粗粒料相對(duì)密度室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比分析

孫衛(wèi)江， 馮 卉， 吳遠(yuǎn)鵬， 柴龍勝, 李亞運(yùn)

(1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)水利水電工程集團(tuán)有限公司， 新疆 烏魯木齊830002;2.新疆興農(nóng)建筑材料檢測(cè)有限公司， 新疆 烏魯木齊 830052)

1 研究背景

隨著施工機(jī)械的快速發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)施工條件的快速改進(jìn)，壩體填筑料的最大粒徑也在不斷增大。而室內(nèi)相對(duì)密度的試驗(yàn)方法由于實(shí)驗(yàn)儀器的限制，無(wú)法對(duì)原型級(jí)配土石料進(jìn)行相對(duì)密實(shí)度的測(cè)定，需進(jìn)行一定的縮尺處理。然而，進(jìn)行縮尺試驗(yàn)后，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制之間存在一定差距[1-5]。如果以室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為控制指標(biāo)，常常出現(xiàn)相對(duì)密度大于1的情況[6-7]。

已有針對(duì)超粒徑粗粒土最大干密度的研究提出了一些確定方法。張少宏等[8]提出采用分段法來(lái)確定粗粒土最大干密度。郭慶國(guó)等[9]提出了基于室內(nèi)最大干密度、最小干密度實(shí)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最小干密度結(jié)果確定現(xiàn)場(chǎng)最大干密度的方法。史彥文[10]利用模型相似理論探討了砂礫料最大密度與級(jí)配模數(shù)之間的規(guī)律。何建新等[11]通過(guò)試驗(yàn)研究，得出了ρd與lgdmax之間近似于線性關(guān)系，從而可由室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果推求現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果。田樹玉等[12-13]提出了一種采用漸近線輔助確定大粒徑骨料最大干密度的方法，克服了已有方法中外差值偏差較大的缺點(diǎn)。但由于粗粒土級(jí)配、顆粒大小、形狀以及巖石本身的特性變化較大，因此，上述方法并不具有普適性。向尚君等[14]采用數(shù)理分析的方法得出了粗粒料最大干密度、最小干密度與礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系，同時(shí)，也提出所得結(jié)論僅適用于當(dāng)前工程。因此，在施工過(guò)程中，仍應(yīng)該以現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果為主要參考指標(biāo)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量進(jìn)行更為有效的控制。

2 試驗(yàn)用料及方法

室內(nèi)試驗(yàn)：室內(nèi)試驗(yàn)所用粗粒料為原級(jí)配粗粒料將60 mm以上超徑剔除后得到，采用等量替代法，將超徑料進(jìn)行替換，參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[15]按照振動(dòng)臺(tái)法進(jìn)行相對(duì)密度試驗(yàn)。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用料為原級(jí)配粗粒料，原級(jí)配粗粒料最大粒徑為500 mm，P5含量控制在60%～90%進(jìn)行試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)筒選擇Q235B厚度14 mm的鋼板加工制作，直徑為2 000 mm，高度為800 mm。過(guò)篩出礫石P5(5 mm以上)，按含量60%、70%、80%、90%用砂摻配拌制均勻，采用人工虛填法裝入現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)筒，得到現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最小干密度。采用25 t振動(dòng)碾以碾壓20遍時(shí)的壓實(shí)干密度作為最大干密度?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)的級(jí)配曲線如圖1所示。

圖1 試樣級(jí)配曲線

3 結(jié)果對(duì)比與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。隨著P5含量的不斷增加，最大干密度不斷增大，當(dāng)P5含量為70%時(shí)，最大干密度達(dá)到最大值，為2.31 g/cm3，之后隨著P5含量的增加，最大干密度數(shù)值開始減小。最小干密度數(shù)值與最大干密度呈現(xiàn)一致的規(guī)律，當(dāng)P5含量為70%時(shí)，最小干密度達(dá)到最大值，為1.99 g/cm3。

圖2 室內(nèi)相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。隨著P5含量的增加，最大干密度不斷增大，與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果不同的是，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果中P5含量為80%時(shí)，最大干密度達(dá)到最大值，為2.35 g/cm。最小干密度也是在P5含量為80%時(shí)達(dá)到最大值，最小干密度最大值為2.04 g/cm3?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中骨料最大粒徑可達(dá)到400 mm甚至500 mm，室內(nèi)試驗(yàn)骨料的最大粒徑僅為60 mm，隨著最大粒徑的增大，最大干密度最大值對(duì)應(yīng)的P5含量也在不斷增大。表明骨料的最大粒徑對(duì)P5含量最優(yōu)值存在一定的影響。隨著骨料粒徑的增大，試樣中的孔隙體積減小，所需要填充孔隙的細(xì)料含量就越少，P5最優(yōu)含量也就增大。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)相對(duì)密度試驗(yàn)結(jié)果

