余土高度對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)的影響研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳大偉

(重慶交通大學(xué),重慶 400074)

余土高度對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)的影響研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳大偉

(重慶交通大學(xué),重慶 400074)

摘要：擊實(shí)試驗(yàn)的應(yīng)用范圍極其廣泛，為進(jìn)一步提高試驗(yàn)的質(zhì)量，針對(duì)目前傳統(tǒng)擊實(shí)試驗(yàn)存在的不足，以余土高度對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)質(zhì)量的影響為研究對(duì)象，展開相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)以及提出優(yōu)化設(shè)計(jì)。室內(nèi)試驗(yàn)主要對(duì)比了余土高度對(duì)修補(bǔ)后土樣干密度的影響；優(yōu)化設(shè)計(jì)方面主要是設(shè)計(jì)一種護(hù)筒脫離的裝置，并對(duì)其工作機(jī)理、操作流程進(jìn)行了簡要介紹。試驗(yàn)結(jié)果表明：現(xiàn)有公路土工試驗(yàn)規(guī)程有關(guān)護(hù)筒的脫離技術(shù)沒有詳細(xì)規(guī)定。文中提出的小擊實(shí)筒的護(hù)筒的脫離器能有效避免擊實(shí)土樣余土高度出現(xiàn)負(fù)值的情況，降低土樣擊實(shí)試驗(yàn)的返工頻率，提高試驗(yàn)的效率。

關(guān)鍵詞：擊實(shí)試驗(yàn);余土高度;干密度;優(yōu)化設(shè)計(jì)

土樣擊實(shí)試驗(yàn)是試驗(yàn)人員按照規(guī)范規(guī)程的要求，通過對(duì)土樣施加擊實(shí)功以了解土的壓實(shí)特性的一種方法。這個(gè)方法可以測定出土樣相應(yīng)的干密度，進(jìn)而獲得土樣的最大干密度、最優(yōu)含水量，可作為填土工程設(shè)計(jì)、施工的重要依據(jù)。因?yàn)閾魧?shí)試驗(yàn)的質(zhì)量直接影響到填土工程的總體質(zhì)量和安全性，所以擊實(shí)試驗(yàn)的成果是十分重要的參數(shù)。擊實(shí)試驗(yàn)的試驗(yàn)質(zhì)量會(huì)受到許多因素的影響，其中包括土樣準(zhǔn)備方法的影響、余土高度的影響、含水量的影響、潤滑劑的影響和土樣重復(fù)使用的影響等。許多影響因素都是人為造成的，因此很有必要通過對(duì)試驗(yàn)過程的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化以降低某些因素的影響程度，從而提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參考價(jià)值[1-4]。

在本研究中，使用室內(nèi)試驗(yàn)的方法，對(duì)余土高度，這一影響擊實(shí)試驗(yàn)質(zhì)量的因素進(jìn)行研究。研究分析了不同余土高度下修平后土樣干密度的變化規(guī)律，其中土樣的余土高度并不是刻意控制的；指出現(xiàn)有土樣擊實(shí)試驗(yàn)中有關(guān)脫離護(hù)筒方面存在的不足，提出相關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1余土高度對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)效率的影響

土樣擊實(shí)完成后，擊實(shí)筒內(nèi)的土體與擊實(shí)筒的高度往往并不能完全一致，一般總會(huì)有部分土超過或未達(dá)到筒頂高度,這部分土的高度稱為余土高度。試驗(yàn)中，當(dāng)余土高度出現(xiàn)負(fù)值時(shí)，根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定是需要重做的。在這種情況下，試驗(yàn)的效率勢(shì)必會(huì)受到影響，尤其當(dāng)試驗(yàn)量十分巨大時(shí)影響更為突出。為此，關(guān)于余土高度對(duì)修平后干密度的影響進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析。

1.1試驗(yàn)概況及試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院的教學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)室條件符合公路土工試驗(yàn)規(guī)程的要求?？紤]到經(jīng)濟(jì)性和試驗(yàn)的代表性，采用某種粉質(zhì)黏土摻入石灰進(jìn)行壓實(shí)處理。該種粉質(zhì)黏土的性質(zhì)見表1。試驗(yàn)所用的石灰為熟化后的石灰粉。

表1　土的物理性質(zhì)

試驗(yàn)共分為3組，每組擊實(shí)10個(gè)。含水量都是20%，第一組摻灰比是0%，第二組摻灰比是9%，第三組摻灰比是12%。相應(yīng)的不同摻灰比aω時(shí)灰土的余土高度見表2，其中余土高度為負(fù)值的原因是土樣與護(hù)筒之間的摩擦力所導(dǎo)致的土樣被拔出，這在土樣擊實(shí)試驗(yàn)的操作過程中極為常見且很難避免。

表2　各試驗(yàn)組余土高度 　mm

在進(jìn)行土樣擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，對(duì)于上述試驗(yàn)所用粉質(zhì)黏土以及其他物理性質(zhì)與此種土樣相近的土，將余土高度控制為正值，對(duì)于控制好土樣的干密度大有裨益。這也與公路土工試驗(yàn)規(guī)程中關(guān)于擊實(shí)土樣余土高度的有關(guān)規(guī)定相接近。但是，筆者認(rèn)為現(xiàn)有的公路土工試驗(yàn)規(guī)程中，對(duì)于余土高度的規(guī)定稍有欠缺。

