一种确定粗粒料的室内缩尺试验相对密度制样标准的方法及试验装置

摘要

本发明涉及一种确定粗粒料的室内缩尺试验相对密度制样标准的方法及试验装置，属于土工测试技术领域。首先，选取级配粗粒料，通过重型振动碾极值干密度试验，得到现场试验的最大干密度值；通过表面振动器压实方式，调整试验装置的压实参数，得到不同压实方式、压实参数下的最大干密度值。然后确定所选取的室内压实方式下的等效压实参数，作为室内最大干密度试验的压实标准。最后，根据压实标准，进行缩尺料的室内相对密度试验，得到缩尺料的极值干密度；根据设计指标，计算确定粗粒料室内缩尺试验的制样干密度或孔隙率。本发明针对原级配粗粒料的缩尺问题，可以减小粗粒料缩尺效应的影响，有效提高粗粒料室内试验的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种可广泛用于水利、土木工程粗粒料的室内缩尺试验制样标准问题， 属于土工测试技术领域。

背景技术

随着重型振动碾的出现，工程用粗粒料的级配范围变得更为宽广，如堆石坝料的最 大控制粒径已达到0.8～1.0m，远远超过室内试验仪器的允许尺寸(目前国内普遍使用直 径30cm的大三轴仪，最大控制粒径5～6cm)，无法直接进行室内试验，确定粗粒坝料的 相对密度填筑标准或进行相关土力学试验时，需要对超径颗粒进行缩尺处理，使原级配 料缩小至室内试验仪器能承载的范围之内。

对原级配粗粒料缩尺后进行室内试验时，需要解决两个关键技术问题：一是缩尺后 的级配如何合理确定；二是室内试验的制样标准如何确定。

目前，对于原级配粗粒料的缩尺方法，《土工试验规程SL237-1999》和《水电水利 粗粒土试验规程DL/T5356-2006》建议采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法， 由于原级配料的最大粒径可能远大于缩尺料最大粒径(二者比值可达15～20)，而混合法 在控制细粒含量的同时，一定程度上保留了原级配的结构特性，密实度更接近于原级配， 被认为是更合理的缩尺方法而广泛应用。但是，使用混合法时，现有规范建议采用P₅含量等于30％的固定指标作为缩尺料的最大细粒含量，与缩尺比或缩尺料的最大粒径无 关，造成缩尺后级配颗粒之间的充填关系劣化；即使采用相似级配法，由于级配截尾误 差和不同尺寸颗粒形状的差异(T.L.Youd，1973)，同样造成缩尺后级配颗粒之间的充 填关系劣化，导致原级配料经过缩尺后，其物理性质如压实性能变差。

对于原级配粗粒料缩尺后的室内试验制样标准而言，土力学之父Terzaghi认为， 粗粒土的松紧程度应以相对密度衡量，对于原级配粗粒料缩尺后的室内试验制样标准， 应采用与原级配料一致的相对密度控制。问题在于依据《土工试验规程SL237-1999》或 《水电水利粗粒土试验规程DL/T5356-2006》进行的室内相对密度试验得到的最大干密 度，往往低于现场填筑坝料的设计干密度值，导致室内最大干密度试验成果的合理性存 疑，以此作为室内试验制样标准的依据不充分。所以，目前粗粒料缩尺后的室内试验， 一般采用与原级配料现场填筑孔隙率相同的标准进行制样。但是，由于原级配粗粒料缩 尺后存在干密度缩尺效应(朱晟等，2011)，使得缩尺级配的压实性能变差，室内试验 采用与原级配料孔隙率相同的标准制样时，导致缩尺级配料的紧密程度远高于原级配 料，使得室内缩尺试验成果，大大高估了原级配粗粒料的力学性质参数，以此计算或评 估高堆石坝等重要结构的应力变形特性，偏于不安全，阻碍了目前我国300m级特高堆 石坝建设的发展。

可见，目前大粒径的工程级配粗粒料，缩尺后进行室内试验制样的压实标准的确定 依据，尚不充分。采用相对密度标准制样的核心技术问题，在于如何合理确定与现场压 实性能等效的室内缩尺试验的最大干密度值，即室内缩尺料达到最大干密度时的压实方 法与压实参数。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种确定粗粒料的室内缩 尺试验相对密度制样标准的方法，该方法能够对原级配粗粒料的缩尺时减小缩尺效应的 影响。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种确定粗粒料的室内缩 尺试验相对密度制样标准的方法，包括以下步骤：