3.2 已有最大干密度確定方法的探討

依據(jù)參考文獻(xiàn)[4]中確定超徑粗粒土最大干密度的計(jì)算方法，通過(guò)實(shí)測(cè)模型級(jí)配料的最大干密度、最小干密度和原型級(jí)配料的最小干密度，從而獲得原型級(jí)配料的最大干密度。針對(duì)本試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用上述方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校核，校核結(jié)果如表1所示。室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)測(cè)最大干密度與最小干密度的差值隨著P5含量的增加呈增大趨勢(shì)，并沒有維持在一個(gè)定值。通過(guò)上述方法得到推求現(xiàn)場(chǎng)最大干密度的數(shù)值比實(shí)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)最大干密度數(shù)值更大，最小值高出0.01，最大值高出0.09，平均值高出0.04左右。同樣，按照規(guī)范中控制相對(duì)密度在0.85時(shí)的現(xiàn)場(chǎng)碾壓密度也就更高。以現(xiàn)場(chǎng)推求結(jié)果為控制指標(biāo)，以推求結(jié)果Dr=0.85干密度為碾壓密度，對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最大干密度計(jì)算得到的相對(duì)密度均高出0.85，P5含量不高于70%時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果差距較小，影響不大。P5含量達(dá)到75%以后，影響越來(lái)越明顯，當(dāng)P5含量達(dá)到90%時(shí)，相對(duì)密度數(shù)值最大值為1.06。試驗(yàn)結(jié)果不夠理想。上述超粒徑最大干密度的推求方法具有一定借鑒意義，但不是所有的工況都能適用，且同一試驗(yàn)條件下，也存在一定的差距。因此，現(xiàn)場(chǎng)超徑骨料的最大干密度的確定方法仍應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，結(jié)合已有研究的最大干密度推求方法來(lái)確定現(xiàn)場(chǎng)最大干密度，且應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量控制監(jiān)測(cè)，確保工程質(zhì)量得到保證。

表1 試驗(yàn)結(jié)果與修正方法對(duì)比

已有研究的現(xiàn)場(chǎng)超徑最大干密度的確定方法有一定的借鑒價(jià)值，但在現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制中，不能盲目套用，還應(yīng)該以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。同時(shí)應(yīng)該加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)施工的質(zhì)量控制監(jiān)測(cè)，應(yīng)該做到時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、處處監(jiān)測(cè)。

上述方法均應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果作為壩體碾壓控制的指標(biāo)更為適當(dāng)、合理。筆者基于自身工程經(jīng)歷，構(gòu)思出一種采用室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為控制指標(biāo)的方法。即以室內(nèi)模型級(jí)配實(shí)測(cè)結(jié)果為控制指標(biāo)，在進(jìn)行原位密度實(shí)驗(yàn)時(shí)，無(wú)論采用灌砂法還是灌水法，將挖出的粗粒料粒徑高于室內(nèi)試驗(yàn)用料粒徑的剔除，稱量剔除料的質(zhì)量，通過(guò)實(shí)測(cè)粗粒料的表觀密度，進(jìn)而可以求得剔除料的體積，分別用挖出的粗粒料的總質(zhì)量減去剔除料的質(zhì)量，總體積減去剔除料的體積，可獲得粒徑與室內(nèi)試驗(yàn)粒徑等同的粗粒料的質(zhì)量和體積，繼續(xù)計(jì)算出密度，再以室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為控制指標(biāo)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的相對(duì)密度。例如：以本次試驗(yàn)為例，對(duì)應(yīng)P5含量為70%時(shí)，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果最大干密度數(shù)值為2.31 g/cm3，最小干密度數(shù)值為1.99 g/cm3，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以直徑200 cm、高度80 cm圓環(huán)挖坑，總體積為2.512×106cm3，總質(zhì)量為5 840 kg，剔除超徑粗粒料1 000 kg，超徑粗粒料的顆粒比重為2.70 g/cm3，則剔除粗粒料的體積為3.704×105cm3，剩余與室內(nèi)試驗(yàn)粒徑相同粗粒料的質(zhì)量和體積分別為4 840 kg和2.141×106cm3，則剩余粗粒料的碾壓密度為2.26 g/cm3，計(jì)算得到Dr為0.85，與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。但該方法的有效性和實(shí)用性目前還沒有得到試驗(yàn)的驗(yàn)證，有待于以后進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1)相同條件下，粗粒料的最大干密度數(shù)值隨著P5含量的增加不斷增大，室內(nèi)試驗(yàn)最大相對(duì)密度峰值對(duì)應(yīng)的P5含量為70%，而現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)最大干密度峰值對(duì)應(yīng)的P5含量為80%，隨著粗粒料粒徑的增大，最優(yōu)P5含量不斷增大。

(2)根據(jù)室內(nèi)模型級(jí)配料的最大干密度、最小干密度和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)最小干密度來(lái)推求現(xiàn)場(chǎng)原型級(jí)配料最大干密度的方法有一定的借鑒意義，但并不具有普適性，施工質(zhì)量的控制指標(biāo)還應(yīng)該以現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，并加強(qiáng)施工期間的施工質(zhì)量控制管理。

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