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        土的擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)相關(guān)分析

        2022-07-18 02:23:46潘新欣
        水科學(xué)與工程技術(shù) 2022年3期
        關(guān)鍵詞:塑限液限土料

        潘新欣

        (河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,天津 300250)

        南水北調(diào)東線二期工程規(guī)劃在東線一期工程的基礎(chǔ)上擴(kuò)大規(guī)模,計(jì)劃向北延伸,依次經(jīng)過區(qū)域?yàn)椋号R吳渠、臨泊渠、滄州繞城。線路所經(jīng)區(qū)域的地勢(shì)總體自西南向東北緩慢傾斜。區(qū)域內(nèi)河流較多,由于歷史上河流泛濫和黃河改道,沉積物交錯(cuò)分布,形成許多緩崗、微斜平地和低洼地。

        由于筑堤的填筑土料主要來自渠道開挖料和沿線附近布置的取土場(chǎng)。經(jīng)勘察表明,在勘察深度內(nèi),揭露的筑堤土料地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積的素填土和雜填土,第四系全新統(tǒng)沖湖積和第四系上更新統(tǒng)上段沖洪積的壤土、砂壤土、黏土、粉質(zhì)黏土和粉細(xì)砂層。為檢驗(yàn)筑堤土料的碾壓特性,現(xiàn)場(chǎng)采集了151組土料樣品進(jìn)行了室內(nèi)物理和擊實(shí)特性試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析了各類指標(biāo)之間的關(guān)系。

        1 擊實(shí)試驗(yàn)概況

        依據(jù)GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn),采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法,單位體積擊實(shí)功約592.2kJ/m3。試樣采用干法制備;設(shè)備采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的JDS-1型電動(dòng)數(shù)控?fù)魧?shí)儀。

        2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

        現(xiàn)場(chǎng)采集的土料樣品主要來源于為臨吳渠、臨泊渠、滄州繞城沿線和附近料場(chǎng),巖性以少黏性土和黏性土為主,主要包括砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土和黏土4類。試驗(yàn)室對(duì)每一組土料樣品分別進(jìn)行了顆粒分析、液塑限和擊實(shí)試驗(yàn)。按照顆粒分析結(jié)果對(duì)土料樣品進(jìn)行分類,并對(duì)各類土料樣品的物理和擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),其結(jié)果如表1。

        表1 土的試驗(yàn)指標(biāo)匯總統(tǒng)計(jì)

        由表1可知:在采集的151組土料樣品中,壤土61組,占總數(shù)的40.4%;粉質(zhì)黏土58組,占總數(shù)的38.4%;黏土25組,占總數(shù)的16.6%;砂壤土7組,占總數(shù)的4.6%。由于受實(shí)際工程項(xiàng)目的限制,各類土的樣品試驗(yàn)數(shù)量的權(quán)重存在差異。

        3 擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)相互之間關(guān)系

        擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)主要包括最優(yōu)含水率與最大干密度,兩者也是筑堤過程中土料碾壓質(zhì)量的主要控制指標(biāo)。

        3.1 最大干密度與最優(yōu)含水率相關(guān)關(guān)系

        依據(jù)土料樣品的分類,統(tǒng)計(jì)各個(gè)土類的最優(yōu)含水率和與之對(duì)應(yīng)的最大干密度平均值。以最優(yōu)含水率為橫坐標(biāo)、最大干密度為縱坐標(biāo)繪制最大干密度與最優(yōu)含水率的關(guān)系曲線,并求得兩者之間的相關(guān)關(guān)系式,如圖1。

        圖1 最大干密度與最優(yōu)含水率關(guān)系曲線

        從圖1可看出:土料的最大干密度與最優(yōu)含水率成反向關(guān)系,最優(yōu)含水率越大其最大干密度越小。從土料的土類來看,按其順序:砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土、黏土,土料的最大干密度越來越小,最優(yōu)含水率越來越大。

        3.2 關(guān)系式可靠性分析

        對(duì)圖1中繪制的4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析:由于采用線性擬合的關(guān)系式相關(guān)性較差,所以采用二次曲線進(jìn)行擬合,得出的關(guān)系式為ρdmax=-0.0010ω2op+0.0199ωop+1.6428。二次曲線關(guān)系式的相關(guān)系數(shù)R2=1.0000,說明在此關(guān)系式下,不同土類的最大干密度與其最優(yōu)含水率高度相關(guān)。

        把4類土的平均最優(yōu)含水率代入擬合得到的二次關(guān)系式中進(jìn)行計(jì)算,把得出的最大干密度與試驗(yàn)所得最大干密度進(jìn)行對(duì)比,絕對(duì)誤差為0,其結(jié)果也表明擬合得到的關(guān)系式的可靠性,如表2。

        表2 關(guān)系式計(jì)算值與擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值比較

        4 擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)與液塑限之間關(guān)系

        土料液限、塑限指標(biāo)的大小是其自身顆粒組成、礦物成分等方面的綜合性能反映,因此土料液塑限指標(biāo)的差異也能間接反映出土料擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)的差異。

        4.1 擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)與液塑限之間的關(guān)系

        依據(jù)151組土料樣品試驗(yàn)成果,分別按砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土和黏土計(jì)算出不同土類的液限、塑限與相對(duì)應(yīng)的最優(yōu)含水率和最大干密度的平均值。以液限和塑限為橫坐標(biāo),分別以最優(yōu)含水率和最大干密度為縱坐標(biāo)建立直角坐標(biāo)系,如圖2,圖3。

