第16卷第3期2005年 9月
水资源与水工程学报
Jou rnal of W ater R esou rces &Water Engineering
. 16N o . 3V o l
Sep . , 2005
分段法确定无粘性超粒径粗粒土最大干密度
张少宏, 康顺祥, 骆亚生
(西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 陕西杨凌712100)
摘 要:将无粘性超径粗粒土的级配分为两部分, , 尺到试验仪器允许的范围, , 颗粒料的结构性质出发, 提出相应的公式, 关键词:分段法; 无粘性; ; 中图分类号::A 文章编号:16722643X (2005) 0320051203
Conf max i m u m dry den sity of oversized coarse gra i ned
so il by usi ng subsection m ethod
ZHANG Shao -hong , KANG Shun -x i ang , L UO Ya -sheng
(Colleg e of W ater R esou rces and A rch itectu ral E ng ineering , N orthw est S ci 2T ech U niversity of A g ricu ltu re and F orestry , Y ang ling , S haanx i 712100, Ch ina )
Abstract :In th is paper , the gradati on of oversized coarse grained so il is divided in to tw o parts nam ed
coarse aggregate part and fine aggregate p art respectively , then the gradati on of coarse aggregate part is reduced scale to allow ab le range of exp eri m en tal apparatu s acco rding to si m ilitude law , so the m ax i 2m um dry den sity of tw o parts can be tested resp ectively . A cco rding to the differen t particle con ten t and com p actness state of bo th parts , the fo r m u la to ascertain the m ax i m um dry den sity of p ri m ary gra 2dati on coarse grained so il is p resen ted
Key words :sub secti on m ethod ; cohesi on less so il ; oversized coarse grained so il ; m ax i m um dry den sity
1 引 言
在土石坝、堆石坝迅速发展的今天, 随着设计理论的不断成熟和施工机械不断发展, 上坝堆石料最大粒径已超过1000mm 。而室内常用的测定粗粒土最大干密度仪器的允许最大粒径仅为60mm , 与原型料差别很大, 因此, 在设计初期如何科学、合理的确定粗粒土的填筑标准是亟待解决的问题。
目前, 通过室内试验确定超粒径粗粒土最大干密度的方法[1]主要有剔除超径料系列延伸法; 相似级配系列延伸法; 等量代替级配系列延伸法等方法。但几种方法都不同程度的改变了材料的颗粒组成, 用上述方法推求出同一种超径粗粒土的最大干密度
333
值分别为2. 505g c m , 2. 550g c m , 2. 465g c m 。
3
三者之间的差值近乎0. 09g c m , 结果偏差较大, 且三者从试验区间推理到原型区间, 无理论支持。
