級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑比較分析

齊俊修，趙曉菊，劉　艷，張中炎，張廣禹

(1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100024；

2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 天津 300204； 3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 河南 鄭州 450008)

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級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑比較分析

齊俊修1，趙曉菊1，劉艷1，張中炎2，張廣禹3

(1.中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100024；

2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 天津 300204； 3.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司， 河南 鄭州 450008)

摘要：粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑是級(jí)配不連續(xù)碎礫石細(xì)粒含量判別法判定滲透變形類型重要指標(biāo)，目前通常使用的有定值法的2 mm和顆粒級(jí)配曲線中平緩段最小粒徑(平均粒徑)，為進(jìn)一步驗(yàn)證這2個(gè)典型方法和量值的符合性、適宜性，統(tǒng)計(jì)了26個(gè)工程121個(gè)試樣的滲透變形試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明：2種方法和量值的滲透變形類型判斷結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合率較高，分別為85.5%和84.6%，均可作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑，但若和級(jí)配連續(xù)碎礫石滲透變形類型判斷綜合考慮，推薦2mm作為級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑。

關(guān)鍵詞：級(jí)配不連續(xù)；碎礫石；粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑；最小粒徑；比較分析

土的滲透變形評(píng)價(jià)包括土的滲透變形類型的判別，流土和管涌的臨界比降的確定，土的允許水力比降的確定[1-3]，其中土的滲透變形類型的判別是基礎(chǔ)。

土的滲透變形類型的判別與確定，除試驗(yàn)判定法之外，還有理論與經(jīng)驗(yàn)判別法，如不均勻系數(shù)判別法，基于反濾層設(shè)計(jì)理論判別法，細(xì)粒含量判別法、顆粒級(jí)配曲線判別法等[4-5]，其中細(xì)粒含量判別法應(yīng)用較為廣泛。

為了驗(yàn)證我們的設(shè)想，本文收集了26個(gè)工程121個(gè)試樣的完整的級(jí)配不連續(xù)無(wú)黏性粗粒土碎礫石的滲透變形試驗(yàn)資料，將以2 mm和以平緩段粒徑級(jí)的最小粒徑為區(qū)分粒徑所判定的不連續(xù)級(jí)配碎礫石的滲透變形類型與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明，用2 mm作為級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí)，與試驗(yàn)結(jié)果相比，其符合率為85.5%，用平緩段粒徑級(jí)的最小粒徑為區(qū)分粒徑時(shí)，其符合率為84.6%，兩者符合率極為接近，僅相差0.9%。顯然，用2 mm作為級(jí)配不連續(xù)碎礫石的粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑是可行的，適宜的。

1級(jí)配不連續(xù)無(wú)黏性粗粒土粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑的基本規(guī)定

為使以2 mm和以平緩段粒徑級(jí)最小粒徑作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí)所確定的滲透變形類型具可比性、一致性，特作以下基本規(guī)定：

(1) 所有參與比較分析的土類均為碎礫石，且級(jí)配不連續(xù)，所謂級(jí)配不連續(xù)即指級(jí)配曲線中至少有一個(gè)以上的粒徑級(jí)的顆粒含量小于或等于3%的平緩段。

(2) 細(xì)粒含量判別法滲透變形類型確定準(zhǔn)則為：細(xì)粒含量Pc<25%時(shí)為管涌，25%≤Pc<35%時(shí)為過(guò)渡，Pc≥35%時(shí)為流土。不論區(qū)分粒徑為2 mm還是區(qū)分粒徑為平緩段粒徑級(jí)的最小粒徑均按上述原則進(jìn)行判斷。

(3) 將綜合判定試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的試樣從總統(tǒng)計(jì)試樣中扣除，并以扣除后的總試樣數(shù)為基數(shù)進(jìn)行符合率計(jì)算。

按上述方法對(duì)滲透變形類型判定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致時(shí)為符合，不一致時(shí)為不符合。由此，計(jì)算符合率指標(biāo)并加以比較。

