无粘性粗粒土相对密度的应用研究

徐晓春

(四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，成都，611731)



无粘性粗粒土相对密度的应用研究

徐晓春

(四川省水利水电勘测设计研究院勘察分院，成都，611731)

无粘性粗粒土在水利水电工程地质勘察中会经常遇到。我单位在勘察中也经常测试这种无粘性粗粒土的相对密度。但地质勘察评价中如何使用相对密度，在现有的技术规范、标准中没有规定。本文通过对无粘性粗粒土相对密度的应用研究，从而可以确定无粘性粗粒土天然状态下的密实度、承载力及变形模量。

无粘性粗粒土 相对密度 密实度 承载力 变形模量

1 前言

本文所述的无粘性粗粒土，主要指俗称的砂砾卵石，即指巨粒类土的混合巨粒土、巨粒混合土、砾类土的砾和含细粒土砾[1]。这种无粘性粗粒土，有一个共同的特点，就是颗粒组成大于2mm的粗颗粒部分为砾石、卵石、漂石；而小于2mm的细颗粒主要为砂粒，其次为极少量的粘粉粒。水利水电工程建设的大坝、引水枢纽、堤防等工程建筑物多处于河流的河床、漫滩、阶地等地形地貌上，从而在工程地质勘察中均会遇到这种无粘性粗粒土，需要查明其厚度、成因类型、组成物质及其分层和分布。若无粘性粗粒土厚度较大，开挖清除可能会使工程造价增加，在这种情况下可将无粘性粗粒土作为持力层加以利用，这样就需要确定无粘性粗粒土在天然状态下的密实性、承载力、变形模量。

这种无粘性粗料土是可以采用圆动力触探试验方法确定其密实度、承载力、变形模量[2]。而近年来，我单位在水利水电工程地质勘察中，对这种无粘性粗粒土进行了天然含水率、天然密度、比重、最小干密度、最大干密度的试验工作，从而计算出相对密度(Dr)。虽有了相对密度的数据，但至今未有相应的技术规范标准作出规定来判定其密实度、确定承载力和变形模量。

砂土可依据相对密度数据判定其密实程度[2]，其对应关系可见表1。

表1 砂土相对密度与密实程度对应关系

砂土属无粘性或少粘性的细粒土(相对本文的无粘性粗粒土而言)，据相对密度判定其密实程度有了比较成熟的标准。而无粘性粗粒土据相对密度数据来判定其密度程度，现无标准。所以通过本文的论述可以根据无粘性粗粒土的相对密度来判定其密实程度(松散、稍密、中密、密实、很密)，进而确定无粘性粗粒土的承载力、变形模量。

2 无粘性粗粒土相对密度试验

相对密度的物理涵义是最大孔隙比与天然孔隙比之差和最大孔隙比与最小孔隙比之差的比值，是反映无粘性土密实程度的指标。即相对密度：

式中：Dr——相对密度；

emax——最大孔隙比，最小干密度对应的孔隙比；

e0——天然孔隙比，天然干密度对应的孔隙比；

emin——最小孔隙比，最大干密度对应的孔隙比。

要计算出相对密度指标，需进行无粘性粗粒土的天然含水率、天然密度、比重、最大干密度、最小干密度等项目的试验。试验方法采用《水电水利工程粗粒土试验规程》(DL/T5356-2006)。

3 圆锥动力触探成果应用

利用圆锥动力触探试验成果的锤击数N120可以评价地基土的密实度、确定地基土承载力、确定地基土的变形模量[2]。

3.1 地基土的密度实

可按表2确定和评价碎石土的密实度。表中的锤击数是经综合修正后的平均值。

表2 碎石土密实度N120分类

3.2 地基土的承载力

可按表3确定。该表中的N120值经过触杆长度修正。

表3 成都地区卵石土极限承载力标准值

3.3 地基土的变形模量

地基土的变形模量确定标准见表4。

表4 成都地区卵石土N120与变形模量E0的关系

4 相对密度试验成果应用

据相对密度的计算公式可以看出，相对密度数值理论上是0～1之间的数值。它的两个极端状态是：当天然干密度很松散，即天然干密度等于最小干密度时，其相对密度值为零；当天然干密度很密实，即天然干密度等于最大干密度时，其相对密度值为1。实际上天然状态下的无粘性粗粒土的天然干密度是介于最小干密度和最大干密度之间的，也就是说无粘性粗粒土的相对密度值通常是介于0～1之间。

