三點擊實試驗法在南水北調工程中的應用研究

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

三點擊實試驗法在南水北調工程中的應用研究

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

在大面積的土方填筑施工現場，為了不影響施工的進度和質量，通常采用三點擊實試驗法來檢測土方填筑壓實度。文中介紹了三點擊實實驗法的原理及應用，并結合南水北調工程中的實例，對三點擊實試驗法在實際應用中出現的兩種特殊情況進行了原因分析，總結出這兩種特殊情況下的處理措施。

三點擊實試驗法 含水率 變換濕密度 數解法

1 前言

三點擊實試驗法又稱快速壓實度控制法，是美國工程師Hilf研究出的一種土料填筑質量控制方法，1957年試用。用此方法進行現場檢驗時，不需要測定含水率，僅在測定濕密度后用測密度試驗的土樣做三種含水率的擊實試驗，測定三個擊實濕密度，就可以確定填土的壓實度（D）、最優含水率（ωop）與填土含水率（ωf）的差值。此種方法的優點是操作簡單，效率高，不影響施工進度，能較好地考慮土料壓實性的變化，對于壓實性變化較大的粘性土或礫質土宜用此法控制壓實度。此方法在國外機場、土壩等大面積土方填筑工程中運用廣泛。

2 三點擊實試驗法原理

2.1 壓實度

根據壓實度定義得出：

式中：ρdf—填土實測干密度，g/cm3；

ρf—填土實測濕密度，g/cm3；

ρdm ax—室內標準擊實最大干密度，g/cm3；

ωf—填土含水率，％。

三點擊實試驗法通過現場取樣得出填土實測濕密度ρf，再引入計算參數：

式中：ω—任意含水率，％。

Z的物理意義是以原土樣濕質量百分數表示的加水量。用圖解法或數解法求得變換后的標準擊實最大濕密度ρdm ax（1+ωf），則無需測定標準擊實最大干密度即可得出壓實度D。

2.2 含水率差值

最優含水率與填土含水率差值：

式中：Zm—最優含水率與填土含水率的偏差值,％；

Δ—最優含水率與填土含水率的偏差修正值，％。

3 三點擊實試驗方法

三點擊實試驗法有圖解法和數解法，圖解法經過多次豎、橫向的畫線定點，累計誤差較大，精度較差，不易推廣使用。根據實用性要求，本文只介紹數解法的應用。對于三點擊實試驗中加水的情況，可以用數解法求壓實度D及最優含水率與填土含水率的差值，操作方法如下：

（1）測定現場填土的濕密度ρf。

（2）取小于5mm保持填土含水率的土樣，以標準功能進行擊實，測定其擊實濕密度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，以標準擊實功能擊實，測得擊實濕密度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，以標準擊實功能擊實，測得擊實濕密度ρ3。其變換濕密度ρ3'=ρ3/（1+0.04）。

以變換濕密度ρ'為縱坐標，加水率Z為橫坐標，繪制ρ'-Z關系曲線。通過擊實變換濕密度ρ1'、ρ2'、ρ3'坐標點，A、B、C三點的拋物線峰點的位置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，負值表示填筑土料含水率偏高。

4 工程應用實例

4.1 工程簡述

南水北調東線某水庫壩軸線長8.13km，最大壩高13.7m。壩體填筑由于土料開采采用立面開挖，填筑時不同土質土料混合上壩。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，施工時若僅用一個干容重值作為控制指標來選擇碾壓參數，遇到壓實性好的土料就會大大超壓，遇到壓實性差的土料則達不到壓實要求。為在保證施工進度的同時確保施工質量，確定采用三點擊實試驗法作為現場填筑質量控制的主要方法。

4.2 現場試驗及分析處理

對現場已完成填筑要求的土料進行探坑開挖，探坑長×寬為0.8m×0.6m，深度為0.5m左右，每個探坑取土樣1組，每組平行取土樣2個，測定濕密度，再對開挖處土樣做三點擊實試驗，以復核其是否滿足設計及規范要求。濕密度檢測采用環刀法，濕密度值由整個環刀體積內的濕土土樣稱重而得。壓實度根據所測濕密度值與三點擊實試驗法得出的變換最大濕密度值計算而得。

三點擊實試驗數解法的使用條件是現場填土含水率必須低于最優含水率，擊實土樣分別以2％、4％的加水率加水后進行試驗，根據得出的三點變換濕密度繪制拋物線圖計算最優含水率與填土含水率的差值及變換最大濕密度。但在工程中的實際情況并非如此，因此采用三點擊實試驗數解法檢測土方填筑壓實度受到使用條件的限制。下面針對工程中遇到的三點擊實試驗時出現的兩種特殊情況進行原因分析，總結出這兩種特殊情況下的處理措施。

