剔除延伸法在砂卵礫石最大干密度試驗(yàn)中的應(yīng)用

廖　強(qiáng)，趙　斌

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明650051)

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剔除延伸法在砂卵礫石最大干密度試驗(yàn)中的應(yīng)用

廖強(qiáng)，趙斌

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明650051)

結(jié)合三岔河水電站移民安置點(diǎn)防洪堤工程實(shí)踐，采用逐級(jí)剔除粗粒料、對(duì)剩余料進(jìn)行最大干密度試驗(yàn)的方法，得出粗粒土最大干密度與剔除后剩余料百分含量之間存在線(xiàn)性關(guān)系，由此延伸求取原級(jí)配砂卵礫石料的最大干密度，解決了超粒徑材料最大干密度試驗(yàn)困難的難題。

砂卵礫石；剔除延伸法；顆粒級(jí)配；最大干密度

天然砂卵礫石因其具有壓實(shí)性能好、透水性強(qiáng)、填筑密度大、抗剪強(qiáng)度高、沉陷變形小、承載力高等工程特性，而成為一種性能良好的天然建筑材料，在路基、堤壩填筑及換填墊層地基處理等工程中被廣泛使用。云南省騰沖縣三岔河水電站孫家壩移民安置點(diǎn)建在水庫(kù)邊，為避免水庫(kù)蓄水后對(duì)安置點(diǎn)造成不利影響，安置點(diǎn)臨水側(cè)擬修筑防洪堤，兼作新建環(huán)庫(kù)公路的一部分。經(jīng)多方研究，防洪堤采用附近膽扎河兩岸的漫灘及一級(jí)階地上廣泛分布的砂卵礫石料填筑，要求砂卵礫石料最大粒徑不得大于200 mm，含泥量小于5%，填筑碾壓后相對(duì)密度Dr≥0.75。采用相對(duì)密度控制填筑碾壓密實(shí)程度的關(guān)鍵在于，確定填筑料的最大干密度ρdmax和最小干密度ρdmin。ρdmax一般采用振動(dòng)法測(cè)定，按照我國(guó)相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程[1]的要求，試驗(yàn)料的最大粒徑與標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)筒的直徑最大比值不得大于1∶5，由于目前試驗(yàn)設(shè)備的限制只能測(cè)定最大粒徑不大于60 mm粗粒土的ρdmax。因此，求取最大粒徑大于60 mm砂卵礫石料的最大干密度是急需解決的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。

1　方法選擇

目前對(duì)粒徑大于60 mm的砂卵礫石等粗粒土最大干密度的測(cè)定方法主要有兩種：一是直接測(cè)定法，即通過(guò)加大儀器直徑和振動(dòng)動(dòng)力，使試驗(yàn)料可測(cè)粒徑范圍增大；二是間接測(cè)定法，即采用現(xiàn)有試驗(yàn)條件，通過(guò)測(cè)定可測(cè)粒徑范圍內(nèi)粗粒土最大干密度與粒徑的相關(guān)變化規(guī)律，外推超粒徑粗粒土的最大干密度。如采用直接測(cè)定法，要測(cè)定最大粒徑達(dá)200 mm的砂卵礫石料最大干密度，則需將試驗(yàn)筒直徑增大至1 000 mm，這樣一來(lái)，試驗(yàn)用料的質(zhì)量會(huì)增加較多，受試驗(yàn)筒直徑和振動(dòng)動(dòng)力條件限制，采用直接測(cè)定法測(cè)定超粒徑粗粒土最大干密度，既不經(jīng)濟(jì)，試驗(yàn)結(jié)果也不理想。根據(jù)史彥文[2]、郭慶國(guó)[3，4]、李禎祥[5]、朱崇輝[6]、張勝利[7]等專(zhuān)家及工程技術(shù)人員的研究成果，間接測(cè)定法是目前解決超粒徑粗粒土最大干密度測(cè)定難題的主要手段。