步骤1，选取最大控制粒径较小的垫层或反滤料的级配粗粒料样本，同时给出现 场、室内不同压实方式下最大干密度值参考阈值；

步骤2，在现场进行重型振动碾压实条件下粗粒料的相对密度试验，得到现场 试验的最大干密度值；

步骤3，在室内试验采用表面振动器压实方式，进行试验粗粒料的室内相对密 度试验，得到室内试验的极值干密度值；

步骤4，调整室内试验振动器的压实参数，进行步骤3操作，得到不同压实参 数下的最大干密度值；

步骤5，根据步骤1给出的参考阈值对比步骤2和步骤4确定的最大干密度值， 确定选取的室内压实方式下的压实参数，作为得到室内最大干密度的试验标准；

步骤6，利用步骤5确定的室内最大干密度的试验标准，进行大粒径原级配粗粒 料的缩尺后室内相对密度试验，得到缩尺料的极值干密度；

步骤7，根据原级配粗粒料相对密度的设计指标、步骤6得到缩尺料的室内极值干 密度，计算确定室内缩尺试验的制样干密度或孔隙率，即得到室内试验制样标准。

所述步骤1中试验粗粒料选取原则为，试验粗粒料满足相关规范要求；同时，选取 试验粗粒料的最大控制粒径，需满足室内极值干密度试验的径径比不小于5。

所述步骤3中表面振动器为与现场振动碾压实机理相似的表面振动器。

所述压实参数包括激振力、振动频率、振动时间；所述步骤4中的激振力为 4.5kN～10kN；而所述振动时间为8～20s。

所述：若步骤2得到的最大干密度值，不在步骤4确定的最大干密度值范围内，可 通过步骤4改变激振力与振动时间的范围，重新进行最大干密度值试验，保证步骤2得 到的最大干密度值在步骤4的试验结果范围内。

步骤4室内试验得到的干密度值曲线：

Y＝0.623*(3.74-e^-0.234x)；

其中，Y为干密度值，x为振动时间。

所述步骤7得到室内试验制样标准：

${\gamma }_d=\frac{{\gamma }_{\min }·{\gamma }_{\max }}{(1-\mathrm{Dr})·{\gamma }_{\max }+\mathrm{Dr}·{\gamma }_{\min }};n=\frac{\mathrm{Gs}}{{\gamma }_d}-1;$

其中，γ_d制样干密度，γ_max为最大干密度，γ_min为最小干密度，Dr为设计相对密 度指标，n孔隙率。

一种室内表面振动器极值干密度试验装置，用于确定粗粒料的室内缩尺试验相对密 度制样标准的室内试验，且该极值干密度试验装置与现场振动碾压实机理相似；包括密 度钢桶和表面振动器，表面振动器放置于密度钢桶内；所述密度钢桶包括底座和试验桶 壁，所述试验桶壁可拆卸安装在底座上；所述表面振动器包括振动电机、振动底板，所 述振动电机的振动端通过连接杆与振动底板固定连接，同时所述振动底板上设置有附加 质量块，且所述振动底板对试样的静压力在14kPa。

优选的：所述试验桶壁通过固定螺栓安装在底座上。

优选的：所述振动电机振动频率为45-50Hz；所述试验桶壁的内径30-50cm，高度 28.8-50cm。

有益效果：本发明提供的一种确定粗粒料的室内缩尺试验相对密度制样标准的方法 及其试验装置，相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明选取不需要缩尺的最大控制粒径较小的级配粗粒料，同时进行现场振动 碾与室内表面振动器不同压实方法下的极值干密度试验。通过重型振动碾压实条件下 粗粒料的相对密度试验，得到现场试验的最大干密度值；通过表面振动器压实方 式，并设计相应的试验装置，进行选定粗粒料的室内相对密度试验；通过调整激 振力大小、振动时间等压实参数，进行选定粗粒料的室内相对密度试验，得到不 同压实方式、压实参数下的最大干密度值；通过对比现场与室内两种不同压实条件 下的最大干密度测量值，确定所选取的室内压实方式下的等效压实参数，作为室内 最大干密度试验的压实标准。其次，对于大粒径的原级配粗粒料，采用上述确定的 室内最大干密度试验的压实标准，进行缩尺料的室内最大干密度试验，并采用松铺 法测得缩尺料的最小干密度；根据大粒径的原级配粗粒料相对密度的设计指标，计算 确定室内缩尺试验的制样干密度或孔隙率。由上可知，本发明将原级配粗粒料产生缩尺 效应的耦合影响因素——级配缩尺方法和制样标准确定方法，进行解耦，利用最大控制 粒径较小的垫层料或反滤料，直接进行现场与室内的相对密度试验，提出一种与现场振 动碾压实的紧密程度相匹配的室内试验制样标准的确定方法。因此针对原级配粗粒料的 缩尺问题，本发明可以减小粗粒料缩尺效应的影响，有效提高粗粒料室内试验的精度。

