土石混填料应力波试验方法与工程应用研究

张宇辉， 徐　金

(中国民航大学 机场学院， 天津　300300)



土石混填料应力波试验方法与工程应用研究

张宇辉， 徐金

(中国民航大学 机场学院， 天津300300)

[摘要]针对砂土混填料和粘土混填料两种土石混填材料，分别开展室内小尺寸标准击实剪切波测试试验及大尺寸振动击实剪切波测试试验，采集不同含水率、不同含石量、不同干密度条件下混填料剪切波速相关数据。研究混填料剪切波速的变化规律，并通过二者试验数据的对比分析，结合工程实例对试验结果进行精确性研究。结果表明：在现场施工质量严格控制下，室内大尺寸土石混填试件剪切波速测试与实际相对误差约为约为0.25%，测试结果较稳定，数据离散性较小。而小尺寸土石混填试件剪切波速测试与实际相对误差约为1.4%，且数据稳定性较差，对现场土石混填地基剪切波速模拟试验建议采用大尺寸振动压实制备试件，但在缺乏大尺寸混填试件试验条件时，室内标准击实剪切波速测试结果可据此误差进行调整。

[关键词]土石混填材料； 剪切波速； 标准击实； 室内试验

1概述

土石混填材料作为一种天然路堤填筑材料，具有压实性能好、填筑密度大、抗剪强度高、就地取材方便等特点，早在上世纪70年代，就已开始应用与我国中西部高原及地势起伏较大地区的地基填筑工程中。近年来，随着内陆地区经济的发展及施工水平的提高，高原及地势复杂地区的机场、铁路、公路和超高层大荷载建筑设施日益增多。这些工程普遍具有场区地质条件复杂、填方量巨大、气候条件恶劣等特点，为保证填方地基的承载强度与稳定性，其填方材料多采用当地碎石与细粒土混合而成。土石混填地基的强度、稳定性及受力特性直接与上部结构安全紧密关联，已成为目前研究的热点问题。

目前对土石混填料的研究方法多为理论分析结合试验研究，而试验的方法主要分为两种：实体试验及仿真试验。其中实体试验又分为室内试验[1]与现场试验。Bagherzadeh-Khalkhali等[2]采用室内直剪试验的方法研究级配对混填料内摩擦角的影响。程展林等[3]通过室内试验研究，得出粗粒土强度特性与粒间作用及颗粒分布排列密切相关。高玉峰[4]、孔德志等[5]采用大型三轴剪切仪对土石混填料进行室内试验，研究颗粒破碎与混填料压实间相关关系。范喜安[6]、Mollon[7]通过数值模拟和计算机仿真的方法对土石混填料开展研究。除传统的混填料参数试验外，近年来随着振动信号采集技术的发展，基于应力波现场测试的便利性，许多学者对土石混填料开展应力波[8-10]研究，以期通过应力波计算评价混填料的力学性能。拾峰等[11，12]通过在现场进行地基原位剪切波试验研究，建立剪切波速与地质沉积的关系模型。刘江平等[13]对地基压实度开展瞬态瑞雷面波试验研究，揭示了地基压实度与剪切波速的相关关系。

由于土石混填料的颗粒分布特性，现有的土力学实验仪器难以对工程现场的土石混填料进行试验。实验室条件下，土石混填料的试验主要有两种，一为采用现有的细粒土试验仪器进行试验，但需要依据仪器尺寸，对土石混填料中的碎石颗粒进行等比例缩小；另一种则依据现场土石混填料的具体粒径分布状况，设计专门仪器进行土石混填料试验，此种仪器尺寸一般较大。对土石混填料的剪切波速测试研究在实验室条件下分为两类：针对尺寸较小试件，可采用自触发式横波传感器测试材料剪切波速；当试件尺寸较大时，采用机械式外触发激发横波，从而达到测试材料剪切波速的目的。为研究这两种试验方法的有效性，在实验室设计小尺寸自触发式剪切波速试验及大尺寸外触发剪切波速试验，对试验数据进行分析，全面评估这两种试验方法的优劣。