常采用的間接測(cè)定法主要有相似級(jí)配系列延伸法、等量代替級(jí)配系列延伸法、剔除延伸法、漸近線(xiàn)輔助擬合法、三點(diǎn)近似測(cè)定法等。各方法盡管采用的模型級(jí)配、推算方法不同，但指導(dǎo)思想都是將不可試驗(yàn)的超粒徑粗粒土最大粒徑人為縮小，使其粒徑符合試驗(yàn)儀器要求的最大粒徑，通過(guò)不同條件下最大干密度試驗(yàn)，尋找其中的規(guī)律，再按規(guī)律將試驗(yàn)結(jié)果外推，從而間接求出原級(jí)配超粒徑粗粒土的最大干密度。根據(jù)三岔河水電站孫家壩移民安置點(diǎn)防洪堤工程特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，擬選用簡(jiǎn)單易行的剔除延伸法，將超粒徑砂卵礫石料的粗顆粒逐級(jí)剔除后，進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，尋找最大干密度與剔除量或剩余量之間的關(guān)系，再延伸求出原級(jí)配砂卵礫石料的最大干密度。

2　試驗(yàn)取樣

三岔河水電站孫家壩移民安置點(diǎn)防洪堤采用工程區(qū)附近膽扎河兩岸的漫灘及一級(jí)階地上分布的天然砂卵礫石料填筑，兩處的砂卵礫石料級(jí)配均良好，主要由卵石、礫石、中砂和少量泥土組成，其中卵石占6.45%～7.10%、礫石占52.60%～56.95%、中砂占33.65%～37.23%，含泥量<5%。為便于對(duì)比，確保試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠，在膽扎河右岸的河漫灘及一級(jí)階地上分別取樣進(jìn)行最大干密度試驗(yàn)。

3　試驗(yàn)分析

3.1試樣剔除處理

原級(jí)配砂卵礫石試樣的最大粒徑200 mm，大大超過(guò)試驗(yàn)室可測(cè)最大粒徑60 mm，按照剔除延伸法的要求，將河漫灘及一級(jí)階地上分別取回的試樣逐級(jí)剔除大于60、40、20、10 mm粒徑料后的剩余料進(jìn)行試驗(yàn)。河漫灘原級(jí)配砂卵礫石料試樣編號(hào)為MSY1，剔除大于60、40、20、10 mm粒徑料后的剩余料試樣編號(hào)分別為MSY2、MSY3、MSY4、MSY5。一級(jí)階地原級(jí)配砂卵礫石料試樣編號(hào)為JSY1，剔除大于60、40、20、10 mm粒徑料后的剩余料試樣編號(hào)分別為JSY2、JSY3、JSY4、JSY5。

3.2顆粒分析試驗(yàn)

采用篩析法對(duì)試樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，篩分試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)表1可算出MSY2、MSY3、MSY4、MSY5試樣的剔除量百分含量分別為原級(jí)配料的8.1%、21.5%、37.2%、50.8%；JSY2、JSY3、JSY4、JSY5試樣的剔除量百分含量分別為原級(jí)配料的9.3%、22.4%、38.0%、51.7%。顆粒大小分布曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。

表1篩分結(jié)果

試驗(yàn)篩類(lèi)型孔徑/mm小于該孔徑的土料質(zhì)量百分比/%河漫灘試樣一級(jí)階地試樣MSY1MSY2MSY3MSY4MSY5JSY1JSY2JSY3JSY4JSY5粗篩6092.910091.71004078.584.510077.684.61002062.867.680.010062.067.679.91001049.253.062.778.310048.352.762.377.9100538.541.449.061.378.339.142.650.463.181.0228.530.736.345.458.028.430.936.645.858.8細(xì)篩120.822.426.533.142.321.123.027.234.043.70.513.814.817.622.028.112.914.116.620.826.70.2510.711.513.617.021.811.212.214.418.123.20.16.97.48.811.014.06.77.38.610.813.90.0753.43.74.35.46.93.94.25.06.38.1

圖1　砂卵礫石料顆粒大小分布曲線(xiàn)

3.3最大干密度試驗(yàn)