附图说明

图1为室内表面振动器极值干密度试验装置的结构示意图，其中，图1(a)为密度 钢桶的结构示意图，图1(b)为表面振动器的结构示意图；

图2为垫层料现场极值干密度试验结果；

图3为室内表面振动器相对密度试验的垫层料干密度测量值；

其中，1—试样桶壁；2—固定法兰；3—固定螺栓；4—底座；5—振动电机；6—连接杆； 7—附加质量块；8—振动底板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种确定粗粒料的室内缩尺试验相对密度制样标准的方法，首先，选用最大控制粒 径较小的垫层或反滤料等级配粗粒料，通过现场振动碾压实与室内表面振动器压实的两 种方法，分别进行选定的相同粗粒料的相对密度试验，优选得到与现场振动碾压实条件 下最大干密度相同的室内制样压实方法与对应的压实参数；然后，利用上述确定的室内 压实方法与压实参数，进行原级配粗粒料的室内缩尺料的相对密度试验，得到缩尺料的 极值干密度；最后，根据原级配粗粒料相对密度的设计指标，计算室内缩尺试验的制样 干密度或孔隙率。

具体包括以下步骤：

步骤1，选取最大控制粒径较小的垫层或反滤料的级配粗粒料样本，同时给出现 场、室内不同压实方式下最大干密度值参考阈值。

在步骤1中试验粗粒料选取原则为，试验粗粒料的最大控制粒径，需满足室内 极值干密度试验的径径比(试样桶直径/试验粗粒料最大控制粒径)不小于5。

步骤2，在现场进行重型振动碾压实条件下粗粒料的相对密度试验，得到现场 试验的最大干密度值。

所述步骤2的操作方法为，将步骤1选定好的试验粗粒料，进行重型振动碾压 实条件下的现场极值干密度试验，可采用国家发明专利技术——一种测定原级配粗粒 筑坝材料相对密度的方法(专利号：CN102121245A)，也可采用国家级工法——密度 桶法(编号：GJEJF203-2008)。

步骤3，在室内试验采用表面振动器压实方式，进行试验粗粒料的室内相对密 度试验，得到室内试验的最大干密度值。

所述步骤三中试样室内相对密度试验仪器的选取原则为，选取与现场振动碾压 实机理相似的表面振动器法进行室内试样压实。表面振动器由振动电动机及钢制夯组 成，钢制夯由连接杆、连接栓固定于振动电机下，下有一厚15mm夯板(直径小于试筒 内径约5mm)及附加荷重，使得夯板底部对试样的静压力为14kPa；选取振动器振动频 率为45～50Hz。选取的试样桶由底板、圆柱形金属筒和固定螺栓等构成，试样桶应固定 在坚实的基础上，试样桶内径30或50cm，高度30或50cm。

所述步骤3中试样室内最大干密度试验的操作方法为，采用表面振动器法，对 步骤一选定的粗粒料，根据《水电水利粗粒土试验规程DL/T5356-2006》中第5条规定 的步骤，进行最大干密度值试验。

步骤4，调整室内试验振动器的压实参数，进行步骤3操作，得到不同压实参 数下的最大干密度值。

步骤4中试样室内最大干密度试验的操作方法为，采用表面振动器法，对步骤 一选定的粗粒料，在4.5kN～10kN范围选取不同的激振力，对每种激振力进行8～20s范 围不同振动时间的最大干密度试验，得到不同激振力和对应不同振动时间的最大干密度 测量值。

如图3所示，得到室内试验得到的干密度值曲线：

Y＝0.623*(3.74-e^-0.234x)；

其中，Y为干密度值，x为振动时间。

步骤5，根据步骤1给出的阈值对比步骤2和步骤4确定的最大干密度值，确 定选取的室内压实方式下的压实参数，作为得到室内最大干密度的试验标准。

若步骤2得到的最大干密度值，不在步骤4确定的最大干密度值范围内，可通过步 骤4改变激振力与振动时间的范围，重新进行最大干密度值试验，保证步骤2得到的最 大干密度值在步骤4的试验结果范围内。

步骤6，利用步骤5确定的室内最大干密度的试验标准，进行大粒径原级配粗粒 料的室内缩尺试验，得到缩尺料的最大干密度γ_max，采用松铺法测得缩尺料的最小干密 度γ_min；

步骤7，根据原级配粗粒料相对密度的设计指标Dr、步骤6得到的室内最大干密度 γ_max、缩尺料的最小干密度γ_min，计算确定室内缩尺试验的制样干密度γ_d或孔隙率n， 即得到室内试验制样标准。

