剔除延伸法在砂卵砾石最大干密度试验中的应用

廖　强，赵　斌

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)



剔除延伸法在砂卵砾石最大干密度试验中的应用

廖强，赵斌

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明650051)

结合三岔河水电站移民安置点防洪堤工程实践，采用逐级剔除粗粒料、对剩余料进行最大干密度试验的方法，得出粗粒土最大干密度与剔除后剩余料百分含量之间存在线性关系，由此延伸求取原级配砂卵砾石料的最大干密度，解决了超粒径材料最大干密度试验困难的难题。

砂卵砾石；剔除延伸法；颗粒级配；最大干密度

天然砂卵砾石因其具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等工程特性，而成为一种性能良好的天然建筑材料，在路基、堤坝填筑及换填垫层地基处理等工程中被广泛使用。云南省腾冲县三岔河水电站孙家坝移民安置点建在水库边，为避免水库蓄水后对安置点造成不利影响，安置点临水侧拟修筑防洪堤，兼作新建环库公路的一部分。经多方研究，防洪堤采用附近胆扎河两岸的漫滩及一级阶地上广泛分布的砂卵砾石料填筑，要求砂卵砾石料最大粒径不得大于200 mm，含泥量小于5%，填筑碾压后相对密度Dr≥0.75。采用相对密度控制填筑碾压密实程度的关键在于，确定填筑料的最大干密度ρdmax和最小干密度ρdmin。ρdmax一般采用振动法测定，按照我国相关试验规程[1]的要求，试验料的最大粒径与标准试验筒的直径最大比值不得大于1∶5，由于目前试验设备的限制只能测定最大粒径不大于60 mm粗粒土的ρdmax。因此，求取最大粒径大于60 mm砂卵砾石料的最大干密度是急需解决的一个现实问题。

1　方法选择

目前对粒径大于60 mm的砂卵砾石等粗粒土最大干密度的测定方法主要有两种：一是直接测定法，即通过加大仪器直径和振动动力，使试验料可测粒径范围增大；二是间接测定法，即采用现有试验条件，通过测定可测粒径范围内粗粒土最大干密度与粒径的相关变化规律，外推超粒径粗粒土的最大干密度。如采用直接测定法，要测定最大粒径达200 mm的砂卵砾石料最大干密度，则需将试验筒直径增大至1 000 mm，这样一来，试验用料的质量会增加较多，受试验筒直径和振动动力条件限制，采用直接测定法测定超粒径粗粒土最大干密度，既不经济，试验结果也不理想。根据史彦文[2]、郭庆国[3，4]、李祯祥[5]、朱崇辉[6]、张胜利[7]等专家及工程技术人员的研究成果，间接测定法是目前解决超粒径粗粒土最大干密度测定难题的主要手段。

常采用的间接测定法主要有相似级配系列延伸法、等量代替级配系列延伸法、剔除延伸法、渐近线辅助拟合法、三点近似测定法等。各方法尽管采用的模型级配、推算方法不同，但指导思想都是将不可试验的超粒径粗粒土最大粒径人为缩小，使其粒径符合试验仪器要求的最大粒径，通过不同条件下最大干密度试验，寻找其中的规律，再按规律将试验结果外推，从而间接求出原级配超粒径粗粒土的最大干密度。根据三岔河水电站孙家坝移民安置点防洪堤工程特点及现场试验条件，拟选用简单易行的剔除延伸法，将超粒径砂卵砾石料的粗颗粒逐级剔除后，进行室内标准试验，寻找最大干密度与剔除量或剩余量之间的关系，再延伸求出原级配砂卵砾石料的最大干密度。

2　试验取样

三岔河水电站孙家坝移民安置点防洪堤采用工程区附近胆扎河两岸的漫滩及一级阶地上分布的天然砂卵砾石料填筑，两处的砂卵砾石料级配均良好，主要由卵石、砾石、中砂和少量泥土组成，其中卵石占6.45%～7.10%、砾石占52.60%～56.95%、中砂占33.65%～37.23%，含泥量<5%。为便于对比，确保试验结果真实可靠，在胆扎河右岸的河漫滩及一级阶地上分别取样进行最大干密度试验。

3　试验分析

3.1试样剔除处理

原级配砂卵砾石试样的最大粒径200 mm，大大超过试验室可测最大粒径60 mm，按照剔除延伸法的要求，将河漫滩及一级阶地上分别取回的试样逐级剔除大于60、40、20、10 mm粒径料后的剩余料进行试验。河漫滩原级配砂卵砾石料试样编号为MSY1，剔除大于60、40、20、10 mm粒径料后的剩余料试样编号分别为MSY2、MSY3、MSY4、MSY5。一级阶地原级配砂卵砾石料试样编号为JSY1，剔除大于60、40、20、10 mm粒径料后的剩余料试样编号分别为JSY2、JSY3、JSY4、JSY5。

3.2颗粒分析试验

采用筛析法对试样进行颗粒分析试验，筛分试验结果见表1。根据表1可算出MSY2、MSY3、MSY4、MSY5试样的剔除量百分含量分别为原级配料的8.1%、21.5%、37.2%、50.8%；JSY2、JSY3、JSY4、JSY5试样的剔除量百分含量分别为原级配料的9.3%、22.4%、38.0%、51.7%。颗粒大小分布曲线见图1。

表1筛分结果

试验筛类型孔径/mm小于该孔径的土料质量百分比/%河漫滩试样一级阶地试样MSY1MSY2MSY3MSY4MSY5JSY1JSY2JSY3JSY4JSY5粗筛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细筛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

