土石混填料應(yīng)力波試驗(yàn)方法與工程應(yīng)用研究

張宇輝， 徐　金

(中國(guó)民航大學(xué) 機(jī)場(chǎng)學(xué)院， 天津　300300)

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土石混填料應(yīng)力波試驗(yàn)方法與工程應(yīng)用研究

張宇輝， 徐金

(中國(guó)民航大學(xué) 機(jī)場(chǎng)學(xué)院， 天津300300)

[摘要]針對(duì)砂土混填料和粘土混填料兩種土石混填材料，分別開展室內(nèi)小尺寸標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)剪切波測(cè)試試驗(yàn)及大尺寸振動(dòng)擊實(shí)剪切波測(cè)試試驗(yàn)，采集不同含水率、不同含石量、不同干密度條件下混填料剪切波速相關(guān)數(shù)據(jù)。研究混填料剪切波速的變化規(guī)律，并通過(guò)二者試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行精確性研究。結(jié)果表明：在現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量嚴(yán)格控制下，室內(nèi)大尺寸土石混填試件剪切波速測(cè)試與實(shí)際相對(duì)誤差約為約為0.25%，測(cè)試結(jié)果較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)離散性較小。而小尺寸土石混填試件剪切波速測(cè)試與實(shí)際相對(duì)誤差約為1.4%，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土石混填地基剪切波速模擬試驗(yàn)建議采用大尺寸振動(dòng)壓實(shí)制備試件，但在缺乏大尺寸混填試件試驗(yàn)條件時(shí)，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)剪切波速測(cè)試結(jié)果可據(jù)此誤差進(jìn)行調(diào)整。

[關(guān)鍵詞]土石混填材料； 剪切波速； 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)； 室內(nèi)試驗(yàn)

1概述

土石混填材料作為一種天然路堤填筑材料，具有壓實(shí)性能好、填筑密度大、抗剪強(qiáng)度高、就地取材方便等特點(diǎn)，早在上世紀(jì)70年代，就已開始應(yīng)用與我國(guó)中西部高原及地勢(shì)起伏較大地區(qū)的地基填筑工程中。近年來(lái)，隨著內(nèi)陸地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及施工水平的提高，高原及地勢(shì)復(fù)雜地區(qū)的機(jī)場(chǎng)、鐵路、公路和超高層大荷載建筑設(shè)施日益增多。這些工程普遍具有場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、填方量巨大、氣候條件惡劣等特點(diǎn)，為保證填方地基的承載強(qiáng)度與穩(wěn)定性，其填方材料多采用當(dāng)?shù)厮槭c細(xì)粒土混合而成。土石混填地基的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及受力特性直接與上部結(jié)構(gòu)安全緊密關(guān)聯(lián)，已成為目前研究的熱點(diǎn)問題。

目前對(duì)土石混填料的研究方法多為理論分析結(jié)合試驗(yàn)研究，而試驗(yàn)的方法主要分為兩種：實(shí)體試驗(yàn)及仿真試驗(yàn)。其中實(shí)體試驗(yàn)又分為室內(nèi)試驗(yàn)[1]與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。Bagherzadeh-Khalkhali等[2]采用室內(nèi)直剪試驗(yàn)的方法研究級(jí)配對(duì)混填料內(nèi)摩擦角的影響。程展林等[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，得出粗粒土強(qiáng)度特性與粒間作用及顆粒分布排列密切相關(guān)。高玉峰[4]、孔德志等[5]采用大型三軸剪切儀對(duì)土石混填料進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究顆粒破碎與混填料壓實(shí)間相關(guān)關(guān)系。范喜安[6]、Mollon[7]通過(guò)數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)仿真的方法對(duì)土石混填料開展研究。除傳統(tǒng)的混填料參數(shù)試驗(yàn)外，近年來(lái)隨著振動(dòng)信號(hào)采集技術(shù)的發(fā)展，基于應(yīng)力波現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的便利性，許多學(xué)者對(duì)土石混填料開展應(yīng)力波[8-10]研究，以期通過(guò)應(yīng)力波計(jì)算評(píng)價(jià)混填料的力學(xué)性能。拾峰等[11，12]通過(guò)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行地基原位剪切波試驗(yàn)研究，建立剪切波速與地質(zhì)沉積的關(guān)系模型。劉江平等[13]對(duì)地基壓實(shí)度開展瞬態(tài)瑞雷面波試驗(yàn)研究，揭示了地基壓實(shí)度與剪切波速的相關(guān)關(guān)系。

