落球检测技术在堆石坝中的填筑质量控制中的应用

The1stInternationalSymposiumonRockfillDams1落球检测技术在堆石坝中的填筑质量控制中的应用吴佳晔1,王建国2,WUJerry31．四川理工学院，四川省自贡市，[phone]，[e-mail]2,四川升拓检测有限责任公司，四川省成都市，[phone],[e-mail]3,URSCorporation,Oakland,[e-mail].摘要:本文提出了一种崭新的现场快速测试岩土材料力学特性的技术，即落球检测技术。（落球检测技术）。该技术可以非常迅速简便地直接测试岩土材料的变形模量E、内部摩擦角φ或粘聚力c，从而为堆石坝的稳定和变形分析提供了直接可靠的参数。同时，通过标定，测试得到变形模量E与干密度之间具有很好的相关关系，据此能间接地求出填筑材料的压实度和相对密度，满足现行的质量控制体系。关键词:堆石坝，落球技术，变形模量，强度Abstract:Accordingtothewaysofqualitycontroloffilling,thispaperputsforwardfalling-balltestingtechnology.Byfieldtest,itworkswelltomeasuremechanicalstrengthcharacteristicsofgeo-materialswiththistechnology.Andtheresultshavegreatcorrelativitywithdrydensity.Soitcontrolsfillingqualityeffectually.Keywords:Rockfilldam,Fallingballtestingtechnology,Deformationmodulus,Strength1概要坝体填筑是堆石坝施工中的重点，是制约工期和决定坝体稳定与运行安全的关键工序，也是质量控制的重要环节与关键内容。工程上一般通过碾压来提高坝体的压实度，通过现场检测试验来控制碾压质量。现场检测试验也是坝体填筑施工质量控制的重要手段，通常是通过灌水试坑法，环刀法，核子水分仪等传统的手段来测试填土的压实度或含水量。但是检测的真正目的是判断填土的工程力学性质，而不仅仅是测试填土的干密度或含水量，这一点常常在土方工程施工中容易被忽略。相较干密度和含水量而言，填土材料的粘聚力c、内摩擦角φ以及变形模量E能更直观的反映填土材料的工程力学性质。但如何能在现场直接测量材料的c、φ值以及E，这是工程界长期以来一直努力探索的问题。本文作者经过长达十余年的研究，开发出的本项技术则可以很好地解决这个难题。2填筑质量控制中常规测试手段在堆石坝中压实度的常用检测方法中，灌砂法或环刀法的优点是造价低，其结果可作为检验检定的裁决依据；缺点是检测比较费时费力，难以满足大规模现代化机械化施工需要。核子密度仪法优点是快速便捷，可作为全面施工质量统计学管理，人为影响因素较小；缺点是在不同土质情况需分别作一次现场标定，含水量测量精度偏低。然而，这类方法得到的指标（干密度等）均为间接指标，本身不能直接反映材料或结构的变形和强度特性，必须通过标定试验加以换算。当材料发生变化时，一般需要重新标定。同时，室The1stInternationalSymposiumonRockfillDams2内实验的条件与现场条件往往有较大的差异。关于堆石坝填筑材料的力学特性的现场检测手段，目前最常用的是平板载荷试验，该方法能测出材料的变形模量E。但该方法的测试需要反力装置，费时费力。值得说明的是，现场测试填筑材料的强度指标c、φ则是一件非常困难的事情。虽然有现场直接剪切、动力触探、十字板剪切试验等方法，但在堆石坝中都会受到各种局限。因此，对于岩土材料的强度特性，一般都是以干密度为间接指标，通过与室内实验的对比来确定。但是，室内的试验对象在材料的粒径和压实度等方面与现场施工时差异很大，即使对相同密度的材料，碾压条件不同，岩土材料的力学特性也会发生变化。