图1　砂卵砾石料颗粒大小分布曲线

3.3最大干密度试验

用振动台法测定试验料的最大干密度，试验仪器设备主要有振动台、试筒、套筒、加重底板、加重块、百分表、台称等。经晒干或烘干的试样装入试筒中并固定于振动台上，选择合适的加重块后，采用60 Hz的振动频率振动试样，并按试验规程的相关要求进行平行试验。最大干密度计算公式为

ρdmax=md/Vs

式中，ρdmax为最大干密度，g/cm3；md为干试样质量，g；Vs为最密实状态下试样体积，cm3。

剔除后剩余试样的质量百分含量计算公式为

Ps=ms/mt

式中，Ps为剔除后剩余试样质量占剔除前试样总质量的百分含量，%；ms为剔除后剩余试样的质量，g；mt为剔除前试样总质量，g。

经过试验和计算，得出剔除粗粒径后各组试样相应的最大干密度如表2所示。

表2剔除粗粒径后各组试样相应的最大干密度试验结果

砂卵砾石料种类试验项目PS/%ρdmax/g·cm-3河漫滩MSY292.92.359MSY378.52.275MSY462.82.210MSY549.22.135一级阶地JSY291.72.300JSY377.62.242JSY462.02.140JSY548.32.090

3.4试验成果分析

根据表2绘制出砂卵砾石料最大干密度对应剩余料质量百分含量的散点图(见图2)。

图2　最大干密度与剩余料质量百分含量关系

由图2可以看出，试样的最大干密度随剩余料百分含量的不同呈现出有规律的变化。随着粗粒料的逐级剔除，剩余料的颗粒越来越均匀，不均匀系数越来越小，级配越来越差，最大干密度通常越来越小。根据相关系数计算公式

算出两种试样的ρdmax与Ps之间的相关系数分别为0.998和0.995，由此可见ρdmax与Ps之间高度线性相关，考虑试验误差因素，可认为ρdmax与Ps完全线性相关，将拟合线按线性规律延伸，当Ps=100%时，对应的ρdmax即为原级配砂卵砾石料的最大干密度。据此推算出河漫滩及一级阶地原级配砂卵砾石料试样的最大干密度分别为2.392、2.343 g/cm3。

4　现场检验

取河漫滩及一级阶地砂卵砾石料分别进行现场填筑碾压试验。填筑料松铺厚度43 cm，20 t自行式振动平碾碾压4遍后，两种填筑料的顶面局部不平整，轮迹明显，有松动下沉现象，采用灌砂法分别进行3组原位密度试验，并以剔除延伸法得到的最大干密度计算其相对密度平均值分别为0.63和0.59，判为稍密；碾压6遍后，填筑料的顶面平整密实，锹镐挖掘困难，用撬棍方能松动，通过试坑可见填筑料骨架颗粒呈交错排列，连续接触，相对密度平均值分别为0.87和0.85，判为密实；碾压8遍后，沉降量已无明显变化，局部有轮迹，表面干燥，局部有松动，相对密度平均值为0.88和0.85，判为局部反松。现场填筑碾压试验表明，填筑料松铺厚度43 cm，经20 t自行式振动平碾碾压6遍后，其密实度均能达到设计要求。采用剔除延伸法求得的砂卵砾石料最大干密度能对填筑质量做出相对准确的评价，对砂卵砾石料填筑施工质量检测提供了一个有效途径。施工过程中，为确保试验准确性，每5 000 m3填筑料要按剔除延伸法重新进行一次最大干密度试验。三岔河水电站孙家坝移民安置点防洪堤砂卵砾石填筑量约21万m3，采用剔除延伸法求取砂卵砾石料最大干密度，再通过原位密度试验测算压实后的干密度，从而计算出压实后的相对密度，用于控制填筑质量，效果良好。

5　结　语

通过逐级剔除砂卵砾石料的大粒径料，对剩余料进行最大干密度试验，分析砂卵砾石料的最大干密度与剩余量之间的关系，得出最大干密度与剩余量质量百分含量之间高度线性相关，将拟合线按其线性规律延伸，可以间接求出超粒径砂卵砾石料的最大干密度，从而解决了超粒径材料最大干密度试验的困难。为降低试验误差，宜尽量多级地进行剔除试验，使试验数据点尽量多，采用尽量多的试验数据进行线性拟合，可以提高外推精度；每填筑一定数量后要按剔除延伸法重新进行一次最大干密度试验；遇到启用新料场或填筑料发生变化等情况时，也要按剔除延伸法重新进行最大干密度试验。

[1]SL 237—1999土工试验规程[S]．

[2]史彦文. 大粒径砂卵石最大密度的研究[J]. 土木工程学报， 1981(2)： 53- 58．

[3]郭庆国， 刘贞草. 超径粗粒土最大干密度的测定方法[J]. 水利学报， 1993(10)： 70- 78．

[4]郭庆国. 粗粒土的工程特性及应用[M]. 郑州： 黄河水利出版社， 1996．

[5]李祯祥， 李朝晖. 超径粗粒土最大干密度的确定方法[J]. 水利与建筑工程学报， 2005， 3(1)： 17- 19．

[6]朱崇辉， 严宝文, 刘俊民， 等. 巨粒混合土的相对密度试验研究[J]. 水利学报， 2007， 38(6)： 749- 753．

[7]张胜利， 何昌荣, 朱安龙. 砂卵石最大干密度的试验研究[J]. 四川水力发电， 2005， 24(1)： 69- 74．

(责任编辑焦雪梅)

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

廖强(1978—)，男，广西防城港人，高级工程师，主要从事水利水电工程设计与研究．

TV541.1；TU411

A

0559- 9342(2016)05- 0102- 04