2试验设计

分别设计小尺寸自触发式剪切波速试验与大尺寸外触发剪切波速试验。其中小尺寸自触发式剪切波速试验采用150 mm标准击实试筒试验，对土石混填料进行击实处理。剪切波测试采用GJY-1工程测试仪，将横波传感器置于击实试件的两端，保证其和试件进行充分接触，特殊情况下可使用黄油或凡士林充当耦合剂，进行首至剪切波时间的读取，在已知压实试件长度的条件下，可据此计算剪切波速。剪切波激发方式采用自触发，具体试验装置见图1。

大尺寸外触发剪切波速试验采用自制土石混填大型振动击实仪进行试样制备[14]，见图2，试桶规格500 mm×1 000 mm，激振频率50 Hz，激振力5.4～9.6 kN，击锤静重380.7 kg，剪切波测试采用横波传感器接通GJY-1工程测试仪进行采集。剪切波速测试时，将两个传感器探头分别置于试件上下两端，在试件上表面放置方形木块，轻压木块以使木块与试件上表面间具有一定的摩擦系数，通过侧击木块产生剪切波，试样上下两端同时采集，并通过首至波计算方法处理相关数据，得出剪切波速。

图1　小尺寸混填料击实试验仪Figure 1　Small experimental instrument of mixture compaction

图2　大尺寸混填料击实试验仪Figure 2　Large experimental instrument of mixture compaction

测试土样分别为：砂土，含砂量94.05%，其中粗砂10.26%，中砂44.71%，细沙38.63%，最佳含水率10.69%，最大干密度1.93 g/cm3；粘土，ωL=45.12%，IP=18.68，最佳含水率13.28%，最大干密度2.01 g/cm3。石料采用天津蓟县大青石，剪切波速1 873～2 058 m/s，中心值为1 969 m/s，碎石料颗粒最大粒径在标准击实中40 mm，在振动击实中80 mm。试样方法采用9个含石量与6个含水率进行正交制备不同条件土石混填料压实试件，并对其进行不同压实度击实，选取6个不同密实程度试件，分别进行小尺寸和大尺寸混填料剪切波速测试试验，对其剪切波速试验结果进行分析。其中含石量为35%～75%，并以5%递增，而含水量配备为4%～22.5%之间。

3混填料剪切波速影响分析

混填料剪切波速受混填料含石量、含水率、干密度等多种因素的共同影响，任何一个因素的变化都将导致剪切波速的变化[15，16]。图3中列出了砂土混填料不同含石量、不同含水率、不同干密度时剪切波速部分数据曲线。从中分析可看出，混填料剪切波速主要由碎石料剪切波速与细粒土剪切波速两部分影响。当混填料中含石量较少时，混填料表现为细粒土特性，其剪切波速变化规律类似细粒土剪切波速变化规律。当混填料中含石量较大时，混填料中碎石料增多，随混填料干密度的增大，混填料中细粒土干密度增大，混填料整体剪切波速增大，但因细粒土含量较少，所以增大幅度不明显。整体来看，由于石料剪切波速的贡献作用，混填料剪切波速随含石量的增大而增大；由于混填料密实程度的不同及细粒土的压缩，混填料剪切波速随干密度的增大而增大；当混填料干密度固定，则由于剪切波速不能在水中传播的特性，混填料剪切波速随含水率的增大而降低。

图3　混填料及细粒土剪切波速曲线图Figure 3　The shear wave velocity curves of soil and mixture

4试件尺寸对剪切波速试验结果影响分析

在对土石混填料剪切波速影响因素分析的基础上，为进一步对其变化规律进行量化分析，对试验数据进行非线性拟合处理。小桶标准击实试验与大桶振动击实试验分别研究了6个含水率、9个含石量的正交试件在6个干密度下的剪切波速变化情况，每种试验得出数据324组，共648组。依据固定含水率、固定含石量条件下，剪切波速随干密度的变化曲线进行非线性分析，采用不同拟合方式进行拟合，并分析其相关系数，表1中列出了两种混填材料在不同拟合方式下的相关系数平均值。

从表1可看出：土石混填料的剪切波速与干密度之间的相关性拟合采用指数趋势描述时相关系数最大。表中多项式拟合采用的是二次多项式，其个别项相关指数大于指数形式，且当采用三次或三次以上多项式拟合时，其相关系数会进一步增大，拟合精确程度更高，甚至大于指数拟合。但是在某些情况下其曲线变化趋势会与剪切波速的增长规律相悖。一般而言，材料剪切刚度随着混填料干密度的不断增大而增加，则依据下式：