粗粒土研究中常将粗粒土分为粗颗粒料和细颗粒料两部分, 用试验方法分别测得粗颗粒料、细颗粒料两部分的最大干密度, 根据粗颗粒和细颗粒两部分在原型料中所占的比例进行密度计算, 依此推求超径粗粒土的最大干密度。
2 推求原理
决定粗粒土最大干密度的主要因素有:(1) 粗粒土的类型、成因和材料性质。(2) 粗粒土的颗粒组成。2. 1 分段法的基本思路
粗粒土的地域性很强, 不同地域的粗粒土, 由于其成因, 沉积时间的不同, 差别较大。但对于某一工程, 由于其区域较小, 则所用的堆石材料的类型、成因和性质基本相同。其决定粗粒土密度的主要因素为粗料土的颗粒组成。
收稿日期:2005202225
作者简介:张少宏(19682) , 男(汉族) , 陕西华阴人, 工程师, 主要从事岩土工程试验研究工作。
52 水资源与水工程学报 2005年
实际工程所填筑的粗粒土, 其最大粒径往往远远超过室内仪器所允许的最大粒径, 室内无法直接测定其最大干密度, 现在常用以上提到的间接法进行推算。但由于几种方法推算的结果相差较大, 且无理论支持, 哪种方法推求的结果更接近真值, 更合理, 还需进一步验证。
粗粒土的研究中, 一般认为粗颗粒料作为骨架料, 细颗粒料作为粗颗粒料的孔隙充填料。二者在粗干密度值。况下所处的状态, :; 。根据两者在原型中所占比例, 以及粗颗粒料和细颗粒料所处的状态, 通过公式即可计算出全料的最大干密度值。对于细颗粒料可在室内直接通过振动锤击法测得其最大密度值。而对于粗颗粒料仍然存在超径问题, 此时必须合理地确定出粗颗粒料的最大干密度值。一般认为粗颗粒料由于颗粒较大, 作为骨架, 可根据相似原理进行缩尺, 由于无细颗粒料, 其缩尺后不会改变作为骨架的性质, 不会影响孔隙率, 相应的也不会改变其密度。所以, 将粗颗粒料的最大粒径缩尺到室内仪器允许的范围, 然后通过室内振动台法测定的最大干密度值即为原型级配料粗颗粒料的最大密度值。2. 2 公式推导
量大, 细颗粒料含量少, 粗颗粒料密实后所形成得孔隙细颗粒料不足以在其最大密度时将其完全填充, 即粗颗粒料达到最大密度而细颗粒料无法达到其最大密度。此时用(3) 式推求原型级配得最大密度值。
(3) Θd m ax =Θ1d m ax +
P 粗
式中:d ; Θ1d m ax 为粗颗
; 细(M +Θ2) M 1d m ax ) =P 细时, 粗颗粒料密实后所形成得孔隙细料恰好被细料在其最大密度时
将其完全填充, 即粗颗粒料达到最大密度而细颗粒料也达到其最大密度。此时用(4) 式推求原型级配得最大密度值。
(4) Θd m ax =Θ1d m ax +n ×Θ2d m ax 式中符号意义同上。
(3) 当M (M +Θ1d m ax )
P 粗 Θ2d m ax +Θs 粗 ΘΞ P 细
) (5)
(Θs 粗 ΘΞ Θ2d m ax )
式中:Θ。Ξ为水的密度, 其余符号意义同上
3 碾压试验结果与室内试验计算结果
粗颗粒料振动密实后的孔隙率按式(1) 计算
(1) n =1-s 粗
式中:Θ1d m ax 为粗颗粒料的最大干密度; Θs 粗为粗颗
粒料的颗粒比重; n 为粗颗粒料最大干密度时对应的孔隙率。
细颗粒料在密实状态情况下填满粗颗粒料的孔隙所需量按式(2) 计算
(2) M =n ×Θ2d m ax 式中:M 为所需细颗粒料质量; Θ2d m ax 为细颗粒料的最大干密度。
按上述三种情况, 推导计算原型密度的公式:(1) 当M (M +Θ1d m ax ) >P 细时, 粗颗粒料含
的对比
以某工程坝壳堆石料作为试验材料, 在室内分
别对粗颗粒料和细颗粒料进行相对密度试验, 测出两部分的最大干密度值, 根据两者的不同含量, 通过相应公式进行计算, 推算出原型级配的最大密度, 并与现场碾压试验的实测结果进行对比。
原型级配的确定:在对现场碾压试验进行原位干密度测定的同时, 测定其试料的颗粒组成, 然后将级配接近的2～4个坑进行平均, 确定出颗粒组成, 同时将相应试坑干密度值进行平均。选用的材料颗粒组成见表1和图1。
