表面振動(dòng)壓實(shí)儀法測(cè)定粗粒土密度的影響因素

朱俊高，軒向陽(yáng)，薄以霆

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098;3.蘇州市水利工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，江蘇 蘇州 215000)

堆石料等粗粒土具有抗剪強(qiáng)度高、壓縮性低、透水性強(qiáng)等優(yōu)良工程特性［1－2］，被廣泛應(yīng)用于土石壩、高層建筑地基換填以及海岸護(hù)岸等工程中.近年來(lái)，我國(guó)高土石壩發(fā)展迅速［3－4］，對(duì)堆石料力學(xué)性質(zhì)的深入了解提出了更高要求，干密度作為壩體填筑密度控制的一個(gè)重要參數(shù)，其研究愈發(fā)受到重視.對(duì)高土石壩，其填筑要求的密度較高，盡管最終采用的填筑密度一般依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)確定，但在前期設(shè)計(jì)研究中，必須進(jìn)行粗粒土物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗(yàn)研究，室內(nèi)測(cè)定其最大干密度也是必須研究的內(nèi)容之一.按照相關(guān)規(guī)范，室內(nèi)可采用表面振動(dòng)壓實(shí)法或振動(dòng)臺(tái)法測(cè)定粗粒土最大干密度.

目前，有關(guān)粗粒土干密度的研究多是針對(duì)干密度的確定方法［5－11］，如朱俊高等［12］研究了雙江口粗粒土最大干密度，指出粗粒土最大干密度與λ之間具有二次曲線關(guān)系.近年來(lái)，我國(guó)的各類粗粒土試驗(yàn)規(guī)范開始把表面振動(dòng)壓實(shí)法列入，但對(duì)其相關(guān)問題的考慮并不成熟，如在表面振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)中激振時(shí)間和壓重對(duì)于粗粒土干密度影響如何、到底取值多大合適，還缺少更多相關(guān)研究.文獻(xiàn)［13］規(guī)定激振時(shí)間為6 min，而文獻(xiàn)［14］則規(guī)定激振時(shí)間為8 min，是否都合適?因此，很有必要對(duì)激振時(shí)間和壓重對(duì)粗粒土的干密度的影響規(guī)律進(jìn)行研究.

本文對(duì)2種土料進(jìn)行了兩類干密度影響因素的試驗(yàn)，研究表面振動(dòng)壓實(shí)法測(cè)定粗粒土最大干密度的影響因素，即:①壓重相同、激振時(shí)間不同情況下，粗粒土干密度與激振時(shí)間的關(guān)系;②激振時(shí)間相同情況下，通過(guò)改變壓重大小來(lái)分析粗粒土干密度與壓重之間的關(guān)系.

1 試驗(yàn)設(shè)備與方案

本文干密度試驗(yàn)均采用表面振動(dòng)壓實(shí)儀法.所用主要儀器為振動(dòng)器，電源電壓為380 V，其振動(dòng)夯功率為1 kW，振動(dòng)頻率50 Hz，激振力5 kN.試樣高度為30 cm.

表面振動(dòng)壓實(shí)儀法測(cè)粗粒土干密度時(shí)，激振時(shí)間和壓重是2個(gè)重要的控制指標(biāo).激振時(shí)間過(guò)短，測(cè)得粗粒土干密度較小;時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則粗粒土可能早已達(dá)到了最密實(shí)狀態(tài).文獻(xiàn)［13］中規(guī)定表面振動(dòng)壓實(shí)儀法測(cè)粗粒土干密度時(shí)的激振時(shí)間應(yīng)為6 min.

本文對(duì)2種不同粗粒土進(jìn)行相同壓重下不同激振時(shí)間的干密度試驗(yàn)，來(lái)研究激振時(shí)間對(duì)干密度的影響.2種粗粒土中，一種取自長(zhǎng)河壩心墻堆石壩覆蓋層的砂卵礫石料(簡(jiǎn)稱長(zhǎng)河壩料)，另一種取自江蘇六合某地的砂卵石料(簡(jiǎn)稱六合料).其中，長(zhǎng)河壩料巖性較硬，六合料較軟，易破碎.2種料的級(jí)配曲線如圖1所示.