由于土石混填料的顆粒分布特性，現(xiàn)有的土力學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器難以對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)的土石混填料進(jìn)行試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)室條件下，土石混填料的試驗(yàn)主要有兩種，一為采用現(xiàn)有的細(xì)粒土試驗(yàn)儀器進(jìn)行試驗(yàn)，但需要依據(jù)儀器尺寸，對(duì)土石混填料中的碎石顆粒進(jìn)行等比例縮??；另一種則依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土石混填料的具體粒徑分布狀況，設(shè)計(jì)專門儀器進(jìn)行土石混填料試驗(yàn)，此種儀器尺寸一般較大。對(duì)土石混填料的剪切波速測(cè)試研究在實(shí)驗(yàn)室條件下分為兩類：針對(duì)尺寸較小試件，可采用自觸發(fā)式橫波傳感器測(cè)試材料剪切波速；當(dāng)試件尺寸較大時(shí)，采用機(jī)械式外觸發(fā)激發(fā)橫波，從而達(dá)到測(cè)試材料剪切波速的目的。為研究這兩種試驗(yàn)方法的有效性，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)小尺寸自觸發(fā)式剪切波速試驗(yàn)及大尺寸外觸發(fā)剪切波速試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，全面評(píng)估這兩種試驗(yàn)方法的優(yōu)劣。

2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別設(shè)計(jì)小尺寸自觸發(fā)式剪切波速試驗(yàn)與大尺寸外觸發(fā)剪切波速試驗(yàn)。其中小尺寸自觸發(fā)式剪切波速試驗(yàn)采用150 mm標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試筒試驗(yàn)，對(duì)土石混填料進(jìn)行擊實(shí)處理。剪切波測(cè)試采用GJY-1工程測(cè)試儀，將橫波傳感器置于擊實(shí)試件的兩端，保證其和試件進(jìn)行充分接觸，特殊情況下可使用黃油或凡士林充當(dāng)耦合劑，進(jìn)行首至剪切波時(shí)間的讀取，在已知壓實(shí)試件長(zhǎng)度的條件下，可據(jù)此計(jì)算剪切波速。剪切波激發(fā)方式采用自觸發(fā)，具體試驗(yàn)裝置見圖1。

大尺寸外觸發(fā)剪切波速試驗(yàn)采用自制土石混填大型振動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行試樣制備[14]，見圖2，試桶規(guī)格500 mm×1 000 mm，激振頻率50 Hz，激振力5.4～9.6 kN，擊錘靜重380.7 kg，剪切波測(cè)試采用橫波傳感器接通GJY-1工程測(cè)試儀進(jìn)行采集。剪切波速測(cè)試時(shí)，將兩個(gè)傳感器探頭分別置于試件上下兩端，在試件上表面放置方形木塊，輕壓木塊以使木塊與試件上表面間具有一定的摩擦系數(shù)，通過(guò)側(cè)擊木塊產(chǎn)生剪切波，試樣上下兩端同時(shí)采集，并通過(guò)首至波計(jì)算方法處理相關(guān)數(shù)據(jù)，得出剪切波速。

圖1　小尺寸混填料擊實(shí)試驗(yàn)儀Figure 1　Small experimental instrument of mixture compaction

圖2　大尺寸混填料擊實(shí)試驗(yàn)儀Figure 2　Large experimental instrument of mixture compaction