根据图1的颗粒组成情况, 依据规范[2], 以5mm 粒径暂作为粗细料的分界点, 将试样分为粗颗
mm , %
5～23. 35. 8
2～12. 34. 0
1～0. 50. 5～0. 25
2. 12. 9
1. 33. 4
表1 堆石料的颗粒组成
粒径300～200200～100100～8080～6060～4040～2020～1010～5
#
29. 021. 08. 56. 58. 58. 54. 02. 51#
10. 824. 46. 37. 96. 37. 99. 17. 32
第3期 张少宏, 等:分段法确定无粘性超粒径粗粒土最大干密度53
粒料和细颗粒料两部分。然后按规范分别对2种试料的粗颗粒料部分和细颗粒料部分进行相对密度试验。粗颗粒料部分按相似原理将最大粒径缩为60mm , 细颗粒部分按实测级配进行试验。粗颗粒缩尺
后的级配与细颗粒的试验级配见图2。
根据粗颗粒、细颗粒的相对密度结果, 通过相应的公式计算出的原型级配最大干密度结果与碾压试验实测的结果值见表2
。
1 原型级配 图2 粗颗粒、细颗粒级配
表2 试验计算与碾压试验的最大干密度结果
试样相对密度试验最大干密度粗粒孔
粗粒细粒编号隙率 %
12. 151. 7860. 21222. 191. 7820. 198
最佳细粒含量 %
1514
适用公式(3) (5)
计算的原型级配最大干密度
2. 432. 47
碾压试验实测最大干密度平均值
2. 402. 43
g c m
3
计算值与实测值的差值0. 030. 04
4 结果分析
从表2的原型级配计算结果和现场碾压试验的
3
实测结果看, 其差值为0. 03～0. 04g c m , 说明此方法是可行的。但推算结果仍与碾压试验的实测结果有误差, 分析其误差产生的原因主要有:
(1) 由于客观条件的限制, 现场碾压试验往往达不到最密实状态, 因此比分段法推求的结果偏低。
(2) 现场施工时, 当细颗粒料含量较大时, 不一定达到完全将粗颗粒隔开, 因此比分段法推求的结果偏低。
(3) 以5mm 粒径作为粗颗粒、细颗粒的分界点不是十分合理, 当最大粒径较大, 而5mm 以下颗粒含量又很少时, 将10mm 粒径甚至更大粒径作为粗颗粒和细颗粒分界点可能更加合理。因为此时10mm 粒径可能不起骨架作用。而当细颗粒含量超过最佳细颗粒含量不多时, 此时又不能完全将粗颗粒隔开时, 细颗粒中的较大粒径将与粗颗粒共同起骨架作用, 则骨架料的最大干密度既不是试验中粗颗粒料最大密度, 也不是细颗粒料的最大密度。所以试验计算结果与实测结果产生误差。
(4) 粗颗粒料部分的级配缩尺带来的误差, 当颗粒浑圆程度相差不大时, 根据相似原理对颗粒大小进行缩尺后, 其最大干密度不变。对一般的砂卵石料, 其5mm 以上颗粒浑圆程度相差不大, 而5mm
以下颗粒和5mm 以上颗粒的浑圆度有差别, 将5mm 以上颗粒缩尺到5mm 以下时, 部分粒径的浑
圆程度发生变化对最大干密度的结果产生误差。
(5) 现场试坑取样的实测平均级配作为试验级配, 由于其每个试坑的级配与平均级配的相差不同, 用该级配作为试验计算级配, 推算原型级配最大干密度和用每个试坑的干密度平均值进行比较, 其结果会有一定的误差。
5 结 语
在工程建设初期, 当确定了料场后, 就要确定填筑干密度, 当按上述方法[1]进行推算时, 由于都是用相对较窄的级配试验结果, 去推求较宽级配的结果, 几种方法均假定较窄区间的规律在宽区间仍然适用, 实际情况是否如此, 无从验证。而分段法有充分的理论依据, 同时推算的原型密度与实测密度偏差小。所以在室内进行两次相对密度试验, 然后通过分段法相应的公式推求出原型级配的最大干密度的方法是合理的。参考文献:
[1] 郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M ]. 郑州:黄河水
利出版社, 1998.
[2] SL 237-1999. 中华人民共和国行业标准. 土工试验规
程[S ]. 北京:中国水利水电出版社, 1999.
