無粘性粗粒土相對密度的應用研究

徐曉春

(四川省水利水電勘測設計研究院勘察分院，成都，611731)

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無粘性粗粒土相對密度的應用研究

徐曉春

(四川省水利水電勘測設計研究院勘察分院，成都，611731)

無粘性粗粒土在水利水電工程地質勘察中會經常遇到。我單位在勘察中也經常測試這種無粘性粗粒土的相對密度。但地質勘察評價中如何使用相對密度，在現(xiàn)有的技術規(guī)范、標準中沒有規(guī)定。本文通過對無粘性粗粒土相對密度的應用研究，從而可以確定無粘性粗粒土天然狀態(tài)下的密實度、承載力及變形模量。

無粘性粗粒土 相對密度 密實度 承載力 變形模量

1 前言

本文所述的無粘性粗粒土，主要指俗稱的砂礫卵石，即指巨粒類土的混合巨粒土、巨粒混合土、礫類土的礫和含細粒土礫[1]。這種無粘性粗粒土，有一個共同的特點，就是顆粒組成大于2mm的粗顆粒部分為礫石、卵石、漂石；而小于2mm的細顆粒主要為砂粒，其次為極少量的粘粉粒。水利水電工程建設的大壩、引水樞紐、堤防等工程建筑物多處于河流的河床、漫灘、階地等地形地貌上，從而在工程地質勘察中均會遇到這種無粘性粗粒土，需要查明其厚度、成因類型、組成物質及其分層和分布。若無粘性粗粒土厚度較大，開挖清除可能會使工程造價增加，在這種情況下可將無粘性粗粒土作為持力層加以利用，這樣就需要確定無粘性粗粒土在天然狀態(tài)下的密實性、承載力、變形模量。

這種無粘性粗料土是可以采用圓動力觸探試驗方法確定其密實度、承載力、變形模量[2]。而近年來，我單位在水利水電工程地質勘察中，對這種無粘性粗粒土進行了天然含水率、天然密度、比重、最小干密度、最大干密度的試驗工作，從而計算出相對密度(Dr)。雖有了相對密度的數(shù)據(jù)，但至今未有相應的技術規(guī)范標準作出規(guī)定來判定其密實度、確定承載力和變形模量。

砂土可依據(jù)相對密度數(shù)據(jù)判定其密實程度[2]，其對應關系可見表1。

表1 砂土相對密度與密實程度對應關系

砂土屬無粘性或少粘性的細粒土(相對本文的無粘性粗粒土而言)，據(jù)相對密度判定其密實程度有了比較成熟的標準。而無粘性粗粒土據(jù)相對密度數(shù)據(jù)來判定其密度程度，現(xiàn)無標準。所以通過本文的論述可以根據(jù)無粘性粗粒土的相對密度來判定其密實程度(松散、稍密、中密、密實、很密)，進而確定無粘性粗粒土的承載力、變形模量。

2 無粘性粗粒土相對密度試驗

相對密度的物理涵義是最大孔隙比與天然孔隙比之差和最大孔隙比與最小孔隙比之差的比值，是反映無粘性土密實程度的指標。即相對密度：

式中：Dr——相對密度；

emax——最大孔隙比，最小干密度對應的孔隙比；

e0——天然孔隙比，天然干密度對應的孔隙比；

emin——最小孔隙比，最大干密度對應的孔隙比。

要計算出相對密度指標，需進行無粘性粗粒土的天然含水率、天然密度、比重、最大干密度、最小干密度等項目的試驗。試驗方法采用《水電水利工程粗粒土試驗規(guī)程》(DL/T5356-2006)。

3 圓錐動力觸探成果應用

利用圓錐動力觸探試驗成果的錘擊數(shù)N120可以評價地基土的密實度、確定地基土承載力、確定地基土的變形模量[2]。

3.1 地基土的密度實

可按表2確定和評價碎石土的密實度。表中的錘擊數(shù)是經綜合修正后的平均值。

表2 碎石土密實度N120分類

3.2 地基土的承載力

可按表3確定。該表中的N120值經過觸桿長度修正。

表3 成都地區(qū)卵石土極限承載力標準值

3.3 地基土的變形模量

地基土的變形模量確定標準見表4。

表4 成都地區(qū)卵石土N120與變形模量E0的關系

4 相對密度試驗成果應用

據(jù)相對密度的計算公式可以看出，相對密度數(shù)值理論上是0～1之間的數(shù)值。它的兩個極端狀態(tài)是：當天然干密度很松散，即天然干密度等于最小干密度時，其相對密度值為零；當天然干密度很密實，即天然干密度等于最大干密度時，其相對密度值為1。實際上天然狀態(tài)下的無粘性粗粒土的天然干密度是介于最小干密度和最大干密度之間的，也就是說無粘性粗粒土的相對密度值通常是介于0～1之間。