需要說(shuō)明的是，參與統(tǒng)計(jì)分析試樣風(fēng)化程度均為微、弱風(fēng)化。

2級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑按平緩段特征粒徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑按平緩段特征值取值，實(shí)際執(zhí)行時(shí)，還比較復(fù)雜，我們認(rèn)為應(yīng)對(duì)文獻(xiàn)規(guī)定進(jìn)行細(xì)化，具體細(xì)化意見(jiàn)如下：

(1) 當(dāng)級(jí)配曲線中僅有一個(gè)粒徑級(jí)顆粒含量小于或等于3%的平緩段時(shí)，粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑以最小粒徑為區(qū)分粒徑。

(2) 當(dāng)級(jí)配曲線中有2個(gè)連續(xù)粒徑級(jí)顆粒含量小于或等于3%的平緩段時(shí)，粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑以上下粒徑級(jí)連續(xù)粒徑為區(qū)分粒徑，有3個(gè)連續(xù)粒徑級(jí)顆粒含量小于或等于3%的平緩段時(shí)，粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑按顆粒從粗到細(xì)的第2個(gè)和第3個(gè)粒徑級(jí)連續(xù)粒徑為區(qū)分粒徑；有4個(gè)連續(xù)粒徑級(jí)顆粒含量小于或等于3%的平緩段時(shí)，粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑按顆粒從粗到細(xì)的第2個(gè)和第3個(gè)粒徑級(jí)連續(xù)粒徑為區(qū)分粒徑。

(3) 當(dāng)級(jí)配曲線中有2個(gè)或2個(gè)以上粒徑級(jí)顆粒含量小于或等于3%的平緩段且不連續(xù)時(shí)，以最靠近5 mm～2 mm粒徑級(jí)的平緩段最小粒徑為區(qū)分粒徑。

按以上3條原則統(tǒng)計(jì)的121個(gè)試樣的粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑分布情況見(jiàn)表1。

表1　統(tǒng)計(jì)試樣粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑分布情況

表1結(jié)果表明：(1) 區(qū)分粒徑為2 mm時(shí)，出現(xiàn)概率最高，但尚不足50%(本次統(tǒng)計(jì)為47.9%)，(2) 區(qū)分粒徑為0.25 mm時(shí)，出現(xiàn)的概率也較高，達(dá)31.4%；(3) 區(qū)分粒徑最大值為10 mm，其出現(xiàn)概率為1.7%，其值按文獻(xiàn)[10-11]粒組劃分，已屬中礫之中值；(4) 本次統(tǒng)計(jì)區(qū)分粒徑值的分布范圍為0.25 mm～10 mm，分布范圍仍顯較大。

3級(jí)配不連續(xù)無(wú)黏性碎礫石的顆粒級(jí)配及滲透變形類型判定結(jié)果

3.1級(jí)配不連續(xù)碎礫石顆粒級(jí)配及曲線形態(tài)特征

研究表明，無(wú)黏性粗粒土的顆粒級(jí)配及顆粒級(jí)配曲線形態(tài)是其滲透變形類型的決定因素。本次級(jí)配不連續(xù)碎礫石顆粒級(jí)配曲線按滲透變形類型管涌、過(guò)渡和流土三類分別統(tǒng)計(jì)，并繪制其顆粒級(jí)配上下包線及平均線，見(jiàn)圖1～圖3。

圖1　管涌破壞試樣顆粒級(jí)配包絡(luò)線

圖2過(guò)渡破壞試樣顆粒級(jí)配包絡(luò)線

圖1～圖3表明，管涌類土的顆粒級(jí)配下包線和平均線小于2 mm顆粒含量均小于25%，但上包線大于25%；過(guò)渡類土的顆粒級(jí)配平均線及上包線小于2 mm含量在25%～35%之間，但其下包線小于25%；流土類土的顆粒級(jí)配上包線小于2 mm顆粒含量大于35%，但其下包線和平均線小于2 mm顆粒含量則小于35%。

