剔除延伸法在砂卵礫石最大干密度試驗中的應用

廖　強，趙　斌

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，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中的應用

廖強，趙斌

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南昆明650051)

結合三岔河水電站移民安置點防洪堤工程實踐，采用逐級剔除粗粒料、對剩余料進行最大干密度試驗的方法，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性關系，由此延伸求取原級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困難的難題。

砂卵礫石；剔除延伸法；顆粒級配；最大干密度

天然砂卵礫石因其具有壓實性能好、透水性強、填筑密度大、抗剪強度高、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建在水庫邊，為避免水庫蓄水后對安置點造成不利影響，安置點臨水側擬修筑防洪堤，兼作新建環庫公路的一部分。經多方研究，防洪堤采用附近膽扎河兩岸的漫灘及一級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%，填筑碾壓后相對密度Dr≥0.75。采用相對密度控制填筑碾壓密實程度的關鍵在于，確定填筑料的最大干密度ρdmax和最小干密度ρdmin。ρdmax一般采用振動法測定，按照我國相關試驗規程[1]的要求，試驗料的最大粒徑與標準試驗筒的直徑最大比值不得大于1∶5，由于目前試驗設備的限制只能測定最大粒徑不大于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現實問題。

1　方法選擇

目前對粒徑大于60 mm的砂卵礫石等粗粒土最大干密度的測定方法主要有兩種：一是直接測定法，即通過加大儀器直徑和振動動力，使試驗料可測粒徑范圍增大；二是間接測定法，即采用現有試驗條件，通過測定可測粒徑范圍內粗粒土最大干密度與粒徑的相關變化規律，外推超粒徑粗粒土的最大干密度。如采用直接測定法，要測定最大粒徑達200 mm的砂卵礫石料最大干密度，則需將試驗筒直徑增大至1 000 mm，這樣一來，試驗用料的質量會增加較多，受試驗筒直徑和振動動力條件限制，采用直接測定法測定超粒徑粗粒土最大干密度，既不經濟，試驗結果也不理想。根據史彥文[2]、郭慶國[3，4]、李禎祥[5]、朱崇輝[6]、張勝利[7]等專家及工程技術人員的研究成果，間接測定法是目前解決超粒徑粗粒土最大干密度測定難題的主要手段。

常采用的間接測定法主要有相似級配系列延伸法、等量代替級配系列延伸法、剔除延伸法、漸近線輔助擬合法、三點近似測定法等。各方法盡管采用的模型級配、推算方法不同，但指導思想都是將不可試驗的超粒徑粗粒土最大粒徑人為縮小，使其粒徑符合試驗儀器要求的最大粒徑，通過不同條件下最大干密度試驗，尋找其中的規律，再按規律將試驗結果外推，從而間接求出原級配超粒徑粗粒土的最大干密度。根據三岔河水電站孫家壩移民安置點防洪堤工程特點及現場試驗條件，擬選用簡單易行的剔除延伸法，將超粒徑砂卵礫石料的粗顆粒逐級剔除后，進行室內標準試驗，尋找最大干密度與剔除量或剩余量之間的關系，再延伸求出原級配砂卵礫石料的最大干密度。

2　試驗取樣

三岔河水電站孫家壩移民安置點防洪堤采用工程區附近膽扎河兩岸的漫灘及一級階地上分布的天然砂卵礫石料填筑，兩處的砂卵礫石料級配均良好，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%。為便于對比，確保試驗結果真實可靠，在膽扎河右岸的河漫灘及一級階地上分別取樣進行最大干密度試驗。

3　試驗分析

3.1試樣剔除處理

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

3.2顆粒分析試驗

采用篩析法對試樣進行顆粒分析試驗，篩分試驗結果見表1。根據表1可算出MSY2、MSY3、MSY4、MSY5試樣的剔除量百分含量分別為原級配料的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配料的9.3%、22.4%、38.0%、51.7%。顆粒大小分布曲線見圖1。

表1篩分結果

試驗篩類型孔徑/mm小于該孔徑的土料質量百分比/%河漫灘試樣一級階地試樣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

3.3最大干密度試驗

用振動臺法測定試驗料的最大干密度，試驗儀器設備主要有振動臺、試筒、套筒、加重底板、加重塊、百分表、臺稱等。經曬干或烘干的試樣裝入試筒中并固定于振動臺上，選擇合適的加重塊后，采用60 Hz的振動頻率振動試樣，并按試驗規程的相關要求進行平行試驗。最大干密度計算公式為