有了相对密度这个数据，如何确定天然状态下无粘性粗粒土的密实度、承载力、变形模量。

4.1 密实度的确定

据砂土的相对密度确定其密实程度，其标准可见前述表1。密实度分为四个等级：松散、稍密、中密、密实。

据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)的填筑要求，对其无粘性土的砂砾卵石和砂就填筑标准有这样的规定：砂砾卵石的相对密度不应低于0.75，砂的相对密度不应低于0.70。

据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)，对无粘性土的压实性要求浸润线以上材料的相对密度不低于0.75，浸润线以下材料的相对密度则根据设计烈度大小选用0.75～0.85。

据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)，对饱和无粘性土的液化临界相对密度规定，可见表5。

表5 饱和无粘性土的液化临界相对密度

据上述的技术规范、标准可以确定：无粘性粗粒土相对密度的几个关键点，很密实的相对密度应大于0.85；密实的相对密度应大于0.75；砂土在松散状态下的孔隙比相对于无粘性粗粒土在松散状态下的孔隙比要大得多，相反后者的相对密度就应较前者大。参照无粘性土的砂砾卵石和砂就填筑标准的规定，取松散的相对密度不大于0.3。

综合分析上述无粘性粗粒土相对密度的几个关键点，借鉴表2中对应的关系，可以确定无粘性粗粒土稍密的相对密度上限值为0.45。

因此，无粘性粗粒土按相对密度判定天然状态下的密度程度，可见表6。

表6 按相对密度判定无粘性粗粒土的密实程度

4.2 承载力的确定

据表3可绘制出N120～fbk关系曲线，见图1。

图1 N120～fbk关系

据表2和表6的密实程度对应关系，可以确定N120(锤击数)与相对密度Dr的关系，见图2。

图2 N120～Dr关系

据图2可查出相对密度Dr对应的锤击数N120，再据N120在图1中查出相应的承载力，见表7。

表7 按相对密度确定无粘性粗粒土的极限承载力标准值

4.3 变形模量的确定

据表4可绘制出N120～E0关系曲线，见图3。

据图2可查出相对密度Dr对应的锤击数N120，再据N120在图3中查出相应的变形模量，见表8。

图3 N120～E0关系

表8 按相对密度确定无粘土粗粒土的变形模量

5 结论

无粘性粗粒土通过试验，得出无粘性粗粒土天然状态下相对密度Dr的数据，据此数据可以判定无粘性粗粒土天然状态下的密实程度(见表6)，确定无粘性粗粒土天然状态下的极限承载力标准值(见表7)，确定无粘性粗粒土天然状态下变形模量(见表8)。对相对密度数据介于某两个之间的，可采用类插法确定相应的承载力和变形模量。

此前测试无粘性粗粒土的相对密度，主要是用于碾压式土石坝填筑干密度的设计和施工填筑标准的控制。而对上述几方面的应用，就其现有的技术规范和标准，并没有相应的规定。通过本文的应用研究，填补了现有技术规范和标准的空白，具有显著的社会效益和经济效益，满足了工程勘察的需要。本文研究的相对密度应用的结论可以引用到碾压式土石坝无粘性粗粒土施工填筑的质量检测中，也可引用于河床深厚砂卵砾石层原位动力触探试验结果的相互验证，为综合评价砂卵砾石层的工程地质条件提供支撑。

〔1〕《土的工程分类标准》[S].(GB/T50145-2007).

〔2〕《工程地质手册》(第四版)，中国建筑工业出版社.

TV41∶TV443

A

2095-1809(2017)04-0001-03

徐晓春(1959-)，男，水工建筑专业，学士，岩土试验高级工程师，勘察分院岩土试验所原所长。■