為了研究激振時(shí)間對(duì)粗粒土干密度的影響規(guī)律，本文對(duì)長(zhǎng)河壩料進(jìn)行了激振時(shí)間分別為6，4，2和1 min的試驗(yàn)，對(duì)六合料進(jìn)行了激振時(shí)間分別為8，6，4，2和1 min，以及20和5 s共7組試驗(yàn).由于試驗(yàn)條件的限制，試樣表面的壓重沒有達(dá)到規(guī)范規(guī)定的13.8 kPa，而只有8.609 kPa;但本文主要是針對(duì)影響規(guī)律的研究，因而結(jié)果仍有一定的參考價(jià)值.

為研究表面壓重對(duì)粗粒土干密度的影響規(guī)律，本文同時(shí)測(cè)定了3組長(zhǎng)河壩料相同激振時(shí)間，壓重分別為6.387，8.609和10.831 kPa下的干密度，研究壓重對(duì)干密度的影響.

圖1 粗粒土級(jí)配曲線Fig.1 Size grading curve of coarse-grained soil

2 干密度影響因素分析

2.1 激振時(shí)間影響

首先對(duì)長(zhǎng)河壩料進(jìn)行不同激振時(shí)間的壓實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定相應(yīng)干密度.以激振時(shí)間為6 min試驗(yàn)所測(cè)定的干密度為標(biāo)準(zhǔn)最大干密度，進(jìn)而計(jì)算其他激振時(shí)間內(nèi)試樣的相對(duì)密度.試驗(yàn)得出，激振時(shí)間分別為6，4，2和1 min時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的干密度分別為 2.431，2.430，2.418 和 2.409 g/cm3，相對(duì)密度為 1，0.998，0.970 和0.949.同時(shí)，采用松填法測(cè)定其最小干密度，測(cè)得長(zhǎng)河壩料最小干密度為2.062 g/cm3.

長(zhǎng)河壩料在不同激振時(shí)間內(nèi)干密度變化規(guī)律見圖2(a).可見，隨著激振時(shí)間的增加，粗粒土的干密度逐漸增大.當(dāng)激振時(shí)間從1 min增加到2 min時(shí)，干密度增加了0.009 g/cm3，若假設(shè)干密度隨時(shí)間均勻增加，則干密度增加速率為0.15 mg/(cm3·s);激振時(shí)間增至4 min時(shí)，干密度又增加了0.012 g/cm3，增加速率為0.1 mg/(cm3·s);當(dāng)激振時(shí)間達(dá)到6 min時(shí)，干密度達(dá)到最大，相對(duì)于4 min時(shí)的干密度增加了0.001 g/cm3，干密度增加速率為0.08 mg/(cm3·s).激振時(shí)間4 min時(shí)的干密度已經(jīng)較大，隨著激振時(shí)間增加，干密度增長(zhǎng)已經(jīng)很小，說(shuō)明試樣已經(jīng)達(dá)到很密實(shí)狀態(tài)，由此可見，文獻(xiàn)［13］將激振時(shí)間規(guī)定為6 min有一定合理性.

為進(jìn)一步研究不同粗粒土在不同激振時(shí)間內(nèi)干密度的變化規(guī)律，本文同時(shí)對(duì)六合料進(jìn)行了不同激振時(shí)間的壓實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定對(duì)應(yīng)干密度(圖2(b)).同時(shí)采用松填法測(cè)定其最小干密度，測(cè)得的六合料最小干密度為1.823 g/cm3.以激振時(shí)間8 min試驗(yàn)所測(cè)定的干密度為標(biāo)準(zhǔn)最大干密度，進(jìn)而計(jì)算其他激振時(shí)間內(nèi)試樣的相對(duì)密度，試驗(yàn)結(jié)果見表1.