1.2現(xiàn)有護(hù)筒脫離方法的缺陷

公式1為土樣干密度的計(jì)算公式[5]，由公式1可以看出，土樣的濕密度和含水量直接決定了土樣干密度的大小，土樣的濕密度和含水量由作用在土樣上的擊實(shí)功決定，然而在目前的土樣擊實(shí)試驗(yàn)中，關(guān)于土樣小擊實(shí)筒護(hù)筒的脫離方法沒有詳細(xì)規(guī)定。試驗(yàn)操作人員一般使用小錘敲擊護(hù)筒兩側(cè)用于固定的側(cè)耳，使護(hù)筒與小擊實(shí)筒分離。完成該步操作后，即可將擊實(shí)筒內(nèi)多余土樣修平以進(jìn)行土樣擊實(shí)試驗(yàn)的余下操作步驟。

(1)

式中：ρd為干密度，g/cm3，計(jì)算至0.01；ρ為濕密度，g/cm3；ω為含水量，%。

然而不難看出現(xiàn)有公路土工試驗(yàn)規(guī)程在脫離護(hù)筒方面有待補(bǔ)充。對(duì)于缺乏試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的操作人員，往往不能很好地將余土高度控制在公路土工試驗(yàn)規(guī)程要求的高度以內(nèi)，并且即使能夠?qū)⒂嗤粮叨瓤刂圃谝?guī)定的高度以內(nèi)，由于土樣與護(hù)筒之間摩擦力的存在、土不具有抗拉的能力以及木槌敲擊護(hù)筒側(cè)耳時(shí)導(dǎo)致的不均勻受力，一般會(huì)導(dǎo)致土樣小擊實(shí)筒內(nèi)的土樣帶出，在應(yīng)該修平的土樣表面上形成凹向土樣小擊實(shí)筒內(nèi)部的凹坑，此時(shí)一般的做法是往凹坑內(nèi)填補(bǔ)上土樣，然后修平，如圖1所示。

需要進(jìn)行修補(bǔ)的擊實(shí)土樣，其修補(bǔ)后整體干密度的大小由凹坑內(nèi)修補(bǔ)進(jìn)去的土樣的干密度和凹坑以下土樣的干密度決定。凹坑以下土樣受標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功的作用，其干密度較為接近實(shí)際水平；而凹坑內(nèi)修補(bǔ)進(jìn)去的土樣往往是采用人工錘擊補(bǔ)土的方式，其擊實(shí)功得不到保證，因此這部分土樣的干密度很難達(dá)到凹坑以下土樣所達(dá)到的干密度，并且，這種影響是會(huì)隨著凹坑的大小而變化的，凹坑體積越大，對(duì)土樣整體干密度的影響就越大。由此可以看出，傳統(tǒng)的土樣小擊實(shí)筒護(hù)筒的脫離方法容易導(dǎo)致修平后的擊實(shí)土樣的重量出現(xiàn)偏差，因?yàn)樾扪a(bǔ)進(jìn)去的土樣達(dá)不到擊實(shí)試驗(yàn)的擊實(shí)效果。這會(huì)給實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成誤差，對(duì)土樣擊實(shí)曲線的生成造成影響。

圖1　現(xiàn)有護(hù)筒脫離方法的缺陷示意圖

2優(yōu)化設(shè)計(jì)

由前述試驗(yàn)可以看出，在實(shí)際的土樣擊實(shí)試驗(yàn)中，難以避免由于試驗(yàn)操作所導(dǎo)致的余土高度為負(fù)值的情況，控制好余土高度對(duì)于減小試驗(yàn)返工次數(shù)、提高試驗(yàn)效率有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

2.1小擊實(shí)筒的護(hù)筒的脫離器簡介

為避免現(xiàn)有土樣小擊實(shí)筒的護(hù)筒與小擊實(shí)筒脫離時(shí)容易導(dǎo)致?lián)魧?shí)土樣被帶出，造成余土高度不合格的情況，筆者提出一種小擊實(shí)筒護(hù)筒的脫離器，這是一套土樣擊實(shí)試驗(yàn)的輔助裝置。其主要的工作機(jī)理是利用杠桿原理，在不影響擊實(shí)土樣穩(wěn)定的條件下，通過頂推盤頂住試樣，將護(hù)筒脫離。在該試驗(yàn)輔助裝置研制成功的基礎(chǔ)上，筆者通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了該試驗(yàn)輔助裝置的效果，可以有效避免余土高度出現(xiàn)不合格的情況，提高土樣擊實(shí)試驗(yàn)的試驗(yàn)質(zhì)量，并給出了相應(yīng)的操作流程。但由于其未進(jìn)行多種素土、灰土的室內(nèi)試驗(yàn)，故該套試驗(yàn)輔助裝置的實(shí)際應(yīng)用效果還有待驗(yàn)證。

