从大于和小于5mm粒径的土样中分别经四分法缩分成两份代表性土样备用。

由于仪器设备尺寸的限制,超过试验仪器允许的粒径,在加权平均比重计算过程中,根据颗粒级配分析试验,将大于100mm颗粒按照剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法等四种样品制备方法制样计算后进行换算。一般情况下,剔除法制备样品代表性较差,通常采用等量替代法、相似级配法、混合法等三种样品制备方法制样。

3.4 比重试验过程影响因素

在水利水电工程大坝堆石料填筑中,比重试验应按照100～80mm、80～60mm、60～40mm、40～20mm、20～10mm、10～5mm、<5mm各级分别进行试验。粒径大于5mm的试样采用虹吸筒法进行试验,小于5mm的试样采用比重瓶法进行试验[1]。

a.取样数量。取粒径大于5mm的代表性试样1000～7000g。通常情况下,为了减小试验结果的离散性,试样数量随各粒径级的增大而增加。10～5mm粒径级可以取试样2000g,20～10mm粒径级可以取试样3000g,40～20mm粒径级可以取试样4000g,60～40mm粒径级可以取试样5000g,80～60mm粒径级可以取试样6000g,100～80mm粒径级可以取试样7000g。

b.试样冲洗。按照各粒径粒组分别将试样冲洗干净,该环节非常重要,冲洗不干净时,样品表面附着带的细小颗粒或者杂质会造成虹吸筒内试验用水密度发生变化,从而造成试验结果偏差值较大。

c.试样浸水。试样浸在水中24h后取出,浸水时间不能少于24h,土样材料性质不同,吸水率不同,少于24h时有些吸水率较大的材料不能够完全吸水饱和,造成试验结果误差。

d.试样表面水分。在浸水完成后,规程要求晾干(或用布擦干)其表面水分待试。通过试验论证,样品表面水分不能用干抹布直接擦干,要用湿抹布擦干试样表面水分;采用晾干方法时,一定要注意时间控制,多观察试验表面水分情况。

以上这些试验步骤细节部分常被许多试验技术人员所忽略,或是不被重视,因此人为影响因素较大,最终造成试验结果离散性较大。

3.5 试验结果处理影响因素

在试验结果处理中,应按照石料各粒径组比重及填筑料颗粒级配组成质量百分数进行加权比重换算。在大坝堆石料填筑过程中,每个部位填筑的堆石料颗粒级配均有所不同,各粒径粒组含量所占比例也均不同。当填筑碾压后进行碾压密实度质量控制密度检测过程中,在设计控制指标孔隙率换算中,比重采用密度试验试坑内全料级配比例加权比重,这样才能够准确判断碾压后孔隙率是否达到设计控制指标要求。不同级配料随着各粒组所占比例不同,最终比重取值也随之不同,换算比重值随着各粒径粒组比例的变化而变化,不能采用统一的或单一的比重值换算,否则,会造成填筑料碾压后孔隙率控制指标不能够满足设计指标要求,严重影响坝体填筑质量,不利于坝体沉降变形的控制。

4 试验程序分析

在水利水电工程中,大坝堆石料填筑孔隙率指标控制中,比重试验小于5mm采用比重瓶法进行试验,大于5mm颗粒比重采用虹吸筒法进行试验[2]。

4.1 小于5mm颗粒比重

4.1.1 比重瓶校准

通过试验分析研究,比重瓶的玻璃在不同温度下会产生膨胀收缩,水在不同温度下的密度(比重)也各有不同。试验前对比重瓶必须进行校正。

4.1.2 排气方法

比重瓶法试验过程中,为排除土中的空气,一般情况下,采用煮沸法进行排气。但对于含有可溶盐、亲水性胶体或有机质的土,必须用中性液体(如煤油)测定,且采用真空抽气法代替煮沸法,煮沸和抽气时间应符合规程规定。

4.2 大于5mm颗粒比重

4.2.1 仪器设备的校准

虹吸筒法比重试验在试验前必须先进行虹吸筒的校准。首先,注清水入虹吸筒,至管口有水流出后,关闭管夹,将试样缓缓放入筒内,待虹吸筒中水面平稳后,开管夹,让试样排开的水通过虹吸筒吸管流入量筒中,称量筒与水的总质量。经过试验验证论证,在将试样排开的水通过虹吸筒吸管流入量筒中时,往往在虹吸筒内吸管处会形成一个或多个气泡膜,造成虹吸筒内的水排开不到位,称量的量筒与水的总质量存在误差,导致试验结果不正确。因此,当虹吸筒内排水吸管处排水不到位存在偏差时,在排水管口处加装一与虹吸筒内水平面平行的排水管,使其水面与排水管之间形不成气泡膜,且在试验过程中,应多观察虹吸筒内排水吸管处排水的状态,以及平行称量量筒与水的总质量,来消除因排水不到位导致的试验结果偏差。

4.2.2 排气方法

虹吸筒法比重试验排气中,在将试样缓缓放入筒的过程中,边放边搅拌,一直搅拌至无气泡逸出时为止,搅动时必须注意勿使虹吸筒内水溅出筒外。在试验人员平时的操作过程中,一是排气不彻底,二是在搅动的过程中不够仔细,导致水溅出筒外。排气不彻底或者在搅动过程中水溅出虹吸筒外,往往造成测定的结果不稳定,其原因主要是粗颗粒的体积测试不准,若是在操作中排气不充分,往往测得的比重值偏小。

5 试验结果分析

通过室内比重试验,比对分析不分级比重测定与分级比重测定下的加权平均比重变化的特性,试验结果见表1。

表1 不分级与分级后比重测定比对分析成果

通过试验分析,不分级条件下测得的比重值经计算加权平均比重较大,分级条件下测得的比重值经计算加权平均比重较小。如,爆破料填筑设计孔隙率控制指标为不大于19%,现场实测干密度为2.20g/cm3时,采用分级加权平均比重计算孔隙率为19%,采用不分级加权平均比重计算孔隙率为19.3%。可以看出,采用不分级比重计算出的孔隙率与采用分级比重计算出的孔隙率相差0.3%,不能满足设计控制指标要求。因此,在施工过程中,不分级条件下测得的比重值用于坝体填筑质量控制离散性较大,在试验过程中应避免各种人为因素造成的实测数据离散性偏大现象[3]。

试验结果表明,比重试验采用密度试验试坑内全料级配比例加权比重,通过各粒径粒组分别进行比重试验后,在设计控制指标孔隙率换算中,具有离散性小、稳定性好的特点,能较好地为堆石体密度高精度计算提供前提。该方法可以较好地适用于由不同粒径组成的堆石体的质量控制,与单一的比重计算方法相比,有利于大坝堆石料填筑质量控制,尤其对于高坝来说,能够提高大坝抗震安全储备有效和控制大坝施工质量等。用该方法指导现场施工,能够提高现场试验检测控制标准的稳定性、快速性、准确性,加快施工进度,减小坝体变形,提高大坝抗震安全储备和有效控制大坝施工质量,在类似工程中也能得到很好的应用。

6 结 语

比重是水利水电工程大坝堆石料填筑施工质量控制的重要指标,对于保证岩土工程建设质量意义重大。只有做到过程规范、结果准确,离散性在规范要求范围内,才能控制好岩土工程建设质量,保证坝体填筑质量,减小坝体沉降变形,护航工程安全运行。