圖3流土破壞試樣顆粒級(jí)配包絡(luò)線

3.2級(jí)配不連續(xù)碎礫石滲透變形類型比較結(jié)果

為比較以2 mm為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑和以平緩段最小粒徑為區(qū)分粒徑時(shí)判定的滲透變形類型與實(shí)際滲透變形試驗(yàn)結(jié)果的一致性或符合率，我們編制了級(jí)配不連續(xù)碎礫石滲透變形試驗(yàn)結(jié)果及以2 mm和以平緩段最小粒徑為區(qū)分粒徑時(shí)的細(xì)粒含量判別法滲透變形類型判別結(jié)果對(duì)照表。限于篇幅，我們僅將121個(gè)試樣試驗(yàn)結(jié)果中的少部分列于表2，從表2可以明顯地看出2種區(qū)分粒徑的細(xì)粒含量判別法結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的一致性或符合率。

將所有121個(gè)試樣的滲透變形試驗(yàn)結(jié)果按表1要求列表，然后統(tǒng)計(jì)出2種不同區(qū)分粒徑時(shí)判定的滲透變形類型與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的符合率，結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3可以看出，以2 mm為區(qū)分粒徑和級(jí)配曲線最小粒徑為區(qū)分粒徑時(shí)判定的滲透變形類型與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果一致性比較接近，前者為85.5%，后者為84.6%，前者僅比后者多出0.9%。

4細(xì)粒含量判別法判定之滲透變形類型與試驗(yàn)結(jié)果不一致性原因分析

通過(guò)對(duì)2種不同粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí)判定的滲透變形類型與試驗(yàn)結(jié)果比較分析，我們發(fā)現(xiàn)有2種情況應(yīng)理解為與試驗(yàn)結(jié)果不一致的主要原因，這2種情況分別為：一種為符合反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則且符合當(dāng)細(xì)粒含量Pc<25%時(shí)，且D15/d85<5時(shí)，當(dāng)細(xì)粒含量Pc>35%時(shí)，D15/d85>5時(shí)；另一種為綜合判定試驗(yàn)結(jié)果為錯(cuò)誤結(jié)果時(shí)。

表2　區(qū)分粒徑為2 mm和以平緩段最小粒徑的細(xì)粒含量判別法與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

注：限于篇幅，未將原對(duì)照表中所有試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)在內(nèi)；①代表試驗(yàn)結(jié)果；②代表小于2 mm細(xì)粒含量法判定；③代表平緩段區(qū)分粒徑判定。

表3　不同區(qū)分粒徑方法判定結(jié)果與試驗(yàn)

注：計(jì)算符合率指標(biāo)時(shí)，將綜合判斷試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確試樣從統(tǒng)計(jì)試樣中扣除，并此為計(jì)算基數(shù)。本次統(tǒng)計(jì)樣品中有4個(gè)屬綜合判斷不準(zhǔn)確樣。故最終參與統(tǒng)計(jì)的試樣為117個(gè)。

分述如下：

(1) 當(dāng)級(jí)配不連續(xù)碎礫石細(xì)粒含量Pc<25%，且D15/d85<5時(shí)其滲透變形類型不遵循細(xì)粒含量判別法判別準(zhǔn)則，即其滲透變形類型不是管涌而是非管涌，即遵循了反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則；同樣細(xì)粒含量Pc>35%時(shí)，D15/d85>5時(shí)則其滲透變形類型也不遵循細(xì)粒含量判別法判別準(zhǔn)則，即其滲透變形類型不是流土而是管涌，即遵循了反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