本試驗(yàn)輔助裝置解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：不對(duì)現(xiàn)有土樣小擊實(shí)筒作改動(dòng)，在土樣擊實(shí)完成后，將護(hù)筒和小擊實(shí)筒從底板上取下，采用一個(gè)外徑略小于土樣小擊實(shí)筒內(nèi)徑的鋼制圓盤壓于護(hù)筒內(nèi)擊實(shí)土樣表面，通過對(duì)鋼制圓盤施加外力，使護(hù)筒從小擊實(shí)筒上脫離，達(dá)到提高土樣擊實(shí)試樣精確度的目的。本試驗(yàn)輔助裝置的有益效果是，可以保證修平后的擊實(shí)土樣的重量不出現(xiàn)偏差，保證土樣擊實(shí)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，并且結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。

小擊實(shí)筒護(hù)筒的脫離器(簡稱脫離器)是一種小擊實(shí)筒的護(hù)筒的脫離裝置。主要由上握桿、下握桿、傳力栓、固定盤、頂推盤5部分組成，其結(jié)構(gòu)見圖2和圖3。

圖2　小擊實(shí)筒護(hù)筒的脫離器結(jié)構(gòu)簡圖

圖3　小擊實(shí)筒護(hù)筒的脫離器立體圖

小擊實(shí)筒護(hù)筒的脫離器基本工作原理是將組裝完成的土樣小擊實(shí)筒護(hù)筒的脫離器安裝在護(hù)筒上，安裝方式為首先將固定盤嵌入護(hù)筒上部，然后握緊上、下握桿的后端使之并攏，利用杠桿原理頂出護(hù)筒，如圖4所示。

圖4　脫離器工作機(jī)理示意圖

2.2小擊實(shí)筒的護(hù)筒的脫離器操作流程

考慮到土樣擊實(shí)試驗(yàn)的試驗(yàn)流程并結(jié)合公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40—2007)，制定如下小擊實(shí)筒的護(hù)筒的脫離器試驗(yàn)操作流程：

(1)按照公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40—2007)的規(guī)定將土樣擊實(shí)完成，將小擊實(shí)筒連同護(hù)筒從底板上小心地取下，注意做好土樣外露面的防失水措施[5]。

(2)將組裝好的土樣小擊實(shí)筒的護(hù)筒的脫離器安裝在護(hù)筒上，安裝方式為首先將固定盤嵌入護(hù)筒上部，然后使用將脫離器固定在護(hù)筒的側(cè)耳上。

(3)用手握住上、下握桿后端，用力握緊兩桿后端使之并攏，護(hù)筒被頂出，取下脫離器。

(4)取下脫離器，將多余土樣仔細(xì)削去并擦凈小擊實(shí)筒外表面。

(5)按照公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40—2007)的規(guī)定進(jìn)行土樣擊實(shí)試驗(yàn)余下實(shí)驗(yàn)步驟。

整個(gè)小擊實(shí)筒的護(hù)筒的脫離器操作流程可概括為上述5個(gè)步驟，主要的操作流程、操作示意如圖5和圖6所示。

圖5　脫離器的工作流程

在整個(gè)操作過程中，需要做好土樣的防失水工作，對(duì)于擊實(shí)試驗(yàn)中所用到的勞保用品以不吸水為宜。

圖6　脫離器的操作示意圖

3結(jié)論

(1)利用筆者提出的護(hù)筒脫離器將護(hù)筒與擊實(shí)筒分離，使余土不受干擾、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便。

(2)采用筆者提出的小擊實(shí)筒的護(hù)筒的脫離器能有效避免脫離護(hù)筒后余土高度為負(fù)值的情況，減少試驗(yàn)重做的次數(shù)。當(dāng)土樣擊實(shí)試驗(yàn)的試驗(yàn)量很大時(shí)，這對(duì)提高試驗(yàn)效率是十分有利的。

由于在本次試驗(yàn)中，對(duì)擊實(shí)土樣進(jìn)行修補(bǔ)是采用人工補(bǔ)土的方式，不同試驗(yàn)操作人員所修補(bǔ)土樣的干密度往往會(huì)產(chǎn)生差異，試驗(yàn)的代表性略有欠缺，因此需要在后續(xù)的工作中進(jìn)行完善。

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Study and optimized design of compaction test affected by residual soil’s height

CHEN Dawei

(ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China)

Abstract：The application of compaction test is extremely sweeping. In order to improve the quality of the test, emphasize on the affect by residual soil’s height, some relevant lab test was carried out and the optimized design was put forward as well which based on the actual compaction test experience and blotted out the disadvantages of traditional test. The lab test mainly analyzed the dry density of the soil sample which was repaired and affected by residual soil’s height after and before test. In the optimized stage, an device was produced that its liners can be separated, which was told by its principle and operation. The conclusion shows that no details about detachment technology can be ascertained in the existing highway soil test specification, the device that is developed by the author, can effectively avoid the negative value of compaction soil sample’s height. The reworking frequency of making soil sample is reduced, therefore the efficiency is improved.

Key words：compaction test; residual soil’s height; dry density; optimized design

作者簡介：陳大偉(1991-)，男，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海結(jié)構(gòu)工程研究。

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2096-0506(2016)04-0004-05