楊 鰲卓 越（.安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 33000 .三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 宜昌 44300）

三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用研究

楊 鰲1卓 越2
（1.安徽省·水利部淮委水利科學(xué)研究院 蚌埠 233000 2.三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院 宜昌 443002）

在大面積的土方填筑施工現(xiàn)場(chǎng)，為了不影響施工的進(jìn)度和質(zhì)量，通常采用三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法來(lái)檢測(cè)土方填筑壓實(shí)度。文中介紹了三點(diǎn)擊實(shí)實(shí)驗(yàn)法的原理及應(yīng)用，并結(jié)合南水北調(diào)工程中的實(shí)例，對(duì)三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的兩種特殊情況進(jìn)行了原因分析，總結(jié)出這兩種特殊情況下的處理措施。

三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法 含水率 變換濕密度 數(shù)解法

1 前言

三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法又稱快速壓實(shí)度控制法，是美國(guó)工程師Hilf研究出的一種土料填筑質(zhì)量控制方法，1957年試用。用此方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)時(shí)，不需要測(cè)定含水率，僅在測(cè)定濕密度后用測(cè)密度試驗(yàn)的土樣做三種含水率的擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定三個(gè)擊實(shí)濕密度，就可以確定填土的壓實(shí)度（D）、最優(yōu)含水率（ωop）與填土含水率（ωf）的差值。此種方法的優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，效率高，不影響施工進(jìn)度，能較好地考慮土料壓實(shí)性的變化，對(duì)于壓實(shí)性變化較大的粘性土或礫質(zhì)土宜用此法控制壓實(shí)度。此方法在國(guó)外機(jī)場(chǎng)、土壩等大面積土方填筑工程中運(yùn)用廣泛。

2 三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法原理

2.1 壓實(shí)度

根據(jù)壓實(shí)度定義得出：

式中：ρdf—填土實(shí)測(cè)干密度，g/cm3；

ρf—填土實(shí)測(cè)濕密度，g/cm3；

ρdm ax—室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)最大干密度，g/cm3；

ωf—填土含水率，％。

三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣得出填土實(shí)測(cè)濕密度ρf，再引入計(jì)算參數(shù)：

式中：ω—任意含水率，％。

Z的物理意義是以原土樣濕質(zhì)量百分?jǐn)?shù)表示的加水量。用圖解法或數(shù)解法求得變換后的標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)最大濕密度ρdm ax（1+ωf），則無(wú)需測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)最大干密度即可得出壓實(shí)度D。

2.2 含水率差值

最優(yōu)含水率與填土含水率差值：

式中：Zm—最優(yōu)含水率與填土含水率的偏差值,％；

Δ—最優(yōu)含水率與填土含水率的偏差修正值，％。

3 三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)方法

三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法有圖解法和數(shù)解法，圖解法經(jīng)過(guò)多次豎、橫向的畫(huà)線定點(diǎn)，累計(jì)誤差較大，精度較差，不易推廣使用。根據(jù)實(shí)用性要求，本文只介紹數(shù)解法的應(yīng)用。對(duì)于三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)中加水的情況，可以用數(shù)解法求壓實(shí)度D及最優(yōu)含水率與填土含水率的差值，操作方法如下：

（1）測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)填土的濕密度ρf。

（2）取小于5mm保持填土含水率的土樣，以標(biāo)準(zhǔn)功能進(jìn)行擊實(shí)，測(cè)定其擊實(shí)濕密度ρ1。因保持原填土含水率未加水，外加水率Z=0，故其濕密度與變換濕密度ρ1'相同。ρ1'=ρ1/（1+0）=ρ1。

（3）取3kg小于5mm保持填土含水率的土樣，加水60cm3（即Z=0.02），混合均勻后，以標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能擊實(shí)，測(cè)得擊實(shí)濕密度ρ2。其變換濕密度ρ2'=ρ2/（1+0.02）。

（4）取3kg小于5mm保持填土含水率的土樣，加水120cm3（即Z=0.04），混合均勻后，以標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功能擊實(shí)，測(cè)得擊實(shí)濕密度ρ3。其變換濕密度ρ3'=ρ3/（1+0.04）。

以變換濕密度ρ'為縱坐標(biāo)，加水率Z為橫坐標(biāo)，繪制ρ'-Z關(guān)系曲線。通過(guò)擊實(shí)變換濕密度ρ1'、ρ2'、ρ3'坐標(biāo)點(diǎn)，A、B、C三點(diǎn)的拋物線峰點(diǎn)的位置M（Zm，ρm）為：