測(cè)試土樣分別為：砂土，含砂量94.05%，其中粗砂10.26%，中砂44.71%，細(xì)沙38.63%，最佳含水率10.69%，最大干密度1.93 g/cm3；粘土，ωL=45.12%，IP=18.68，最佳含水率13.28%，最大干密度2.01 g/cm3。石料采用天津薊縣大青石，剪切波速1 873～2 058 m/s，中心值為1 969 m/s，碎石料顆粒最大粒徑在標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)中40 mm，在振動(dòng)擊實(shí)中80 mm。試樣方法采用9個(gè)含石量與6個(gè)含水率進(jìn)行正交制備不同條件土石混填料壓實(shí)試件，并對(duì)其進(jìn)行不同壓實(shí)度擊實(shí)，選取6個(gè)不同密實(shí)程度試件，分別進(jìn)行小尺寸和大尺寸混填料剪切波速測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)其剪切波速試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。其中含石量為35%～75%，并以5%遞增，而含水量配備為4%～22.5%之間。

3混填料剪切波速影響分析

混填料剪切波速受混填料含石量、含水率、干密度等多種因素的共同影響，任何一個(gè)因素的變化都將導(dǎo)致剪切波速的變化[15，16]。圖3中列出了砂土混填料不同含石量、不同含水率、不同干密度時(shí)剪切波速部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線。從中分析可看出，混填料剪切波速主要由碎石料剪切波速與細(xì)粒土剪切波速兩部分影響。當(dāng)混填料中含石量較少時(shí)，混填料表現(xiàn)為細(xì)粒土特性，其剪切波速變化規(guī)律類似細(xì)粒土剪切波速變化規(guī)律。當(dāng)混填料中含石量較大時(shí)，混填料中碎石料增多，隨混填料干密度的增大，混填料中細(xì)粒土干密度增大，混填料整體剪切波速增大，但因細(xì)粒土含量較少，所以增大幅度不明顯。整體來(lái)看，由于石料剪切波速的貢獻(xiàn)作用，混填料剪切波速隨含石量的增大而增大；由于混填料密實(shí)程度的不同及細(xì)粒土的壓縮，混填料剪切波速隨干密度的增大而增大；當(dāng)混填料干密度固定，則由于剪切波速不能在水中傳播的特性，混填料剪切波速隨含水率的增大而降低。

圖3　混填料及細(xì)粒土剪切波速曲線圖Figure 3　The shear wave velocity curves of soil and mixture

4試件尺寸對(duì)剪切波速試驗(yàn)結(jié)果影響分析

在對(duì)土石混填料剪切波速影響因素分析的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步對(duì)其變化規(guī)律進(jìn)行量化分析，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合處理。小桶標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)與大桶振動(dòng)擊實(shí)試驗(yàn)分別研究了6個(gè)含水率、9個(gè)含石量的正交試件在6個(gè)干密度下的剪切波速變化情況，每種試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)324組，共648組。依據(jù)固定含水率、固定含石量條件下，剪切波速隨干密度的變化曲線進(jìn)行非線性分析，采用不同擬合方式進(jìn)行擬合，并分析其相關(guān)系數(shù)，表1中列出了兩種混填材料在不同擬合方式下的相關(guān)系數(shù)平均值。

從表1可看出：土石混填料的剪切波速與干密度之間的相關(guān)性擬合采用指數(shù)趨勢(shì)描述時(shí)相關(guān)系數(shù)最大。表中多項(xiàng)式擬合采用的是二次多項(xiàng)式，其個(gè)別項(xiàng)相關(guān)指數(shù)大于指數(shù)形式，且當(dāng)采用三次或三次以上多項(xiàng)式擬合時(shí)，其相關(guān)系數(shù)會(huì)進(jìn)一步增大，擬合精確程度更高，甚至大于指數(shù)擬合。但是在某些情況下其曲線變化趨勢(shì)會(huì)與剪切波速的增長(zhǎng)規(guī)律相悖。一般而言，材料剪切剛度隨著混填料干密度的不斷增大而增加，則依據(jù)下式：

(1)