圖2 長(zhǎng)河壩料和六合料的干密度與激振時(shí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between vibrating time and dry density of Changhe dam soil and Luhe soil

表1 六合料不同激振時(shí)間的擊實(shí)試驗(yàn)Tab.1 Compaction tests under different vibrating time for Luhe soil

六合料試驗(yàn)所得干密度隨時(shí)間變化規(guī)律與長(zhǎng)河壩料試驗(yàn)結(jié)果相似.從圖2(b)可見，在1 min以內(nèi)時(shí)，六合料粗粒土的干密度迅速增加，5～20 s增長(zhǎng)最快，平均增量速率為4.1 mg/(cm3·s)，激振時(shí)間1 min后，密度增加速率減慢，4～6 min增量更小.總體上，激振時(shí)間1～6 min時(shí)，粗粒土干密度增加較慢，其干密度平均增長(zhǎng)速率為0.4 mg/(cm3·s);激振時(shí)間從6至8 min時(shí)，干密度僅增加0.002 g/cm3.表明在激振時(shí)間大于6 min后干密度基本穩(wěn)定，不再或很難增大.進(jìn)一步說(shuō)明文獻(xiàn)［13］和［14］規(guī)定的激振時(shí)間有一定的合理性.

為進(jìn)一步研究同種粗粒土在不同激振時(shí)間內(nèi)干密度的變化規(guī)律，本文又對(duì)最大粒徑為60 mm的六合料(級(jí)配同圖1的長(zhǎng)河壩料)進(jìn)行了不同激振時(shí)間的壓實(shí)試驗(yàn)，測(cè)定對(duì)應(yīng)干密度.同時(shí)采用松填法測(cè)定其最小干密度，測(cè)得此種六合料最小干密度為1.902 g/cm3.以激振時(shí)間6 min試驗(yàn)所測(cè)定的干密度為標(biāo)準(zhǔn)最大干密度，進(jìn)而計(jì)算其他激振時(shí)間下試樣的相對(duì)密度.表2為此種六合料在不同激振時(shí)間內(nèi)的干密度試驗(yàn)結(jié)果，激振時(shí)間與干密度的關(guān)系曲線如圖3所示.從表2和圖3不難發(fā)現(xiàn)，最大粒徑為60 mm六合料和前面所述的(最大粒徑為20 mm)六合料干密度和激振時(shí)間的關(guān)系基本一致，即干密度隨著激振時(shí)間的增加而增加，在激振時(shí)間小于1 min時(shí)，密度隨激振時(shí)間增加的速率較大，此后增幅逐漸減小，在6 min時(shí)趨于穩(wěn)定.4 ～6 min 內(nèi)，干密度平均增加速率為0.125 mg/(cm3·s)，與最大粒徑為20 mm的六合料相近，說(shuō)明級(jí)配對(duì)干密度隨激振時(shí)間的變化規(guī)律的影響較小.

圖3 最大粒徑60 mm六合料干密度與激振時(shí)間關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between vibrating time and dry density of Luhe soil(dmax=60 mm)

表2 最大粒徑60 mm的六合料不同激振時(shí)間的擊實(shí)試驗(yàn)Tab.2 Compaction tests under different vibrating time for Luhe soil(dmax=60 mm)