第16卷第3期2005年 9月
水资源与水工程学报
Jou rnal of W ater R esou rces &Water Engineering
. 16N o . 3V o l
Sep . , 2005
分段法确定无粘性超粒径粗粒土最大干密度
张少宏, 康顺祥, 骆亚生
(西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 陕西杨凌712100)
摘 要:将无粘性超径粗粒土的级配分为两部分, , 尺到试验仪器允许的范围, , 颗粒料的结构性质出发, 提出相应的公式, 关键词:分段法; 无粘性; ; 中图分类号::A 文章编号:16722643X (2005) 0320051203
Conf max i m u m dry den sity of oversized coarse gra i ned
so il by usi ng subsection m ethod
ZHANG Shao -hong , KANG Shun -x i ang , L UO Ya -sheng
(Colleg e of W ater R esou rces and A rch itectu ral E ng ineering , N orthw est S ci 2T ech U niversity of A g ricu ltu re and F orestry , Y ang ling , S haanx i 712100, Ch ina )
Abstract :In th is paper , the gradati on of oversized coarse grained so il is divided in to tw o parts nam ed
coarse aggregate part and fine aggregate p art respectively , then the gradati on of coarse aggregate part is reduced scale to allow ab le range of exp eri m en tal apparatu s acco rding to si m ilitude law , so the m ax i 2m um dry den sity of tw o parts can be tested resp ectively . A cco rding to the differen t particle con ten t and com p actness state of bo th parts , the fo r m u la to ascertain the m ax i m um dry den sity of p ri m ary gra 2dati on coarse grained so il is p resen ted
Key words :sub secti on m ethod ; cohesi on less so il ; oversized coarse grained so il ; m ax i m um dry den sity
1 引 言
在土石坝、堆石坝迅速发展的今天, 随着设计理论的不断成熟和施工机械不断发展, 上坝堆石料最大粒径已超过1000mm 。而室内常用的测定粗粒土最大干密度仪器的允许最大粒径仅为60mm , 与原型料差别很大, 因此, 在设计初期如何科学、合理的确定粗粒土的填筑标准是亟待解决的问题。
目前, 通过室内试验确定超粒径粗粒土最大干密度的方法[1]主要有剔除超径料系列延伸法; 相似级配系列延伸法; 等量代替级配系列延伸法等方法。但几种方法都不同程度的改变了材料的颗粒组成, 用上述方法推求出同一种超径粗粒土的最大干密度
333
值分别为2. 505g c m , 2. 550g c m , 2. 465g c m 。
3
三者之间的差值近乎0. 09g c m , 结果偏差较大, 且三者从试验区间推理到原型区间, 无理论支持。