4.2.1 特殊情況一

首先對保持現場填土含水率的土樣測定其擊實濕密度ρ1，得出第一點的變換濕密度ρ1'=ρ1/（1+0）；然后取3kg保持現場填土含水率的土樣，加水60cm3（即Z=2％），混合均勻后測定擊實濕密度ρ2，得出第二點的變換濕密度ρ2'=ρ2/（1+2％）。根據試驗數據得出，第二點的變換濕密度ρ2'小于第一點的變換濕密度ρ1'。三點擊實試驗數解法繪制拋物線時要求第二點的變換濕密度大于第一點的變換濕密度。為滿足三點擊實試驗數解法繪制拋物線圖形的需要，需將保持現場填土含水率的土樣減水2％，測定擊實濕密度ρ3，得出第三點的變換濕密度ρ3'=ρ3/（1-2％）。試驗結果見表1。

表1 三點擊實試驗加、減水情況變換濕密度成果表

表2 三點擊實試驗加、減水情況計算匯總表

表3 壓實度檢測成果表

圖1 三點擊實試驗加、減水情況拋物線平移圖

根據三點擊實試驗加、減水得出的變換濕密度繪制，（ρ3'，-2％），（ρ1'，0），（ρ2'，2％）三點拋物線圖。需要特別注意的是，最優含水率與填土含水率的差值是在第二、三點加水情況下利用（5）式來計算，在第三點減水情況下，最優含水率與填土含水率的差值不能直接使用（5）式來計算。針對此種情形，可以采用三點擊實拋物線平移法。將水平坐標的負值部分平移至水平坐標的正值部分，變為第二、三點加水的情況利用（5）式來計算，計算出的最優含水率與填土含水率的差值需加上偏差修正值Δ（即水平移動部分）。水平移動不影響曲線的縱坐標值，平移前后變換最大濕密度數值保持不變。平移后的拋物線見圖1。最優含水率與填土含水率的差值及變換最大濕密度計算結果見表2。

表4 三點擊實試驗加水情況變換濕密度成果表

表5 三點擊實試驗加水情況計算匯總表

表6 壓實度檢測成果表

圖2 三點擊實試驗加水情況拋物線平移圖

根據計算匯總表得出：變換最大濕密度ρm=2.00g/cm3；最優含水率與填土含水率的差值（Zm+Δ）=-0.11％，表明現場填筑土料的含水率比填筑時要求的最優含水率要高0.11％，用這種土料進行填筑之前，需將土料進行翻曬。壓實度根據所測濕密度值與三點擊實試驗法得出的變換最大濕密度值計算而得，壓實度檢測成果見表3。

壓實度檢測取6個土樣，共3組。根據三點擊實試驗成果計算壓實度，均滿足土方填筑壓實度不小于98％的設計要求。

4.2.2 特殊情況二

首先測定保持現場填土含水率的變換濕密度ρ1'，然后對現場填土以2％的加水率加水后測定變換濕密度ρ2'，得出ρ2'＞ρ1'。按照三點擊實試驗數解法的要求，對現場填土以4％的加水率加水后測定變換濕密度ρ3'，得出ρ3'＞ρ2'＞ρ1'。試驗結果見表1。為滿足三點擊實試驗數解法繪制拋物線圖形的需要，需對現場填土以6％的加水率加水后測定變換濕密度ρ4'。試驗結果見表4。

根據三點擊實試驗加水得出的變換濕密度繪制（ρ2'，2％），（ρ3'，4％），（ρ4'，6％）三點拋物線圖。最優含水率與填土含水率的差值計算時，需將三點擊實拋物線水平坐標向左平移2％后利用（5）式來計算，計算出的最優含水率與填土含水率的差值需加上偏差修正值Δ（即水平移動部分）。平移后的拋物線見圖2。最優含水率與填土含水率的差值及變換最大濕密度計算結果見表5。

根據計算匯總表得出：變換最大濕密度ρm=1.94g/cm3；最優含水率與填土含水率的差值（Zm+Δ）=3.57％。（Zm+Δ）為正值，表明現場填筑土料的含水率比填筑時要求的最優含水率要低3.57％，用這種土料進行填筑之前，需對土料進行加水，以便達到最優含水率。壓實度根據所測濕密度值與三點擊實試驗法得出的變換最大濕密度值計算而得，壓實度檢測成果見表6。

壓實度檢測取4個土樣，共2組。根據三點擊實試驗成果計算壓實度，只有一組滿足土方填筑壓實度不小于98％的設計要求。

5 結論

三點擊實試驗法是填土按變換最大濕密度和含水率差值設計，現場進行快速質檢試驗的一種科學實用的方法。此法不需要測定含水率，一個完整的三點擊實試驗過程大約需要1h左右，試驗精度和速度均能滿足施工要求，便于土料填筑的流水作業，加快了土方填筑的施工進度。對復雜土料的施工現場，進行施工質量控制也是一個較好的方法。在今后運用的基礎上應不斷探索、改進，更好地為施工進度和質量服務

（專欄編輯：顧 梅）