因此，用干密度来推测材料强度的方法存在着很大的局限性。3落球检测技术3.1落球技术简介落球检测技术[1]就是一种快速准确地测试岩土材料的强度及刚性特性的技术和装置。采用一种内藏有传感器的半球形刚性下落装置，通过对岩土材料的落下冲击，产生信号，经过信号放大器将信号放大后通过A/D转换卡将信号传入带有专用软件笔记本电脑，通过笔记本电脑对信号的采集与解析，岩土材料的刚性指标和强度指标就能够被解析出来。图1是落球技术产品化的设备。3.2检测原理概要落球检测技术的首先是基于Hertz冲击理论[2]，在分析球状碰撞体的基础上建立了材料变形特性的测试方法。同时，在Vesic的空洞扩张理论[3]的基础上，我们建立了岩土材料的强度特性测试理论。根据该理论，我们不仅可以测出材料的c或φ，还可以求出测试深度范围，为施工管理提供明确的信息。1）变形模量的测试原理概要由于Hertz碰撞理论仅适用于线弹性材料，而岩土材料是典型的弹塑性材料，需要对该理论进行修正。我们通过碰撞过程（压缩过程和回弹过程）的压缩过程来推算压缩模量，回弹过程来推算回弹模量，但压缩模量比回弹模量有更高的精度[1]。图1.落球设备图2.Hertz冲击理论的基本原理2）强度指标的测试原理概要对于岩土材料的强度指标，我们则利用了Vesic空洞扩张理论（图4）。该理论认为，当球体落入岩土材料中时，还会产生一个膨胀区域，在该区域中材料达到屈服。The1stInternationalSymposiumonRockfillDams3为了将Vesic理论适用于落球检测技术，当然需要进行大量的修正。图5即为修正后的模型。图3.落球自由冲击过程（压缩与回弹）在强度指标计算中，需要用到变形模量E作为计算参数。此外，由于强度指标有两个参数（c和φ），在一次的测试中只能算出一个参数。因此，需要事先确定或估算其中的一个参数，进而算出另一个参数。通常，我们估算c求φ。对于沙砾石等无粘性材料，我们可以认为其c近似为0。另一方面，对于水泥土等需要测试其一轴压缩强度q时，可以将φ设为0或某一定值，通过求c来推算q（cq2=）。图4.Vesic空洞扩张理论的概念图5.Vesic理论在落球技术中的概念3.3落球检测技术的特点落球检测技术较之传统的常规测试手段，具有明显的先进性，其特点主要表现为以下几点：（1）落球检测技术可直接测试岩土材料的变形模量E、强度指标c和φ。可以更加直观、准确地反映岩土材料的力学性能，为土石坝的设计和施工提供直接的依据；（2）通过标定试验可推算土质材料的物理指标，以满足各类规范要求；（3）适用土质范围广，可适用于从粘性土、砂质土、砂砾石到岩石材料、水泥改良土等；（4）操作简便、快速、高效率：不受施工场地制约，每分钟5-6测点，较诸传统方法其效率提高数十倍；（5）采用了独特的统计方法，可大大降低个别大粒径石块对测试结果的影响，提高了测试精度；（6）精度高，重复性好：标准化程式化操作，全自动解析。The1stInternationalSymposiumonRockfillDams44落球检测技术的精度验证及应用实例为了验证落球检测技术的实用性，进行现场试验精度验证，主要在道路、隧道、堆石坝等中进行了大量试验，并把测试岩土材料的变形特性（压缩模量），强度指标（内摩擦角φ）值与平板载荷，三轴压缩试验进行了对比。同时，针对不同的土体，与土的干密度做了对比试验。4.1岩土力学特性的验证试验对道路、隧道、堆石坝的大量岩土材料进行平板载荷、压缩等试验与落球检测技术测试的变形模量进行对比（图7）；并对不同材料进行三轴压缩试验与落球检测技术测试的强度指标（摩擦角）进行对比（图8）。11010010001101001000验证试验E（MPa）落球检测结果ETC（MPa）GS-F(1)GS-F(2)Ｇ-FSGSCL碎石心墙材料反滤层材料堆石材料水泥改良土流动处理土改良地基图6.典型的解析的结果图7.