有了相對密度這個數(shù)據(jù)，如何確定天然狀態(tài)下無粘性粗粒土的密實度、承載力、變形模量。

4.1 密實度的確定

據(jù)砂土的相對密度確定其密實程度，其標準可見前述表1。密實度分為四個等級：松散、稍密、中密、密實。

據(jù)《碾壓式土石壩設計規(guī)范》(SL274-2001)的填筑要求，對其無粘性土的砂礫卵石和砂就填筑標準有這樣的規(guī)定：砂礫卵石的相對密度不應低于0.75，砂的相對密度不應低于0.70。

據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(DL5073-2000)，對無粘性土的壓實性要求浸潤線以上材料的相對密度不低于0.75，浸潤線以下材料的相對密度則根據(jù)設計烈度大小選用0.75～0.85。

據(jù)《水利水電工程地質勘察規(guī)范》(GB50487-2008)，對飽和無粘性土的液化臨界相對密度規(guī)定，可見表5。

表5 飽和無粘性土的液化臨界相對密度

據(jù)上述的技術規(guī)范、標準可以確定：無粘性粗粒土相對密度的幾個關鍵點，很密實的相對密度應大于0.85；密實的相對密度應大于0.75；砂土在松散狀態(tài)下的孔隙比相對于無粘性粗粒土在松散狀態(tài)下的孔隙比要大得多，相反后者的相對密度就應較前者大。參照無粘性土的砂礫卵石和砂就填筑標準的規(guī)定，取松散的相對密度不大于0.3。

綜合分析上述無粘性粗粒土相對密度的幾個關鍵點，借鑒表2中對應的關系，可以確定無粘性粗粒土稍密的相對密度上限值為0.45。

因此，無粘性粗粒土按相對密度判定天然狀態(tài)下的密度程度，可見表6。

表6 按相對密度判定無粘性粗粒土的密實程度

4.2 承載力的確定

據(jù)表3可繪制出N120～fbk關系曲線，見圖1。

圖1 N120～fbk關系

據(jù)表2和表6的密實程度對應關系，可以確定N120(錘擊數(shù))與相對密度Dr的關系，見圖2。

圖2 N120～Dr關系

據(jù)圖2可查出相對密度Dr對應的錘擊數(shù)N120，再據(jù)N120在圖1中查出相應的承載力，見表7。

表7 按相對密度確定無粘性粗粒土的極限承載力標準值

4.3 變形模量的確定

據(jù)表4可繪制出N120～E0關系曲線，見圖3。

據(jù)圖2可查出相對密度Dr對應的錘擊數(shù)N120，再據(jù)N120在圖3中查出相應的變形模量，見表8。

圖3 N120～E0關系

表8 按相對密度確定無粘土粗粒土的變形模量

5 結論

無粘性粗粒土通過試驗，得出無粘性粗粒土天然狀態(tài)下相對密度Dr的數(shù)據(jù)，據(jù)此數(shù)據(jù)可以判定無粘性粗粒土天然狀態(tài)下的密實程度(見表6)，確定無粘性粗粒土天然狀態(tài)下的極限承載力標準值(見表7)，確定無粘性粗粒土天然狀態(tài)下變形模量(見表8)。對相對密度數(shù)據(jù)介于某兩個之間的，可采用類插法確定相應的承載力和變形模量。

此前測試無粘性粗粒土的相對密度，主要是用于碾壓式土石壩填筑干密度的設計和施工填筑標準的控制。而對上述幾方面的應用，就其現(xiàn)有的技術規(guī)范和標準，并沒有相應的規(guī)定。通過本文的應用研究，填補了現(xiàn)有技術規(guī)范和標準的空白，具有顯著的社會效益和經濟效益，滿足了工程勘察的需要。本文研究的相對密度應用的結論可以引用到碾壓式土石壩無粘性粗粒土施工填筑的質量檢測中，也可引用于河床深厚砂卵礫石層原位動力觸探試驗結果的相互驗證，為綜合評價砂卵礫石層的工程地質條件提供支撐。

〔1〕《土的工程分類標準》[S].(GB/T50145-2007).

〔2〕《工程地質手冊》(第四版)，中國建筑工業(yè)出版社.

TV41∶TV443

A

2095-1809(2017)04-0001-03

徐曉春(1959-)，男，水工建筑專業(yè)，學士，巖土試驗高級工程師，勘察分院巖土試驗所原所長?！?/p>