用振動(dòng)臺(tái)法測(cè)定試驗(yàn)料的最大干密度，試驗(yàn)儀器設(shè)備主要有振動(dòng)臺(tái)、試筒、套筒、加重底板、加重塊、百分表、臺(tái)稱(chēng)等。經(jīng)曬干或烘干的試樣裝入試筒中并固定于振動(dòng)臺(tái)上，選擇合適的加重塊后，采用60 Hz的振動(dòng)頻率振動(dòng)試樣，并按試驗(yàn)規(guī)程的相關(guān)要求進(jìn)行平行試驗(yàn)。最大干密度計(jì)算公式為

ρdmax=md/Vs

式中，ρdmax為最大干密度，g/cm3；md為干試樣質(zhì)量，g；Vs為最密實(shí)狀態(tài)下試樣體積，cm3。

剔除后剩余試樣的質(zhì)量百分含量計(jì)算公式為

Ps=ms/mt

式中，Ps為剔除后剩余試樣質(zhì)量占剔除前試樣總質(zhì)量的百分含量，%；ms為剔除后剩余試樣的質(zhì)量，g；mt為剔除前試樣總質(zhì)量，g。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和計(jì)算，得出剔除粗粒徑后各組試樣相應(yīng)的最大干密度如表2所示。

表2剔除粗粒徑后各組試樣相應(yīng)的最大干密度試驗(yàn)結(jié)果

砂卵礫石料種類(lèi)試驗(yàn)項(xiàng)目PS/%ρdmax/g·cm-3河漫灘MSY292.92.359MSY378.52.275MSY462.82.210MSY549.22.135一級(jí)階地JSY291.72.300JSY377.62.242JSY462.02.140JSY548.32.090

3.4試驗(yàn)成果分析

根據(jù)表2繪制出砂卵礫石料最大干密度對(duì)應(yīng)剩余料質(zhì)量百分含量的散點(diǎn)圖(見(jiàn)圖2)。

圖2　最大干密度與剩余料質(zhì)量百分含量關(guān)系

由圖2可以看出，試樣的最大干密度隨剩余料百分含量的不同呈現(xiàn)出有規(guī)律的變化。隨著粗粒料的逐級(jí)剔除，剩余料的顆粒越來(lái)越均勻，不均勻系數(shù)越來(lái)越小，級(jí)配越來(lái)越差，最大干密度通常越來(lái)越小。根據(jù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式

算出兩種試樣的ρdmax與Ps之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.998和0.995，由此可見(jiàn)ρdmax與Ps之間高度線(xiàn)性相關(guān)，考慮試驗(yàn)誤差因素，可認(rèn)為ρdmax與Ps完全線(xiàn)性相關(guān)，將擬合線(xiàn)按線(xiàn)性規(guī)律延伸，當(dāng)Ps=100%時(shí)，對(duì)應(yīng)的ρdmax即為原級(jí)配砂卵礫石料的最大干密度。據(jù)此推算出河漫灘及一級(jí)階地原級(jí)配砂卵礫石料試樣的最大干密度分別為2.392、2.343 g/cm3。

4　現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)

