齊俊修,趙曉菊,劉 艷,張中炎,張廣禹(.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 0004;.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 0004;. 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450008)
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連續(xù)級(jí)配碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑分析
齊俊修1,趙曉菊1,劉 艷1,張中炎2,張廣禹3
(1.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100024;2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津 300204;3. 黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450008)
摘要:粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑是連續(xù)級(jí)配碎礫石細(xì)粒含量判別法判別滲透變形類型重要指標(biāo),但目前為止,粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑確定方法和量值均不一致,為驗(yàn)證2個(gè)典型方法及量值的適宜性和符合性,統(tǒng)計(jì)分析了45個(gè)工程179個(gè)試樣的滲透變形試驗(yàn)結(jié)果,結(jié)果表明,定值法中以2 mm作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí),其滲透變形類型判斷結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合率達(dá)80.7%,遠(yuǎn)高于變值法中以為區(qū)分粒徑時(shí)的符合率54.2%。推薦以2 mm作為不均勻連續(xù)級(jí)配碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑。
關(guān)鍵詞:連續(xù)級(jí)配;碎礫石,粗細(xì)顆粒;區(qū)分粒徑;定值法;變值法。
國內(nèi)外壩工實(shí)踐表明,由于滲流引起的滲透變形是造成土石壩破壞和失事的主要原因。故深入開展?jié)B透變形研究具有重要意義。
滲透變形類型的正確判別,是滲透變形合理預(yù)防與治理的基礎(chǔ),許多學(xué)者根據(jù)不同的理論基礎(chǔ)和試驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了多種判別滲透變形類型的方法,如基于反濾層設(shè)計(jì)理論的判別法、不均勻系數(shù)判別法、細(xì)粒含量判別法等。其中細(xì)粒含量判別法在滲透變形類型判別中占重要位置,已納入國標(biāo)無粘性土滲透變形類型判別準(zhǔn)則中。細(xì)粒含量判別法認(rèn)為:無粘性粗粒土由粗顆粒和細(xì)顆粒組成,粗顆粒起骨架作用,細(xì)顆粒起填料作用。當(dāng)細(xì)顆粒含量達(dá)35%時(shí),粗顆??紫锻耆患?xì)顆粒填滿,此時(shí)土的滲透破壞類型為流土。不難看出,細(xì)粒含量判別法中有一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),即粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑。但目前,學(xué)者對(duì)粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑確定方法和結(jié)果均不盡相同。概括起來主要有兩種確定方法,一種為定值法,即將粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑確定為一個(gè)固定值,如將2 mm、5 mm或1 mm作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑,其中以2 mm作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑為主;另一種為變值法或稱公式確定法,認(rèn)為對(duì)于不均勻的連續(xù)級(jí)配的碎礫石,可以用幾何平均粒徑作為粗料和細(xì)料的區(qū)分粒徑,即df=(其中,d70為土中小于該粒徑的土重占總土重的70%,d10為土中小于該粒徑的土重占總土重的10%),該確定方法被國標(biāo)采納。
為進(jìn)一步驗(yàn)證上述兩種方法的適宜性,本文收集了45個(gè)工程179個(gè)試樣的完整的滲透變形試驗(yàn)資料,將以2 mm和確定的粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑判別的滲透變形類型與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,比較結(jié)果表明,用2 mm作為連續(xù)級(jí)配碎礫石的粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí),與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,其符合率為80.7%,用作為不均勻連續(xù)級(jí)配碎礫石的粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí),與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,其符合率僅為54.2%。前者明顯優(yōu)于后者。
(1)所有參與比較分析的土均為碎礫石,且級(jí)配特征為連續(xù)級(jí)配,即顆粒組成曲線中段每一粒徑級(jí)的含量應(yīng)大于3%,此外,其不均勻系數(shù)Cu應(yīng)大于5。
(2)細(xì)粒含量判別法滲透變形類型確定準(zhǔn)則為:細(xì)粒含量Pc<25%時(shí)為管涌,25%≤Pc<35%時(shí)為過渡,Pc≥35%時(shí)為流土。不論區(qū)分粒徑為2 mm還是均按上述原則進(jìn)行判斷。