式中：G為混填料剪切模量，ρ為混填料密度。當(dāng)材料剪切剛度增大時(shí)，混填料的剪切波速隨之增大，而采用多次多項(xiàng)式曲線時(shí)，在某些含石量與含水率條件下，隨干密度的增大剪切波速出現(xiàn)降低，而這與實(shí)際情況不符，所以舍棄多項(xiàng)式擬合。在確定混填料剪切波速隨干密度的變化符合指數(shù)規(guī)律后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)曲線擬合分析，將砂土混填料與粘土混填料試驗(yàn)數(shù)據(jù)指數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)按含水率進(jìn)行平均，并按含石量不同匯入曲線圖，如圖4所示。

表1 剪切波速-干密度擬合相關(guān)系數(shù)平均值Table1 Theaverageoffittingcorrelationcoefficientbetweenshearwavevelocityanddrydensity混填料試驗(yàn)方式擬合曲線數(shù)擬合方式指數(shù)二次多項(xiàng)式冪函數(shù)對(duì)數(shù)線性砂混標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)540.9400.9090.9120.8970.893振動(dòng)擊實(shí)540.9630.9560.9430.9140.916粘混標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)540.9550.9580.8900.8180.908振動(dòng)擊實(shí)540.9700.9670.9100.8880.909平均值0.9570.9480.9140.8790.907

圖4　不同試驗(yàn)方法混填料剪切波速折線圖Figure 4　The line chart of shear wave velocity in 　mixture with different experiment method

從圖4中可看出：大尺寸振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)整體較高，說(shuō)明振動(dòng)壓實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，且離散性較小。分析其原因?yàn)椋?①雖然大尺寸振動(dòng)試驗(yàn)中碎石料最大粒徑大于擊實(shí)試驗(yàn)，但由于振動(dòng)擊實(shí)試筒的尺寸擴(kuò)大，混填料整體質(zhì)量相應(yīng)增多，對(duì)混填料試件而言，其內(nèi)部土石顆粒分布比小尺寸試筒內(nèi)更易均勻混合。這一特點(diǎn)在含石量較大時(shí)尤為明顯。且當(dāng)含石量較大時(shí)，即使試驗(yàn)碎石尺寸較小，但碎石顆粒多，混填料試件不易壓實(shí)，剪切波速測(cè)試精度不足。 ②標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)通過(guò)錘擊方法擊實(shí)混填料，而振動(dòng)壓實(shí)通過(guò)連續(xù)高密度的振動(dòng)錘擊方法達(dá)到壓實(shí)混填料的效果，根據(jù)微觀顆粒振動(dòng)更易填充性的理論，振動(dòng)方法更易將混填料進(jìn)行壓實(shí)，且壓實(shí)效果較均勻。

5工程實(shí)例

云南某土石混填工程段選取500 m距離進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)剪切波速測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)段土體為紅粘土，石料就近運(yùn)輸?，F(xiàn)場(chǎng)剪切波速測(cè)試采用打孔測(cè)試的方式進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)間距50 m，測(cè)試點(diǎn)數(shù)10?，F(xiàn)場(chǎng)開挖測(cè)得混填料含水率為23.6%，含石量為75%，取相關(guān)碎石料及細(xì)粒土在實(shí)驗(yàn)室配置含石量75%、含水率23.6%土石混填試件，并分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室小尺寸試件剪切波試驗(yàn)及大尺寸振動(dòng)擊實(shí)剪切波試驗(yàn)，每種試驗(yàn)方法測(cè)試試件10個(gè)。其中小尺寸標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)中碎石粒徑采取對(duì)應(yīng)振動(dòng)擊實(shí)試桶同比例縮小。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)干密度左右誤差5%范圍內(nèi)的兩個(gè)干密度值所對(duì)應(yīng)剪切波速，通過(guò)差值計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)干密度數(shù)值處所對(duì)應(yīng)剪切波速試驗(yàn)數(shù)值。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并繪制對(duì)比圖，見圖5。

圖5　工程實(shí)際剪切波測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖Figure 5　Contrast figure of shear wave velocity 　test in actual project