取河漫灘及一級(jí)階地砂卵礫石料分別進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)填筑碾壓試驗(yàn)。填筑料松鋪厚度43 cm，20 t自行式振動(dòng)平碾碾壓4遍后，兩種填筑料的頂面局部不平整，輪跡明顯，有松動(dòng)下沉現(xiàn)象，采用灌砂法分別進(jìn)行3組原位密度試驗(yàn)，并以剔除延伸法得到的最大干密度計(jì)算其相對(duì)密度平均值分別為0.63和0.59，判為稍密；碾壓6遍后，填筑料的頂面平整密實(shí)，鍬鎬挖掘困難，用撬棍方能松動(dòng)，通過(guò)試坑可見(jiàn)填筑料骨架顆粒呈交錯(cuò)排列，連續(xù)接觸，相對(duì)密度平均值分別為0.87和0.85，判為密實(shí)；碾壓8遍后，沉降量已無(wú)明顯變化，局部有輪跡，表面干燥，局部有松動(dòng)，相對(duì)密度平均值為0.88和0.85，判為局部反松。現(xiàn)場(chǎng)填筑碾壓試驗(yàn)表明，填筑料松鋪厚度43 cm，經(jīng)20 t自行式振動(dòng)平碾碾壓6遍后，其密實(shí)度均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。采用剔除延伸法求得的砂卵礫石料最大干密度能對(duì)填筑質(zhì)量做出相對(duì)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，對(duì)砂卵礫石料填筑施工質(zhì)量檢測(cè)提供了一個(gè)有效途徑。施工過(guò)程中，為確保試驗(yàn)準(zhǔn)確性，每5 000 m3填筑料要按剔除延伸法重新進(jìn)行一次最大干密度試驗(yàn)。三岔河水電站孫家壩移民安置點(diǎn)防洪堤砂卵礫石填筑量約21萬(wàn)m3，采用剔除延伸法求取砂卵礫石料最大干密度，再通過(guò)原位密度試驗(yàn)測(cè)算壓實(shí)后的干密度，從而計(jì)算出壓實(shí)后的相對(duì)密度，用于控制填筑質(zhì)量，效果良好。

5　結(jié)　語(yǔ)

通過(guò)逐級(jí)剔除砂卵礫石料的大粒徑料，對(duì)剩余料進(jìn)行最大干密度試驗(yàn)，分析砂卵礫石料的最大干密度與剩余量之間的關(guān)系，得出最大干密度與剩余量質(zhì)量百分含量之間高度線(xiàn)性相關(guān)，將擬合線(xiàn)按其線(xiàn)性規(guī)律延伸，可以間接求出超粒徑砂卵礫石料的最大干密度，從而解決了超粒徑材料最大干密度試驗(yàn)的困難。為降低試驗(yàn)誤差，宜盡量多級(jí)地進(jìn)行剔除試驗(yàn)，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)盡量多，采用盡量多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合，可以提高外推精度；每填筑一定數(shù)量后要按剔除延伸法重新進(jìn)行一次最大干密度試驗(yàn)；遇到啟用新料場(chǎng)或填筑料發(fā)生變化等情況時(shí)，也要按剔除延伸法重新進(jìn)行最大干密度試驗(yàn)。

[1]SL 237—1999土工試驗(yàn)規(guī)程[S]．

[2]史彥文. 大粒徑砂卵石最大密度的研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào)， 1981(2)： 53- 58．

[3]郭慶國(guó)， 劉貞草. 超徑粗粒土最大干密度的測(cè)定方法[J]. 水利學(xué)報(bào)， 1993(10)： 70- 78．

[4]郭慶國(guó). 粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M]. 鄭州： 黃河水利出版社， 1996．

[5]李禎祥， 李朝暉. 超徑粗粒土最大干密度的確定方法[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2005， 3(1)： 17- 19．

[6]朱崇輝， 嚴(yán)寶文, 劉俊民， 等. 巨粒混合土的相對(duì)密度試驗(yàn)研究[J]. 水利學(xué)報(bào)， 2007， 38(6)： 749- 753．

[7]張勝利， 何昌榮, 朱安龍. 砂卵石最大干密度的試驗(yàn)研究[J]. 四川水力發(fā)電， 2005， 24(1)： 69- 74．

(責(zé)任編輯焦雪梅)

Application of Removal Extension Method in Sandy Gravel Maximum Dry Density Test

LIAO Qiang, ZHAO Bin

(PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China)

By stage-by-stage removing coarse-grained materials and performing maximum dry density tests on residual material in the construction of flood protection dyke for resettlement site of Sanchahe Hydropower Station, the linear relationship between maximum dry density of coarse-grained materials and the percentage of residual material after removal is revealed. Thus, the maximum dry density of original graded sandy gravel can be calculated by the extension of linear relationship. This method solves the problem of maximum dry density test of oversized coarse material．

sandy gravel; removal extension method; gradation of grain; maximum dry density

2015- 07- 01

廖強(qiáng)(1978—)，男，廣西防城港人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)與研究．

TV541.1；TU411

A

0559- 9342(2016)05- 0102- 04