粗粒土研究中常将粗粒土分为粗颗粒料和细颗粒料两部分, 用试验方法分别测得粗颗粒料、细颗粒料两部分的最大干密度, 根据粗颗粒和细颗粒两部分在原型料中所占的比例进行密度计算, 依此推求超径粗粒土的最大干密度。
2 推求原理
决定粗粒土最大干密度的主要因素有:(1) 粗粒土的类型、成因和材料性质。(2) 粗粒土的颗粒组成。2. 1 分段法的基本思路
粗粒土的地域性很强, 不同地域的粗粒土, 由于其成因, 沉积时间的不同, 差别较大。但对于某一工程, 由于其区域较小, 则所用的堆石材料的类型、成因和性质基本相同。其决定粗粒土密度的主要因素为粗料土的颗粒组成。
收稿日期:2005202225
作者简介:张少宏(19682) , 男(汉族) , 陕西华阴人, 工程师, 主要从事岩土工程试验研究工作。
52 水资源与水工程学报 2005年
实际工程所填筑的粗粒土, 其最大粒径往往远远超过室内仪器所允许的最大粒径, 室内无法直接测定其最大干密度, 现在常用以上提到的间接法进行推算。但由于几种方法推算的结果相差较大, 且无理论支持, 哪种方法推求的结果更接近真值, 更合理, 还需进一步验证。
粗粒土的研究中, 一般认为粗颗粒料作为骨架料, 细颗粒料作为粗颗粒料的孔隙充填料。二者在粗干密度值。况下所处的状态, :; 。根据两者在原型中所占比例, 以及粗颗粒料和细颗粒料所处的状态, 通过公式即可计算出全料的最大干密度值。对于细颗粒料可在室内直接通过振动锤击法测得其最大密度值。而对于粗颗粒料仍然存在超径问题, 此时必须合理地确定出粗颗粒料的最大干密度值。一般认为粗颗粒料由于颗粒较大, 作为骨架, 可根据相似原理进行缩尺, 由于无细颗粒料, 其缩尺后不会改变作为骨架的性质, 不会影响孔隙率, 相应的也不会改变其密度。所以, 将粗颗粒料的最大粒径缩尺到室内仪器允许的范围, 然后通过室内振动台法测定的最大干密度值即为原型级配料粗颗粒料的最大密度值。2. 2 公式推导
量大, 细颗粒料含量少, 粗颗粒料密实后所形成得孔隙细颗粒料不足以在其最大密度时将其完全填充, 即粗颗粒料达到最大密度而细颗粒料无法达到其最大密度。此时用(3) 式推求原型级配得最大密度值。
(3) Θd m ax =Θ1d m ax +
P 粗
式中:d ; Θ1d m ax 为粗颗
; 细(M +Θ2) M 1d m ax ) =P 细时, 粗颗粒料密实后所形成得孔隙细料恰好被细料在其最大密度时
将其完全填充, 即粗颗粒料达到最大密度而细颗粒料也达到其最大密度。此时用(4) 式推求原型级配得最大密度值。
(4) Θd m ax =Θ1d m ax +n ×Θ2d m ax 式中符号意义同上。
(3) 当M (M +Θ1d m ax )
P 粗 Θ2d m ax +Θs 粗 ΘΞ P 细
) (5)
(Θs 粗 ΘΞ Θ2d m ax )
式中:Θ。Ξ为水的密度, 其余符号意义同上
3 碾压试验结果与室内试验计算结果
粗颗粒料振动密实后的孔隙率按式(1) 计算
(1) n =1-s 粗
式中:Θ1d m ax 为粗颗粒料的最大干密度; Θs 粗为粗颗
粒料的颗粒比重; n 为粗颗粒料最大干密度时对应的孔隙率。
细颗粒料在密实状态情况下填满粗颗粒料的孔隙所需量按式(2) 计算
(2) M =n ×Θ2d m ax 式中:M 为所需细颗粒料质量; Θ2d m ax 为细颗粒料的最大干密度。
按上述三种情况, 推导计算原型密度的公式:(1) 当M (M +Θ1d m ax ) >P 细时, 粗颗粒料含
的对比
以某工程坝壳堆石料作为试验材料, 在室内分
别对粗颗粒料和细颗粒料进行相对密度试验, 测出两部分的最大干密度值, 根据两者的不同含量, 通过相应公式进行计算, 推算出原型级配的最大密度, 并与现场碾压试验的实测结果进行对比。
原型级配的确定:在对现场碾压试验进行原位干密度测定的同时, 测定其试料的颗粒组成, 然后将级配接近的2～4个坑进行平均, 确定出颗粒组成, 同时将相应试坑干密度值进行平均。选用的材料颗粒组成见表1和图1。