(1)

式中：G为混填料剪切模量，ρ为混填料密度。当材料剪切刚度增大时，混填料的剪切波速随之增大，而采用多次多项式曲线时，在某些含石量与含水率条件下，随干密度的增大剪切波速出现降低，而这与实际情况不符，所以舍弃多项式拟合。在确定混填料剪切波速随干密度的变化符合指数规律后，对试验数据进行指数曲线拟合分析，将砂土混填料与粘土混填料试验数据指数拟合相关系数按含水率进行平均，并按含石量不同汇入曲线图，如图4所示。

表1 剪切波速-干密度拟合相关系数平均值Table1 Theaverageoffittingcorrelationcoefficientbetweenshearwavevelocityanddrydensity混填料试验方式拟合曲线数拟合方式指数二次多项式幂函数对数线性砂混标准击实540.9400.9090.9120.8970.893振动击实540.9630.9560.9430.9140.916粘混标准击实540.9550.9580.8900.8180.908振动击实540.9700.9670.9100.8880.909平均值0.9570.9480.9140.8790.907

图4　不同试验方法混填料剪切波速折线图Figure 4　The line chart of shear wave velocity in 　mixture with different experiment method

从图4中可看出：大尺寸振动压实试验数据相关系数整体较高，说明振动压实试验数据稳定性较好，且离散性较小。分析其原因为： ①虽然大尺寸振动试验中碎石料最大粒径大于击实试验，但由于振动击实试筒的尺寸扩大，混填料整体质量相应增多，对混填料试件而言，其内部土石颗粒分布比小尺寸试筒内更易均匀混合。这一特点在含石量较大时尤为明显。且当含石量较大时，即使试验碎石尺寸较小，但碎石颗粒多，混填料试件不易压实，剪切波速测试精度不足。 ②标准击实通过锤击方法击实混填料，而振动压实通过连续高密度的振动锤击方法达到压实混填料的效果，根据微观颗粒振动更易填充性的理论，振动方法更易将混填料进行压实，且压实效果较均匀。

5工程实例

云南某土石混填工程段选取500 m距离进行现场剪切波速测试试验，试验段土体为红粘土，石料就近运输。现场剪切波速测试采用打孔测试的方式进行，测点间距50 m，测试点数10。现场开挖测得混填料含水率为23.6%，含石量为75%，取相关碎石料及细粒土在实验室配置含石量75%、含水率23.6%土石混填试件，并分别进行实验室小尺寸试件剪切波试验及大尺寸振动击实剪切波试验，每种试验方法测试试件10个。其中小尺寸标准击实试验中碎石粒径采取对应振动击实试桶同比例缩小。实验室测试时采集现场干密度左右误差5%范围内的两个干密度值所对应剪切波速，通过差值计算现场干密度数值处所对应剪切波速试验数值。分析试验数据，并绘制对比图，见图5。

图5　工程实际剪切波测试结果对比图Figure 5　Contrast figure of shear wave velocity 　test in actual project

如图5所示：小尺寸土石混填试件剪切波试验中虽然采用了粒径同比缩小的方法，但其剪切波速数据浮动幅度最大，分析三组数据可得：现场测试波速平均值780 m/s，均方差为10.6；大尺寸剪切波试验波速平均值为782 m/s，均方差为4.9；小尺寸剪切波试验波速平均值为769 m/s，均方差为19.6。则可得实验室条件下土石混填料剪切波测试宜采用大尺寸混填料试件试验，其对工程实际模拟相对误差较小，约为0.25%，且数据波动较稳定；当采用小尺寸土石混填试件剪切波试验时，其对工程实际相对误差约为1.4%，且数据浮动较大，论文中为配合室内试验，现场试验段从回填至碾压均严格控制质量，实际工程中此误差还会有变大情况。

6结论

本文针对砂土混填料和粘土混填料两种材料分别开展小尺寸标准击实剪切波测试试验及大尺寸振动击实剪切波测试试验，对试验数据进行对比分析，并结合工程实例研究，得出以下结论：

① 混填料剪切波速随含石量的增大而增大；随干密度的增大而增大；当混填料干密度固定，混填料剪切波速随含水率的增大而降低。

② 大尺寸剪切波测试结果较稳定，数据离散性较小。对现场土石混填地基剪切波速模拟试验建议采用大尺寸振动压实制备试件。

③ 在现场施工质量严格控制下，室内大尺寸土石混填试件剪切波速测试与实际误差约为约为0.25%。而小尺寸土石混填试件剪切波速测试与实际误差约为1.4%，在缺乏大尺寸混填试件试验条件时，室内标准击实剪切波速测试结果可据此误差进行调整。

[参考文献]

[1]陈文强，王清华，龚芳媛.倒装式级配碎石层厚度对沥青路面设计指标的影响研究[J].湖南交通科技，2014(4)：1-3.