与落球技术测试的变形模量值之间的对比203040506070203040506070验证试验结果φ（°）落球检测结果φTC（°）砾砂矿渣砾土堆石碎石改良土图8.与落球技术测试的强度值之间的对比从验证试验结果可以看出，1）对变形模量的测试适用土质广泛、测试结果与静载试验结果基本吻合，测试精度较高；2）对强度指标φ的测试结果，除一点（堆石材料）外与三轴剪切试验结果吻合较好。值得特别指出的是，对某大坝堆石材料的强度指标φ所进行的测试中，落球检测得到的φ为68°，而在相同设计干密度条件三轴排水剪切下得到φ仅为43°。其间巨大的差异恰恰反映了室内实验的局限性。首先，关于沙砾等无粘性材料，在充分压实的状态下其可能拥有非常高的摩擦角。龙岗教授The1stInternationalSymposiumonRockfillDams5（Tatsuoka）指出[4]，当压实度超过95%后，沙砾石的摩擦角φ完全可以达到60°以上（图9）。其次，在现场测试中，测试场所正好位于重型机械（载重卡车）的通路上，其压实度非常高。因此，我们认为落球测试的结果更加符合实际状况，而室内三轴试验则过小地评价了堆石材料的强度特性。此外，在中国四川的“5.12汶川大地震”，日本“6.14岩手/宫城内陆地震”中，众多土石坝都经受了强震的考验。例如，在日本石淵大坝（CFRD，最大坝高53m，距震中9km）上记录的最大加速度（表-1[5]）达到了2G以上，尽管远远超出了设计地震加速度，但其堆石坝体未见明显的损坏。这说明，堆石材料的实际强度应当远远超出其设计强度。图9.沙砾石材料的峰值摩擦角表-1石淵大坝的最大加速度纪录最大加速度（m/s2）位置上下游方向坝轴方向垂直方向下游面13.8220.9717.45坝顶中部14.619.3420.704.2与干密度的对比对于同一种岩土材料，落球技术测试的变形模量与其干密度（压实度等）指标间往往有较好的相关关系。图10显示了在不同碾压次数下落球试验和干密度值的对比，可以看出，对于粗粒土，其相关性非常好（相关系数高达0.97）。4.3主要问题落球检测技术应用于土石坝的施工检测中，主要存在以下问题：（1）粒径：现有的手持式落球检测系统所能测试的最大粒径大约在7cm左右，而土石坝的填筑材料往往超过该限制；（2）干密度：在现有土石坝施工管理中，干密度是最主要的控制指标。而落球测试得到的干密度～变形模量间的相关关系随着材料的变化而变化，需要事先标定。此外，对于细粒土，超孔隙水压力也会对干密度～变形模量间的相关关系产生不小的影响。The1stInternationalSymposiumonRockfillDams6粗粒土y=0.1038Ln(x)+1.5131R2=0.9451y=0.2583Ln(x)+1.1303R2=0.9584ρd=0.2781Ln(E)+0.8855R2=0.9708y=0.0703Ln(x)+1.2632R2=0.96281.3001.4001.5001.6001.7001.8001.900110100变形模量ETC（MPa）干密度ρd（g／cm3）GS-F(1)GS-F(2)G-SPC碎石图11.落球技术测试的变形模量与干密度的相关关系5结论落球检测技术作为一项崭新的现场检测技术，具有测试效率和精度高、适用面广的特点。它不仅可以直接测试岩土材料的变形特性（E）、还可以测试其强度指标（c或φ）。通过标定，还可以测试材料（特别是粗粒土）的干密度等物理指标。可以相信，该技术在土石坝等填土工程中有极其广泛的应用前景。6鸣谢落球检测技术在开发过程中，得到了四川升拓检测技术有限责任公司的沈卓洋、黄伯太先生，（日本）鹿岛建设株式会社的北本幸义博士、吉田辉博士，株式会社セントラル技研的池尻健先生等人的大力帮助。同时，在本文的数据采集、验证试验中还得到了东京电力株式会社、日本道路公团等单位的无私协助，在此我们表示深深的感谢！主要参考文献[1]吴佳晔、北本幸义、