式中：YB=ρ2'-ρ1'；YC=ρ3'-ρ1'；

ρm—變換最大濕密度，g/cm3；

Zm—最優(yōu)含水率與填土含水率的偏差值，其正值表示填筑土料含水率偏低，負(fù)值表示填筑土料含水率偏高。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程簡(jiǎn)述

南水北調(diào)東線某水庫(kù)壩軸線長(zhǎng)8.13km，最大壩高13.7m。壩體填筑由于土料開(kāi)采采用立面開(kāi)挖，填筑時(shí)不同土質(zhì)土料混合上壩。由于土的形成方式及組成材料的多樣性，土成為一種很不均勻的材料，施工時(shí)若僅用一個(gè)干容重值作為控制指標(biāo)來(lái)選擇碾壓參數(shù)，遇到壓實(shí)性好的土料就會(huì)大大超壓，遇到壓實(shí)性差的土料則達(dá)不到壓實(shí)要求。為在保證施工進(jìn)度的同時(shí)確保施工質(zhì)量，確定采用三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法作為現(xiàn)場(chǎng)填筑質(zhì)量控制的主要方法。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及分析處理

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)已完成填筑要求的土料進(jìn)行探坑開(kāi)挖，探坑長(zhǎng)×寬為0.8m×0.6m，深度為0.5m左右，每個(gè)探坑取土樣1組，每組平行取土樣2個(gè)，測(cè)定濕密度，再對(duì)開(kāi)挖處土樣做三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)，以復(fù)核其是否滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。濕密度檢測(cè)采用環(huán)刀法，濕密度值由整個(gè)環(huán)刀體積內(nèi)的濕土土樣稱重而得。壓實(shí)度根據(jù)所測(cè)濕密度值與三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法得出的變換最大濕密度值計(jì)算而得。

三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)解法的使用條件是現(xiàn)場(chǎng)填土含水率必須低于最優(yōu)含水率，擊實(shí)土樣分別以2％、4％的加水率加水后進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)得出的三點(diǎn)變換濕密度繪制拋物線圖計(jì)算最優(yōu)含水率與填土含水率的差值及變換最大濕密度。但在工程中的實(shí)際情況并非如此，因此采用三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)解法檢測(cè)土方填筑壓實(shí)度受到使用條件的限制。下面針對(duì)工程中遇到的三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的兩種特殊情況進(jìn)行原因分析，總結(jié)出這兩種特殊情況下的處理措施。

4.2.1 特殊情況一

首先對(duì)保持現(xiàn)場(chǎng)填土含水率的土樣測(cè)定其擊實(shí)濕密度ρ1，得出第一點(diǎn)的變換濕密度ρ1'=ρ1/（1+0）；然后取3kg保持現(xiàn)場(chǎng)填土含水率的土樣，加水60cm3（即Z=2％），混合均勻后測(cè)定擊實(shí)濕密度ρ2，得出第二點(diǎn)的變換濕密度ρ2'=ρ2/（1+2％）。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，第二點(diǎn)的變換濕密度ρ2'小于第一點(diǎn)的變換濕密度ρ1'。三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)解法繪制拋物線時(shí)要求第二點(diǎn)的變換濕密度大于第一點(diǎn)的變換濕密度。為滿足三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)解法繪制拋物線圖形的需要，需將保持現(xiàn)場(chǎng)填土含水率的土樣減水2％，測(cè)定擊實(shí)濕密度ρ3，得出第三點(diǎn)的變換濕密度ρ3'=ρ3/（1-2％）。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)加、減水情況變換濕密度成果表

表2 三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)加、減水情況計(jì)算匯總表

表3 壓實(shí)度檢測(cè)成果表

圖1 三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)加、減水情況拋物線平移圖

根據(jù)三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)加、減水得出的變換濕密度繪制，（ρ3'，-2％），（ρ1'，0），（ρ2'，2％）三點(diǎn)拋物線圖。需要特別注意的是，最優(yōu)含水率與填土含水率的差值是在第二、三點(diǎn)加水情況下利用（5）式來(lái)計(jì)算，在第三點(diǎn)減水情況下，最優(yōu)含水率與填土含水率的差值不能直接使用（5）式來(lái)計(jì)算。針對(duì)此種情形，可以采用三點(diǎn)擊實(shí)拋物線平移法。將水平坐標(biāo)的負(fù)值部分平移至水平坐標(biāo)的正值部分，變?yōu)榈诙?、三點(diǎn)加水的情況利用（5）式來(lái)計(jì)算，計(jì)算出的最優(yōu)含水率與填土含水率的差值需加上偏差修正值Δ（即水平移動(dòng)部分）。水平移動(dòng)不影響曲線的縱坐標(biāo)值，平移前后變換最大濕密度數(shù)值保持不變。平移后的拋物線見(jiàn)圖1。最優(yōu)含水率與填土含水率的差值及變換最大濕密度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表4 三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)加水情況變換濕密度成果表