如圖5所示：小尺寸土石混填試件剪切波試驗(yàn)中雖然采用了粒徑同比縮小的方法，但其剪切波速數(shù)據(jù)浮動(dòng)幅度最大，分析三組數(shù)據(jù)可得：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試波速平均值780 m/s，均方差為10.6；大尺寸剪切波試驗(yàn)波速平均值為782 m/s，均方差為4.9；小尺寸剪切波試驗(yàn)波速平均值為769 m/s，均方差為19.6。則可得實(shí)驗(yàn)室條件下土石混填料剪切波測(cè)試宜采用大尺寸混填料試件試驗(yàn)，其對(duì)工程實(shí)際模擬相對(duì)誤差較小，約為0.25%，且數(shù)據(jù)波動(dòng)較穩(wěn)定；當(dāng)采用小尺寸土石混填試件剪切波試驗(yàn)時(shí)，其對(duì)工程實(shí)際相對(duì)誤差約為1.4%，且數(shù)據(jù)浮動(dòng)較大，論文中為配合室內(nèi)試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段從回填至碾壓均嚴(yán)格控制質(zhì)量，實(shí)際工程中此誤差還會(huì)有變大情況。

6結(jié)論

本文針對(duì)砂土混填料和粘土混填料兩種材料分別開展小尺寸標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)剪切波測(cè)試試驗(yàn)及大尺寸振動(dòng)擊實(shí)剪切波測(cè)試試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合工程實(shí)例研究，得出以下結(jié)論：

① 混填料剪切波速隨含石量的增大而增大；隨干密度的增大而增大；當(dāng)混填料干密度固定，混填料剪切波速隨含水率的增大而降低。

② 大尺寸剪切波測(cè)試結(jié)果較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)離散性較小。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土石混填地基剪切波速模擬試驗(yàn)建議采用大尺寸振動(dòng)壓實(shí)制備試件。

③ 在現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量嚴(yán)格控制下，室內(nèi)大尺寸土石混填試件剪切波速測(cè)試與實(shí)際誤差約為約為0.25%。而小尺寸土石混填試件剪切波速測(cè)試與實(shí)際誤差約為1.4%，在缺乏大尺寸混填試件試驗(yàn)條件時(shí)，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)剪切波速測(cè)試結(jié)果可據(jù)此誤差進(jìn)行調(diào)整。

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[16]張宇輝，張獻(xiàn)民.細(xì)粒土液化對(duì)土石混合料剪切波速的影響研究[J].公路工程，2011，36(3)：30-34.

Study on Test Method for Stress Wave of Soil-stone Mixture and Engineering Application

ZHANG Yuhui， XU Jin

(School of Airport， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China)

[Abstract]The shear wave test of small size mixture with standard compaction and the shear wave test of large size mixture with vibration compaction were conducted with sandy soil-stone mixture and clay soil-stone mixture.The data of shear wave velocity of mixture was collected in different water content，different stone content and different dry density.The change rule of shear wave velocity of mixture was revealed.By comparative analyzing of two kinds of test data and the studying of project example，the precision of test results were analyzed.The results show that the relative error between shear wave test data of large size mixture and actual one was 0.25%，the test results’stability was better and the dispersion was smaller.the relative error between shear wave test data of small size mixture and actual one was 1.4%，and the test results’stability was poor.The high precision of simulation test of shear wave velocity in field soil-stone foundation could be obtained by shear wave test of large size mixture.And the results of shear wave test with small size mixture could be changed upon this relative error.

[Key words]soil-stone mixture； shear-wave velocity； standard compaction； laboratory test

[中圖分類號(hào)]U 416.1+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)01-0015-05

[作者簡(jiǎn)介]張宇輝(1984-)，男，山西呂梁人，博士，講師，主要從事巖石工程測(cè)試技術(shù)方面的研究工作。

[基金項(xiàng)目]中央高?？蒲谢痦?xiàng)目(3122014D028)；博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(2012QD24x)

[收稿日期]2014-10-16