根据图1的颗粒组成情况, 依据规范[2], 以5mm 粒径暂作为粗细料的分界点, 将试样分为粗颗
mm , %
5～23. 35. 8
2～12. 34. 0
1～0. 50. 5～0. 25
2. 12. 9
1. 33. 4
表1 堆石料的颗粒组成
粒径300～200200～100100～8080～6060～4040～2020～1010～5
#
29. 021. 08. 56. 58. 58. 54. 02. 51#
10. 824. 46. 37. 96. 37. 99. 17. 32
第3期 张少宏, 等:分段法确定无粘性超粒径粗粒土最大干密度53
粒料和细颗粒料两部分。然后按规范分别对2种试料的粗颗粒料部分和细颗粒料部分进行相对密度试验。粗颗粒料部分按相似原理将最大粒径缩为60mm , 细颗粒部分按实测级配进行试验。粗颗粒缩尺
后的级配与细颗粒的试验级配见图2。
根据粗颗粒、细颗粒的相对密度结果, 通过相应的公式计算出的原型级配最大干密度结果与碾压试验实测的结果值见表2
。
1 原型级配 图2 粗颗粒、细颗粒级配
表2 试验计算与碾压试验的最大干密度结果
试样相对密度试验最大干密度粗粒孔
粗粒细粒编号隙率 %
12. 151. 7860. 21222. 191. 7820. 198
最佳细粒含量 %
1514
适用公式(3) (5)
计算的原型级配最大干密度
2. 432. 47
碾压试验实测最大干密度平均值
2. 402. 43
g c m
3
计算值与实测值的差值0. 030. 04
4 结果分析
从表2的原型级配计算结果和现场碾压试验的
3
实测结果看, 其差值为0. 03～0. 04g c m , 说明此方法是可行的。但推算结果仍与碾压试验的实测结果有误差, 分析其误差产生的原因主要有:
(1) 由于客观条件的限制, 现场碾压试验往往达不到最密实状态, 因此比分段法推求的结果偏低。
(2) 现场施工时, 当细颗粒料含量较大时, 不一定达到完全将粗颗粒隔开, 因此比分段法推求的结果偏低。
(3) 以5mm 粒径作为粗颗粒、细颗粒的分界点不是十分合理, 当最大粒径较大, 而5mm 以下颗粒含量又很少时, 将10mm 粒径甚至更大粒径作为粗颗粒和细颗粒分界点可能更加合理。因为此时10mm 粒径可能不起骨架作用。而当细颗粒含量超过最佳细颗粒含量不多时, 此时又不能完全将粗颗粒隔开时, 细颗粒中的较大粒径将与粗颗粒共同起骨架作用, 则骨架料的最大干密度既不是试验中粗颗粒料最大密度, 也不是细颗粒料的最大密度。所以试验计算结果与实测结果产生误差。
(4) 粗颗粒料部分的级配缩尺带来的误差, 当颗粒浑圆程度相差不大时, 根据相似原理对颗粒大小进行缩尺后, 其最大干密度不变。对一般的砂卵石料, 其5mm 以上颗粒浑圆程度相差不大, 而5mm
以下颗粒和5mm 以上颗粒的浑圆度有差别, 将5mm 以上颗粒缩尺到5mm 以下时, 部分粒径的浑
圆程度发生变化对最大干密度的结果产生误差。
(5) 现场试坑取样的实测平均级配作为试验级配, 由于其每个试坑的级配与平均级配的相差不同, 用该级配作为试验计算级配, 推算原型级配最大干密度和用每个试坑的干密度平均值进行比较, 其结果会有一定的误差。
5 结 语
在工程建设初期, 当确定了料场后, 就要确定填筑干密度, 当按上述方法[1]进行推算时, 由于都是用相对较窄的级配试验结果, 去推求较宽级配的结果, 几种方法均假定较窄区间的规律在宽区间仍然适用, 实际情况是否如此, 无从验证。而分段法有充分的理论依据, 同时推算的原型密度与实测密度偏差小。所以在室内进行两次相对密度试验, 然后通过分段法相应的公式推求出原型级配的最大干密度的方法是合理的。参考文献:
[1] 郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M ]. 郑州:黄河水
利出版社, 1998.
[2] SL 237-1999. 中华人民共和国行业标准. 土工试验规
程[S ]. 北京:中国水利水电出版社, 1999.