按上述方法對(duì)滲透變形類型判定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致時(shí),稱為符合,不一致時(shí),稱為不符合。
(3)經(jīng)過綜合判斷,找出滲透變形試驗(yàn)結(jié)果明顯錯(cuò)誤的試樣,將該部分試樣數(shù)從統(tǒng)計(jì)試樣總數(shù)中扣除,然后以扣除明顯錯(cuò)誤試樣數(shù)后的試樣數(shù)作為基數(shù),進(jìn)行符合率統(tǒng)計(jì),以該統(tǒng)計(jì)結(jié)果作為最終符合率。
3.1連續(xù)級(jí)配碎礫石顆粒級(jí)配
連續(xù)級(jí)配碎礫石顆粒級(jí)配按不均勻系數(shù)5
圖1 5 圖2 10 圖3 20 圖4 40 圖5 Cu>80顆粒級(jí)配包絡(luò)曲線 3.2滲透變形類型比較結(jié)果 總的比較結(jié)果見表1,以Cu不同區(qū)間值比較結(jié)果見表2。 表1 連續(xù)級(jí)配碎礫石土滲透變形類型試驗(yàn)結(jié)果與細(xì)粒含量法判定結(jié)果比較 表1 表明,以2 mm為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí)判定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合率為80.7%,以為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí)判定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合率為54.2%,前者比后者高出26.5%。 表2 不同Cu值時(shí)連續(xù)級(jí)配碎礫石土滲透變形類型試驗(yàn)結(jié)果與細(xì)粒含量法判定結(jié)果比較 表2表明,以2 mm為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑判定的滲透變形類型在不同的Cu區(qū)間,與試驗(yàn)結(jié)果相比均有較好的符合率。但以為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí),在不同的Cu區(qū)間,則符合率相差很大,主要表現(xiàn)在5 3.3對(duì)比結(jié)果不一致原因分析 通過對(duì)細(xì)粒含量判別法滲透變形類型判定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較分析,我們認(rèn)為有兩種情況應(yīng)屬導(dǎo)致細(xì)粒含量判別法判定結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果不一致性的主要原因。這兩種情況分別為符合反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則判別法的試樣及少量試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的試樣。分述如下: (1)凡符合反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則判別法的試樣,當(dāng)其D15/d85符合下述結(jié)果時(shí),其試驗(yàn)結(jié)果就和細(xì)粒含量判別法判定結(jié)果不一致。即當(dāng)連續(xù)級(jí)配碎礫石細(xì)粒含量小于25%時(shí),粗粒部分的D15與細(xì)粒部分的d85之比小于5時(shí),則其滲透變形類型不遵循細(xì)粒含量法判別準(zhǔn)則,即其滲透變形類型不是管涌而是非管涌,即遵循了反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;同樣細(xì)粒含量大于等于35%時(shí),則當(dāng)粗粒土部分的D15與細(xì)粒部分的d85之比大于5時(shí),則其滲透變形類型也不遵循細(xì)粒含量判別法判別準(zhǔn)則,即其滲透變形類型不是流土而是管涌,即遵循了反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則;當(dāng)連續(xù)級(jí)配碎礫石細(xì)粒含量大于等于25%而小于35%時(shí),且當(dāng)D15/d85≤5時(shí),應(yīng)為流土而非管涌,當(dāng)D15/d85>5時(shí),應(yīng)為管涌而非流土??傊?,凡是連續(xù)級(jí)配碎礫石顆粒級(jí)配符合上述反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則時(shí),則其滲透變形類型不符合細(xì)粒含量判別法判別準(zhǔn)則,因而影響了其與試驗(yàn)結(jié)果的符合率,在本文統(tǒng)計(jì)的179個(gè)試樣中,有28個(gè)試樣符合上述反濾準(zhǔn)則,而不符合細(xì)粒含量判別法判別準(zhǔn)則,占總統(tǒng)計(jì)試樣的15.6%。具體比對(duì)結(jié)果見表3。上述之不符合是細(xì)粒含量法本身缺陷造成的。是導(dǎo)致細(xì)粒含量判別法與試驗(yàn)結(jié)果不符合的重要原因。 表3 符合反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則判別法試驗(yàn)結(jié)果 (2)少量試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確,因而導(dǎo)致細(xì)粒含量判別法判定滲透變形類型與試驗(yàn)結(jié)果不符。產(chǎn)生這種情況原因不是細(xì)粒含量判別法本身造成的,因此,此部分試驗(yàn)樣品數(shù)不應(yīng)參與符合率統(tǒng)計(jì),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),該類樣品占總試驗(yàn)樣品的5%~8%。本次屬于試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的有13個(gè)樣品,占總試驗(yàn)樣品的7.3%。綜合判定少量試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確試樣見表4。 