總之，凡是級(jí)配不連續(xù)碎礫石顆粒級(jí)配符合上述反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí)，則其滲透變形類型不符合細(xì)粒含量判別法判別準(zhǔn)則，因而影響了與試驗(yàn)結(jié)果的符合率。本文統(tǒng)計(jì)的121個(gè)試樣中，有15個(gè)試樣符合上述反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，占總統(tǒng)計(jì)試樣的12.4%，具體比較結(jié)果見(jiàn)表4。上述之不符合是細(xì)粒含量判別法本身缺陷造成的。

(2) 少量滲透變形試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，因而導(dǎo)致細(xì)粒含量判別法判定的滲透變形類型與試驗(yàn)結(jié)果不符，這種不符合不是細(xì)粒含量判別法本身原因造成的，因此，我們認(rèn)為，此類試樣數(shù)不應(yīng)參與符合率統(tǒng)計(jì)。本次統(tǒng)計(jì)樣品中試驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤的有4個(gè)，占總試驗(yàn)樣品3.3%。綜合判定少量試驗(yàn)結(jié)果錯(cuò)誤的試樣見(jiàn)表5。

綜合判斷試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)是，在表5中3個(gè)判斷土的滲透變形類型方法中，有2個(gè)或3個(gè)判斷結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不一致時(shí)，即認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。

5級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑分別為2 mm和平緩段最小粒徑時(shí)優(yōu)缺點(diǎn)比較

以2 mm作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑，進(jìn)行細(xì)粒含量判別法判定土的滲透變形類型時(shí)，通常具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1) 與試驗(yàn)結(jié)果比較符合率較高；(2) 區(qū)分粒徑為定值，易確定；(3) 物理意義明確，是工程地質(zhì)和土工試驗(yàn)規(guī)程中土分類指標(biāo)砂與礫的分界粒徑[14-15]。

以級(jí)配不連續(xù)碎礫石顆粒級(jí)配曲線中平緩段最小粒徑為粗顆粒區(qū)分粒徑進(jìn)行細(xì)粒含量判別法判定土的滲透變形類型時(shí)，通常具體一下優(yōu)點(diǎn)：(1) 與試驗(yàn)結(jié)果相比較，符合率較高；(2) 區(qū)分粒徑易確定，只需按定義確定即可；(3) 具有統(tǒng)計(jì)學(xué)依據(jù)，已積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)。但也存在一下問(wèn)題：有些試樣的粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑太大，如安寧第2層ZKK07樣，其區(qū)分粒徑為10 mm，明顯偏粗；有些試樣的粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑較細(xì)，如有多達(dá)30.5%的試樣。其區(qū)分粒徑僅為0.25 mm，明顯偏細(xì)。

表4　符合反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則當(dāng)Pc<25%時(shí)D15/d85<5、Pc>35%時(shí)D15/d85>5試驗(yàn)成果匯總

注：①～③與表2相同；④代表反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則判定。

表5　綜合判斷試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確試樣匯總

注：①～④代表含義與表4相同。

6結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)26個(gè)工程121個(gè)試樣滲透變形試驗(yàn)結(jié)果與以2 mm和級(jí)配不連續(xù)碎礫石顆粒級(jí)配曲線平緩段以最小顆粒為區(qū)分粒徑時(shí)進(jìn)行細(xì)粒含量判別法判定滲透變形類型比較分析，得出以下主要認(rèn)識(shí)：

(1) 以2 mm和以顆粒級(jí)配曲線平緩段最小粒徑為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí)進(jìn)行滲透變形類型判別時(shí)，其與試驗(yàn)結(jié)果的符合率均較高，分別達(dá)85.5%和84.6%。

(2) 區(qū)分粒徑值均較容易確定，相比之下，定值法之2 mm更易確定。

(3) 以2 mm作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑，物理意義明確，為工程地質(zhì)和土工試驗(yàn)規(guī)程中土的分類指標(biāo)中砂和礫的分界粒徑。

(4) 以顆粒級(jí)配曲線平緩段最小粒徑為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑，已積累了大量資料，有充分依據(jù)。

(5) 綜上所述，作者認(rèn)為2 mm和級(jí)配曲線平緩段最小粒徑均可作為級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑。但若和級(jí)配連續(xù)碎礫石滲透變形類型判斷綜合考慮，作者推薦2 mm作為級(jí)配不連續(xù)碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]彭土標(biāo)，袁建新，王惠明，等.水力發(fā)電工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2011.