2.2 壓重影響

表面振動(dòng)壓實(shí)法試驗(yàn)中，另一個(gè)影響試驗(yàn)結(jié)果的重要因素是土樣表面的壓重.文獻(xiàn)［13］規(guī)定為13.8 kPa，文獻(xiàn)［14］則規(guī)定為14 kPa.為研究表面壓重對(duì)干密度影響規(guī)律，作者對(duì)3種表面壓重下長(zhǎng)河壩料進(jìn)行了干密度試驗(yàn)研究.試驗(yàn)激振時(shí)間均為6 min，試驗(yàn)結(jié)果為:壓重6.387，8.609和10.831 kPa下對(duì)應(yīng)的干密度分別為 2.259，2.431 和2.448 g/cm3，相對(duì)密度為0.560，0.963 和1.000.干密度與壓重關(guān)系曲線如圖4所示.由于試驗(yàn)條件所限，本文只進(jìn)行了以上3種壓重試驗(yàn).雖然測(cè)得數(shù)據(jù)較少，但總體能反映壓重對(duì)于粗粒土最大干密度的影響.

現(xiàn)有研究表明，隨壓重增大干密度逐漸增大，且壓重大于一定值后干密度逐漸趨于穩(wěn)定，圖4所體現(xiàn)的規(guī)律也正是這樣.圖4表明，壓重為8.609 kPa的干密度比6.387 kPa 的增加了 0.188 g/cm3，當(dāng)壓重變?yōu)?10.831 kPa時(shí)，最大干密度又增加0.017 g/cm3.假設(shè)粗粒土干密度是呈線性變化，則從壓重 6.387 kPa到 8.609 kPa，壓重每增大1 kPa干密度增加 0.084 6 g/cm3;而壓重 8.609 kPa 到10.831 kPa，增加1 kPa 壓重，最大干密度增大 0.007 65 g/cm3.顯然增加的幅度越來(lái)越小而不是簡(jiǎn)單的線性增加.

盡管本文試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)少，壓重較大的試驗(yàn)點(diǎn)缺乏，但是試驗(yàn)所得結(jié)果基本反映最大干密度隨壓重增加而增大的規(guī)律.可以推測(cè)，當(dāng)壓重為11～14 kPa，壓重增加所引起的密度增加速率更小，因此文獻(xiàn)［13］及［14］規(guī)定的試樣表面壓重為13.8和14 kPa是合理的.

為進(jìn)一步研究壓重對(duì)相對(duì)密度的影響，根據(jù)松填法測(cè)定的長(zhǎng)河壩料最小干密度為2.062 g/cm3，近似以10.831 kPa壓重下的密度為標(biāo)準(zhǔn)最大干密度，則可得壓重為6.387和8.609 kPa時(shí)的相對(duì)密度分別為0.556和0.963.試驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)密度隨壓重的增加而增大，但增大幅度隨壓重增大而減小.

圖4 長(zhǎng)河壩料壓重與干密度之間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between surface pressure and dry density of Changhe dam soil

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了表面振動(dòng)壓實(shí)儀法測(cè)定粗粒土干密度試驗(yàn)中，激振時(shí)間、表面壓重等對(duì)所測(cè)得干密度的影響.進(jìn)行了最大粒徑為60 mm的長(zhǎng)河壩料、最大粒徑為20 mm六合料的分析比較，并進(jìn)行了最大粒徑為60 mm六合料的對(duì)比試驗(yàn)，得出干密度隨激振時(shí)間和壓重變化規(guī)律，得到如下結(jié)論:

(1)隨著激振時(shí)間的增加，粗粒土的干密度逐漸增大.激振時(shí)間5～20 s內(nèi)，干密度增大速率最快;隨后20～60 s繼續(xù)較快增加;1～6 min增幅顯著減小，干密度增大較緩慢;6～8 min內(nèi)干密度增加很小.

(2)不同壓重試驗(yàn)結(jié)果表明，壓重6.387，8.609和10.831 kPa所測(cè)得的干密度隨著壓重的增加而逐漸增大，且增幅逐漸減小，相對(duì)密度也隨壓重的增加而增大.

(3)目前規(guī)范規(guī)定的激振時(shí)間6或8 min，壓重13.8或14 kPa，均是可行的.但是，建議不同行業(yè)的規(guī)范對(duì)一些控制性指標(biāo)能夠統(tǒng)一，這樣更便于使用和交流.

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