綜合判斷試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確的依據(jù)是基于分別用2 mm細(xì)粒含量判別法、細(xì)粒含量判別法及反濾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則D15/d85這三種方法判斷滲透變形類型時(shí),若試驗(yàn)結(jié)果(破壞型式)與上述三種判斷方法中的兩種或三種判斷結(jié)果不符合時(shí),則認(rèn)為試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。顯然,表四所列試驗(yàn)結(jié)果均符合這種情況。 表4 綜合判斷少量不準(zhǔn)確試驗(yàn)結(jié)果 我們通過對(duì)45工程179個(gè)試樣的細(xì)粒含量判別法及試驗(yàn)結(jié)果比較分析,對(duì)粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑分別為2 mm和的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了歸納,主要有以下幾點(diǎn): 3.4.1為2 mm時(shí)主要優(yōu)缺點(diǎn) (1)以2 mm作為區(qū)分粒徑進(jìn)行細(xì)粒含量法判別時(shí),其與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果符合率較高,本次統(tǒng)計(jì)結(jié)果達(dá)80.7%。 (2)以2 mm作為區(qū)分粒徑時(shí),容易確定。 (3)以2 mm作為區(qū)分粒徑時(shí),物理意義明確,即為工程地質(zhì)和土工試驗(yàn)均將2 mm作為砂與礫的區(qū)分粒徑。 通過對(duì)45個(gè)工程179個(gè)試樣滲透變形試驗(yàn)結(jié)果與細(xì)粒含量判別法判定滲透變形類型比較,得出以下主要認(rèn)識(shí): (1)以2 mm作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑進(jìn)行細(xì)粒含量判別法滲透變形類型判別時(shí),其與試驗(yàn)結(jié)果符合率較高達(dá)80.7%,遠(yuǎn)高于以作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí)的符合率54.2%,高出26.5%。 (2) 以2 mm作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí),其值不需計(jì)算,但以作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑時(shí)其值必須進(jìn)行計(jì)算。 (3) 以2 mm作為粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑,物理意義明確,即為工程地質(zhì)和土工試驗(yàn)中砂與礫的分界粒徑。 (4)綜上分析,推薦以2 mm作為不均勻連續(xù)級(jí)配碎礫石粗細(xì)顆粒區(qū)分粒徑。 參考文獻(xiàn): [1]屈智炯. 對(duì)粗粒土滲透變形研究的進(jìn)展[J]. 水電站設(shè)計(jì),2008,24(1). 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In order to test the suitability and conformity between 2 typical methods and values, the test results of seepage deformation of 179 samples taken from 45 projects test have been calculated and analyzed. The testing results indicate that when the 2mm distinguished particle size is taken in fixed value method, the coincidence rate between the judging result and testing result of seepage deformation type reaches 80.7%, which is 54.2% higher than that used in variable value method takingthe particle size. Therefore, 2mm is recommended as the distinguished particle size of coarse and fine gravel material with non-uniform continuous gradation. Key words:continuous gradation; crushed aggregate, coarse and fine particle; distinguished particle size; fixed value method; variable value method. 中圖分類號(hào):P642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1671-9913(2016)01-0006-05 * 收稿日期:2015-11-03 作者簡(jiǎn)介:齊俊修(1946- ),男,教授級(jí)高級(jí)工程師,主要從事巖土工程科研試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)、治理等方面的研究工作。4 結(jié)語
(1. PowerChina Beijing Engineering Corporation limited, Beijing 100024, China;2. China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co., Ltd., Tianjin 300204, China;3.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450008, China)