ρdmax=md/Vs

式中，ρdmax為最大干密度，g/cm3；md為干試樣質量，g；Vs為最密實狀態下試樣體積，cm3。

剔除后剩余試樣的質量百分含量計算公式為

Ps=ms/mt

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

經過試驗和計算，得出剔除粗粒徑后各組試樣相應的最大干密度如表2所示。

表2剔除粗粒徑后各組試樣相應的最大干密度試驗結果

砂卵礫石料種類試驗項目PS/%ρdmax/g·cm-3河漫灘MSY292.92.359MSY378.52.275MSY462.82.210MSY549.22.135一級階地JSY291.72.300JSY377.62.242JSY462.02.140JSY548.32.090

3.4試驗成果分析

根據表2繪制出砂卵礫石料最大干密度對應剩余料質量百分含量的散點圖(見圖2)。

圖2　最大干密度與剩余料質量百分含量關系

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出有規律的變化。隨著粗粒料的逐級剔除，剩余料的顆粒越來越均勻，不均勻系數越來越小，級配越來越差，最大干密度通常越來越小。根據相關系數計算公式

算出兩種試樣的ρdmax與Ps之間的相關系數分別為0.998和0.995，由此可見ρdmax與Ps之間高度線性相關，考慮試驗誤差因素，可認為ρdmax與Ps完全線性相關，將擬合線按線性規律延伸，當Ps=100%時，對應的ρdmax即為原級配砂卵礫石料的最大干密度。據此推算出河漫灘及一級階地原級配砂卵礫石料試樣的最大干密度分別為2.392、2.343 g/cm3。

4　現場檢驗

取河漫灘及一級階地砂卵礫石料分別進行現場填筑碾壓試驗。填筑料松鋪厚度43 cm，20 t自行式振動平碾碾壓4遍后，兩種填筑料的頂面局部不平整，輪跡明顯，有松動下沉現象，采用灌砂法分別進行3組原位密度試驗，并以剔除延伸法得到的最大干密度計算其相對密度平均值分別為0.63和0.59，判為稍密；碾壓6遍后，填筑料的頂面平整密實，鍬鎬挖掘困難，用撬棍方能松動，通過試坑可見填筑料骨架顆粒呈交錯排列，連續接觸，相對密度平均值分別為0.87和0.85，判為密實；碾壓8遍后，沉降量已無明顯變化，局部有輪跡，表面干燥，局部有松動，相對密度平均值為0.88和0.85，判為局部反松。現場填筑碾壓試驗表明，填筑料松鋪厚度43 cm，經20 t自行式振動平碾碾壓6遍后，其密實度均能達到設計要求。采用剔除延伸法求得的砂卵礫石料最大干密度能對填筑質量做出相對準確的評價，對砂卵礫石料填筑施工質量檢測提供了一個有效途徑。施工過程中，為確保試驗準確性，每5 000 m3填筑料要按剔除延伸法重新進行一次最大干密度試驗。三岔河水電站孫家壩移民安置點防洪堤砂卵礫石填筑量約21萬m3，采用剔除延伸法求取砂卵礫石料最大干密度，再通過原位密度試驗測算壓實后的干密度，從而計算出壓實后的相對密度，用于控制填筑質量，效果良好。

5　結　語

通過逐級剔除砂卵礫石料的大粒徑料，對剩余料進行最大干密度試驗，分析砂卵礫石料的最大干密度與剩余量之間的關系，得出最大干密度與剩余量質量百分含量之間高度線性相關，將擬合線按其線性規律延伸，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的困難。為降低試驗誤差，宜盡量多級地進行剔除試驗，使試驗數據點盡量多，采用盡量多的試驗數據進行線性擬合，可以提高外推精度；每填筑一定數量后要按剔除延伸法重新進行一次最大干密度試驗；遇到啟用新料場或填筑料發生變化等情況時，也要按剔除延伸法重新進行最大干密度試驗。

[1]SL 237—1999土工試驗規程[S]．

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

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

[4]郭慶國. 粗粒土的工程特性及應用[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]. 水利與建筑工程學報， 2005， 3(1)： 17- 19．

[6]朱崇輝， 嚴寶文, 劉俊民， 等. 巨粒混合土的相對密度試驗研究[J]. 水利學報， 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研究[J]. 四川水力發電， 2005， 24(1)： 69- 74．

(責任編輯焦雪梅)

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(1978—)，男，廣西防城港人，高級工程師，主要從事水利水電工程設計與研究．

TV541.1；TU411

A

0559- 9342(2016)05- 0102- 04