所述步骤7得到室内试验制样标准：

${\gamma }_d=\frac{{\gamma }_{\min }·{\gamma }_{\max }}{(1-\mathrm{Dr})·{\gamma }_{\max }+\mathrm{Dr}·{\gamma }_{\min }};n=\frac{\mathrm{Gs}}{{\gamma }_d}-1;---\left(1\right)$

其中，γ_d制样干密度，γ_max为最大干密度，γ_min为最小干密度，Dr为设计相对密 度指标，n孔隙率。

一种室内表面振动器极值干密度试验装置，如图1所示，用于确定粗粒料的室内缩 尺试验相对密度制样标准的室内试验，且该极值干密度试验装置与现场振动碾压实机理 相似；包括密度钢桶和表面振动器，表面振动器放置于密度钢桶内；所述密度钢桶包括 底座4和试验桶壁1，所述试验桶壁1可拆卸安装在底座4上；所述试验桶壁通过固定 螺栓3和固定法兰2安装在底座4上,。所述表面振动器包括振动电机5、振动底板6， 所述振动电机5的振动端通过连接杆6与振动底板5固定连接，同时所述振动底板5上 设置有附加质量块7，且所述振动底板8对试样的静压力在14kPa。

所述振动电机5振动频率为45-50Hz；所述试验桶壁1的内径30-50cm，高度 28.8-50cm。

实例

本实施案例对某工程原级配堆石料的室内缩尺试验的制样标准进行确定，该工程 大坝位于强震区，填筑堆石料的相对密度设计指标为0.80。附表1为试验垫层料 和堆石料，均取自筑坝现场。试验堆石料最大粒径600mm，与室内试验仪器的径 径比等于0.5，室内试验时需要缩尺；采用混合法进行缩尺，首先按相似级配法进 行缩尺，粒径的缩小倍数取6，再将超粒径颗粒按等量替代法处理。得到的缩尺级配即 室内试验的级配如附表1所示。

附表1试验粗粒料

步骤一：选取室内相对密度试验桶径为30cm。表1中试验垫层料的最大粒径 60mm，径径比(试样桶直径/试验粗粒料最大控制粒径)等于5，试验时不需要缩 尺。现场、室内不同压实方式下最大干密度的参考阈值2.4g/cm³。

步骤二：利用步骤一选定好的试验垫层料，采用申请人提出的国家发明专利技术 ——一种测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法(专利号：CN102121245A)进行27t 重型振动碾压实条件下的现场极值干密度试验，实测压实能量与挖坑检测干密度 的关系见附图2,其最大干密度为2.346g/cm³。

步骤三：利用步骤一选定好的试验垫层料，以及设计的表面振动器和相对密度 试验桶，选取振动器的振动频率为47.5Hz，激振力8.0kN，设计分别振动0min、8min、 12min、15min和18min时间，同步测量垫层表面到桶顶的距离，计算压实垫层料的体积 和干密度，分别为1.742、2.250、2.300、2.318、2.322g/cm³，其中振动15分钟与18 分钟干密度仅增加约0.17％，基本稳定；如附图3，室内试验得到的干密度值曲线： Y＝0.623*(3.74-e^-0.234x)；其中，Y为干密度值，x为振动时间，得到拟合最大干密度 为2.34g/cm³。

步骤四：对比步骤二和步骤三确定的最大干密度值，两者差异很小，因此结 合步骤一给出的最大干密度值参考阈值，可选取步骤三确定的最大干密度值(2.34 g/cm³)对应的振动器振动频率为47.5Hz，激振力8.0kN，振动15min时间，作为附表 1中堆石料缩尺后的室内最大干密度试验标准。

步骤五：利用步骤四确定的室内最大干密度试验的标准，进行附表1中缩尺堆 石料的室内相对密度试验，得到其缩尺后的最大干密度为2.31g/cm³，并采用松铺法测 得其最小干密度为1.75g/cm³。

步骤六：该工程大坝堆石料的相对密度设计指标为0.8，计算室内缩尺试验的制样 干密度为:

${\gamma }_d=\frac{{\gamma }_{\min }·{\gamma }_{\max }}{(1-\mathrm{Dr})·{\gamma }_{\max }+\mathrm{Dr}·{\gamma }_{\min }}=\frac{1.75\times 2.31}{(1-0.8)\times 2.31+0.8\times 1.75}=2.14g/c{m}^3$

计算室内缩尺试验的制样孔隙率为:

$n=\frac{\mathrm{Gs}}{{\gamma }_d}-1=\frac{2.66}{2.14}-1=0.24$

上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不 是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质 对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范 畴。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也 应视为本发明的保护范围。