[2]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范:GB50287-2006[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2006：111-114.

[3]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范：GB50487-2008[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2008：110-113.

[4]劉玉忠，苗天德.無(wú)粘性管涌型土的判定[J].巖土力學(xué)，2004,25(7)：1072-1076.

[5]姜春露，姜振泉，孫強(qiáng)，等.基于Fisher判別分析法的無(wú)粘性土滲透破壞類型判別[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，20(5)：820-827.

[6]屈智炯.對(duì)粗粒土滲透變形研究的進(jìn)展[J].水電站設(shè)計(jì)，2008，24(1)：48-55.

[7]武漢水利電力學(xué)院.土力學(xué)及巖石力學(xué)[M].北京：水利出版社，1982：34-38.

[8]齊俊修，趙曉菊，劉艷，等.不均勻系數(shù)Cu≤5的無(wú)黏性土的滲透變形類型統(tǒng)計(jì)分析研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2014，33(12)：2554-2562.

[9]沙金煊.多孔介質(zhì)中的管涌研究[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，1981(3)：89-93.

[10]何永紅，王建明，李粉靈.粗粒土滲透變形機(jī)制淺析[J].西北水電，2002(2):44-46.

[11]屈智炯，吳劍明.壓實(shí)石渣料滲透變形的試驗(yàn)研究[J].成都科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1984(2)：67-76.

[12]劉杰.土的滲透破壞及控制研究[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2014：55-64，102-111.

[13]電力行業(yè)水電規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范:DL/T5395-2007[S].北京：中國(guó)電力出版社，2007：76-79.

[14]中華人民共和國(guó)水利部.土工試驗(yàn)規(guī)程:SL237-1999[S].北京：中國(guó)水利水電出版社，1999：1-11.

[15]電力企業(yè)聯(lián)合會(huì).水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程:DL/T5356-2006[S].北京：中國(guó)電力出版社，2006：4-9.

Comparative Analysis on the Determination of Coarse and Fine Particle in Discontinuously Graded Crushed Gravels

QI Junxiu1， ZHAO Xiaoju1， LIU Yan1， ZHANG Zhongyan2， ZHANG Guangyu3

(1.PowerChinaBeijingEngineeringCo.,Ltd.，Beijing100024，China；2.ChinaWaterResourcesBeifangInvestigation，DesignandResearchCo.，Ltd.，Tianjin300204，China；3.YellowRiverEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Zhengzhou，He'nan450008，China)

Abstract：The determination of coarse and fine particles are the important indexes of determining the permeability deformation types of discontinuously graded crushed gravels. The commonly adopted methods recently are the constant 2 mm value method and the minimum particle size (average particle size method) in the flat section of gradation curve. In order to further verify the consistency and adaptability of the two methods and the values, comparative analysis has been conducted on the permeability deformation test results of 121 samples which were taken from 26 projects. It shows that the consistency ratio of the judged result and test result is high, which is 85.5% and 84.6% respectively. According to comprehensive consideration on the judgment of permeability deformation type of continuously graded crushed gravel, the particle size of 2 mm is recommended as the distinguished size of coarse and fine particle of discontinuously graded crushed gravels.

Keywords:discontinuous gradation; crushed gravel; distinguished size of coarse and fine particles; minimum particle size; comparative analysis

文章編號(hào)：1672—1144(2016)01—0227—05

中圖分類號(hào)：TU521.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：齊俊修(1946—)，男，河南睢縣人，教授級(jí)高工，主要從事巖土工程科研試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、治理等方面的研究工作。

收稿日期：2015-08-21修稿日期：2015-10-01

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.043

E-mail：179326776@qq.com