浅析如何掺配出符合特征粒径要求填土的方法

汪海旭

（四川德成工程质量检测有限公司，四川 德阳 618000）

1 土料粒径级配指标的基本概念及其在工程中的应用

土木工程中，土是指地球表面的岩石在大气中经受长期的风化作用而破碎后，形成的由固体颗粒、水和气体三部分组成的三相物质。其中，固体颗粒构成土的骨架，它对土的物理力学性质起决定性作用。由于颗粒大小不同，土可以具有很不相同的性质。例如粗颗粒的砾石，具有很强的透水性，完全没有黏性和可塑性；而细颗粒的黏土则透水性很小，黏性和可塑性较大。颗粒的大小通常以粒径表示，在筛分试验中利用一套孔径大小不同的筛子，将事先称过重量的烘干土样过筛，分别称留在各筛上的土重，然后计算相应的百分数，通过的最小筛孔的孔径即为该土对应的颗粒粒径，粒径的大小及不同尺寸颗粒在土中所占的百分比称为土的粒径级配。

在岩土工程中，应根据工程的需要选择土的级配。级配良好的土经压实后，细颗粒填充于粗颗粒所形成的孔隙中，容易得到较高的干密度和较好的力学特性，适用于填方工程。而级配均匀的土孔隙较多较大，有较好的渗透性，可用于排水结构物和反滤层中。在高土石坝的心墙防渗料中，人们常在黏性土中加入一定数量的碎石，形成不连续级配的土料，在渗透系数增加不大的情况下，可节省黏土料，减少心墙的压缩性。

2 如何掺配出符合特征粒径要求土的方法研究

在岩土设计中，设计人员通常规定某种结构物需要的土料级配控制指标。例如某土石坝工程中，设计人员规定反滤料级配控制指标见表1。表中d15 、d50 、d85 分别表示小于该粒径的土颗粒的质量占土颗粒总质量的15%、50%、85%所对应的粒径，通过土的粒径级配曲线可以求得，dmax 表示允许最大料径。

表1 反滤料设计级配控制指标表

从上表可知，设计反滤料的粒径范围相差甚大，跨越几个数量级；而施工单位在选择料源时，无论是自行加工还是直接购买天然砂石料，都很难完全满足设计控制级配的要求；此时，需要将几种不同粒径范围的砂石料按重量比进行掺配。下面，我们举例说明用三种不同粒径范围的砂石料来掺配表1所需控制级配要求的反滤料的方法：

步骤一，我们将三种料按粗细程度分别定名为粗料、中粗料和细料，将它们分别进行筛分，求出每种料的小于某粒径之土质量百分数，然后将数据按表2的形式填入Excel 表格中。

表2 三种料的小于某粒径之土质量百分数统计表

从上表可知，粗料的粒径基本集中在20mm～40mm 之间，中粗料的粒径基本集中在5mm～20mm 之间，而细料的粒径基本集中在0.5mm～10mm 之间，单一料源均不满足表1的设计控制粒径；因此，需要进行掺配。

步骤二，我们在Excel 表格中来试配不同质量比例的粗料、中粗料和细料；假设我们按重量比1:1:1 来进行掺配，只需将三种料的小于该孔径的土质量百分数分别乘以1/3 后再相加，即得到按重量比1:1:1 掺配后的小于该孔径的土质量百分数，如表3所示。

表3 三种料1:1:1 掺配后的小于某粒径之土质量百分数统计表

图1 1:1:1 掺配后粒径级配曲线

由图1可知，按1:1:1 重量比掺配后土的特征粒径d15 =0.7mm、d50=8.3mm 、d85=29mm，不符合表1的设计要求，需要重新配比。

步骤三，按以上步骤二的重量比1:1:1 进行掺配后的特征粒径d15 及d50 均小于设计控制粒径，因此，需要提高粗料的比例，现在我们假设按重量比2:1:1 来进行掺配，用上述同样方法，将三种料的小于该孔径的土质量百分数分别乘以1/2、1/4、1/4 后再相加，即得到按重量比2:1:1 掺配后的小于该孔径的土质量百分数如表4所示。

表4中，在V6 中输入“=S6*1/2+T6*1/4+U6*1/4”按回车键，然后选择V6 框并向下拖动右下角的自动填充按钮，按重量比2:1:1 掺配后的小于该孔径的土质量百分数则自动填充于表格内了，同时得出按2:1:1 重量比掺配后土的粒径级配曲线如图2所示：

表4三种料2:1:1 掺配后的小于某粒径之土质量百分数统计表

图2 2:1:1 掺配后粒径级配曲线

由图2可知，按2:1:1 重量比掺配后土的特征粒径d15 =1.9mm、d50=19mm 、d85=32mm，符合表1的设计要求，重新配比成功。

依此类推，我们可以根据不同的掺配比例，然后确定掺配后土的小于某粒径之土质量百分数，从而方便快捷地绘制出粒径级配曲线，通过级配曲线就可以判断出掺配后土的特征粒径是否满足设计要求了。

综上所述，如何掺配出符合特征粒径要求的土，是施工单位经常需要面对的问题。通过本文的分析，施工单位不需要在施工现场通过不断的筛分试验来寻找掺配比例，而只需将不同料源的土料各筛分一次，然后按本文所述的方法，就可以方便快捷地找到适合设计级配要求土料的掺配比例，从而提高施工效率。