[2]Bagherzadeh-Khalkhali A，Mirghasemi A A.Numerical and experimental direct shear tests for coarse-grained soils [J].Particuology，2009，7(1)：83-91.

[3]程展林，丁红顺，吴良平.粗粒土试验研究[J].岩土工程学报，2007，29(8)：1151-1158.

[4]高玉峰，张兵，刘伟，等.堆石料颗粒破碎特征的大型三轴试验研究[J].岩土力学，2009，30(5)：1237-1246.

[5]孔德志，张其光，张丙印，等.人工堆石料的颗粒破碎率[J].清华大学学报：自然科学版，2009，49(6)：795-799.

[6]范喜安.交通荷载影响下土石混填高路堤沉降规律数值分析[J].路基工程，2012(4)：66-74.

[7]Mollon G，Zhao Jidong.Fourier-voronoi-based generation of realistic samples for discrete modeling of granular materials[J].Granular Matter，2012，14(5)：749-762.

[8]程建伟.瑞雷波检测人工填土强夯地基效果评价[J].低温建筑技术，2009(9)：114-116.

[9]唐平祥.瑞利波法在公路地基中的应用[J].公路工程，2012，37(3)：209-212.

[10]李凤之，迟永坤，齐霞.多道瞬态瑞雷波勘探技术在地基土层波速测试中的应用[J].地质装备，2010(10)：25-27.

[11]拾峰，孙燕君.基于地基现场纵、横波速测试评判建筑场地类别的研究[J].工程地质计算机应用，2009(2)：11-16.

[12]拾峰，杨凤根，高宗旗，等.基于地基现场横波波速测试评判建筑场地类别的研究[J].地质学刊，2010，34(1)：73-78.

[13]刘江平，罗银河，何伟兵.相邻道瞬态瑞雷面波法与压实度检测[J].岩土工程学报，2009，31(11)：1652-1658.

[14]张宇辉，张献民，程国勇.土石混合介质中石料间隙土压实度剪切波速评价研究[J].岩土工程学报，2011，33(6)：909-915.

[15]张宇辉，张献民.高填方土石混合材料剪切波速含石量因素分析[J].公路，2011(04)：69-73.

[16]张宇辉，张献民.细粒土液化对土石混合料剪切波速的影响研究[J].公路工程，2011，36(3)：30-34.

Study on Test Method for Stress Wave of Soil-stone Mixture and Engineering Application

ZHANG Yuhui， XU Jin

(School of Airport， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China)

[Abstract]The shear wave test of small size mixture with standard compaction and the shear wave test of large size mixture with vibration compaction were conducted with sandy soil-stone mixture and clay soil-stone mixture.The data of shear wave velocity of mixture was collected in different water content，different stone content and different dry density.The change rule of shear wave velocity of mixture was revealed.By comparative analyzing of two kinds of test data and the studying of project example，the precision of test results were analyzed.The results show that the relative error between shear wave test data of large size mixture and actual one was 0.25%，the test results’stability was better and the dispersion was smaller.the relative error between shear wave test data of small size mixture and actual one was 1.4%，and the test results’stability was poor.The high precision of simulation test of shear wave velocity in field soil-stone foundation could be obtained by shear wave test of large size mixture.And the results of shear wave test with small size mixture could be changed upon this relative error.

[Key words]soil-stone mixture； shear-wave velocity； standard compaction； laboratory test

[中图分类号]U 416.1+1

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0015-05

[作者简介]张宇辉(1984-)，男，山西吕梁人，博士，讲师，主要从事岩石工程测试技术方面的研究工作。

[基金项目]中央高校科研基金项目(3122014D028)；博士科研启动项目(2012QD24x)

[收稿日期]2014-10-16