表5 三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)加水情況計(jì)算匯總表

表6 壓實(shí)度檢測(cè)成果表

圖2 三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)加水情況拋物線平移圖

根據(jù)計(jì)算匯總表得出：變換最大濕密度ρm=2.00g/cm3；最優(yōu)含水率與填土含水率的差值（Zm+Δ）=-0.11％，表明現(xiàn)場(chǎng)填筑土料的含水率比填筑時(shí)要求的最優(yōu)含水率要高0.11％，用這種土料進(jìn)行填筑之前，需將土料進(jìn)行翻曬。壓實(shí)度根據(jù)所測(cè)濕密度值與三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法得出的變換最大濕密度值計(jì)算而得，壓實(shí)度檢測(cè)成果見(jiàn)表3。

壓實(shí)度檢測(cè)取6個(gè)土樣，共3組。根據(jù)三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)成果計(jì)算壓實(shí)度，均滿足土方填筑壓實(shí)度不小于98％的設(shè)計(jì)要求。

4.2.2 特殊情況二

首先測(cè)定保持現(xiàn)場(chǎng)填土含水率的變換濕密度ρ1'，然后對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填土以2％的加水率加水后測(cè)定變換濕密度ρ2'，得出ρ2'＞ρ1'。按照三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)解法的要求，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填土以4％的加水率加水后測(cè)定變換濕密度ρ3'，得出ρ3'＞ρ2'＞ρ1'。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。為滿足三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)解法繪制拋物線圖形的需要，需對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填土以6％的加水率加水后測(cè)定變換濕密度ρ4'。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

根據(jù)三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)加水得出的變換濕密度繪制（ρ2'，2％），（ρ3'，4％），（ρ4'，6％）三點(diǎn)拋物線圖。最優(yōu)含水率與填土含水率的差值計(jì)算時(shí)，需將三點(diǎn)擊實(shí)拋物線水平坐標(biāo)向左平移2％后利用（5）式來(lái)計(jì)算，計(jì)算出的最優(yōu)含水率與填土含水率的差值需加上偏差修正值Δ（即水平移動(dòng)部分）。平移后的拋物線見(jiàn)圖2。最優(yōu)含水率與填土含水率的差值及變換最大濕密度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

根據(jù)計(jì)算匯總表得出：變換最大濕密度ρm=1.94g/cm3；最優(yōu)含水率與填土含水率的差值（Zm+Δ）=3.57％。（Zm+Δ）為正值，表明現(xiàn)場(chǎng)填筑土料的含水率比填筑時(shí)要求的最優(yōu)含水率要低3.57％，用這種土料進(jìn)行填筑之前，需對(duì)土料進(jìn)行加水，以便達(dá)到最優(yōu)含水率。壓實(shí)度根據(jù)所測(cè)濕密度值與三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法得出的變換最大濕密度值計(jì)算而得，壓實(shí)度檢測(cè)成果見(jiàn)表6。

壓實(shí)度檢測(cè)取4個(gè)土樣，共2組。根據(jù)三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)成果計(jì)算壓實(shí)度，只有一組滿足土方填筑壓實(shí)度不小于98％的設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)法是填土按變換最大濕密度和含水率差值設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快速質(zhì)檢試驗(yàn)的一種科學(xué)實(shí)用的方法。此法不需要測(cè)定含水率，一個(gè)完整的三點(diǎn)擊實(shí)試驗(yàn)過(guò)程大約需要1h左右，試驗(yàn)精度和速度均能滿足施工要求，便于土料填筑的流水作業(yè)，加快了土方填筑的施工進(jìn)度。對(duì)復(fù)雜土料的施工現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行施工質(zhì)量控制也是一個(gè)較好的方法。在今后運(yùn)用的基礎(chǔ)上應(yīng)不斷探索、改進(jìn)，更好地為施工進(jìn)度和質(zhì)量服務(wù)

（專欄編輯：顧 梅）