        圖2 最優(yōu)含水率與液(塑)限關(guān)系曲線

        圖3 最大干密度與液(塑)限關(guān)系曲線

        從圖2可看出:最優(yōu)含水率與液限、塑限具有良好的線性關(guān)系。最優(yōu)含水率的大小隨液限或塑限的增加而增加,呈正向關(guān)系,且隨塑限增加的速率大于隨液限增加的速率。

        從圖3可看出:最大干密度與液限、塑限具有良好的二次曲線關(guān)系。最大干密度隨液限或塑限的增加而降低,成反向關(guān)系,且隨塑限增加而降低的速率大于隨液限增加而降低的速率。

        通過對(duì)圖2和圖3的分析還可知:最優(yōu)含水率和最大干密度均對(duì)塑限的變化更敏感。

        4.2 關(guān)系式可靠性分析

        最優(yōu)含水率與液限的線性關(guān)系式為:ωop=0.4165ωL+5.9995,R2=0.9866;最優(yōu)含水率與塑限的線性關(guān)系式為:ωop=0.9249ωp+1.0327,R2=0.9950。最大干密度與液限的二次關(guān)系式為:ρdmax=-0.0004ω2L+0.0199ωL+1.4453,R2=0.9989;最大干密度與塑限的二次 關(guān) 系 式 為:ρdmax=-0.0016ω2p+0.05ωp+1.3112,R2=0.9996。所有關(guān)系式的R2值大于0.99或接近0.99,說明在此擬合的關(guān)系式下,兩者具有良好的相關(guān)性。

        把液限和塑限帶入擬合的相應(yīng)關(guān)系式中分別進(jìn)行計(jì)算,比較最優(yōu)含水率和最大干密度的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果之間的誤差,如表3。

        表3 關(guān)系式計(jì)算值與擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值比較

        通過表3可知:最優(yōu)含水率的計(jì)算值與試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值的誤差在±0.4%范圍內(nèi),沒有超過試驗(yàn)測(cè)定含水率的允許誤差(規(guī)范要求:±1.0%);最大干密度的計(jì)算值與試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值誤差在0.00~0.03g/cm3范圍內(nèi),沒有超過試驗(yàn)測(cè)定密度的允許誤差(規(guī)范要求:±0.03g/cm3)。因此,上述擬合的關(guān)系式是可靠的。

        如果以各類土的塑限為參考值,在評(píng)價(jià)土料的最優(yōu)含水率和塑限的差值時(shí),通過表3可知:砂壤土的最優(yōu)含水率與其塑限的差值為0%;壤土的最優(yōu)含水率與其塑限的差值為-0.6%;粉質(zhì)黏土的最優(yōu)含水率與其塑限的差值為-1.1%;黏土的最優(yōu)含水率與其塑限的差值為-0.7%。所有土類的最優(yōu)含水率均不大于各自的塑限,其中黏性土差值較大一些。

        5 最大干密度與顆粒級(jí)配之間關(guān)系

        評(píng)價(jià)土的顆粒級(jí)配的優(yōu)劣有兩個(gè)重要指標(biāo):不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc。在同一地區(qū),如果土的地質(zhì)成因相同,那么,土的不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)就是影響其擊實(shí)特性的主要因素。不均系數(shù)的大小反映出土顆粒粒徑的分布范圍,曲率系數(shù)的大小反映出土顆粒級(jí)配曲線的形態(tài)。在現(xiàn)行的規(guī)范中規(guī)定,能夠較易達(dá)到碾壓密實(shí),級(jí)配良好的土料應(yīng)同時(shí)滿足兩個(gè)基本條件,即:Cu≥5,Cc在1~3之間。

        由于受試驗(yàn)條件限制,黏土類土未測(cè)出d10值,因此,本文僅分析砂壤土、壤土、粉質(zhì)黏土的擊實(shí)特性指標(biāo)與顆粒級(jí)配的相關(guān)關(guān)系,如圖4,圖5。

        圖5 最大干密度與曲率系數(shù)關(guān)系曲線

        從圖4可以看出:在所取的土料樣品中(不包括黏土),土料擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度隨不均勻系數(shù)的增大而降低,成反向關(guān)系,變化程度逐漸趨緩。

        從圖5可以看出:在所取的土料樣品中(不包括黏土),土料擊實(shí)試驗(yàn)的最大干密度隨曲率系數(shù)的增加而增加,成正向關(guān)系,變化程度逐漸趨緩。

        從圖4、圖5的分析中還可得出:當(dāng)土料顆粒級(jí)配的不均勻系數(shù)Cu≥5時(shí),不是Cu值越大越好,只有同時(shí)滿足Cc值在1~3之間的情況下才能得到較好的擊實(shí)效果。本文中砂壤土、壤土的顆粒級(jí)配的不均勻系數(shù)分別為7.3和9.1,曲率系數(shù)分別為2.2和1.8,其擊實(shí)最大干密度分別為1.69g/cm3和1.67g/cm3,擊實(shí)效果較好。盡管粉質(zhì)黏土類顆粒級(jí)配的Cu值為21.3,遠(yuǎn)大于5,但是,由于其顆粒級(jí)配的曲率系數(shù)值為0.8,不滿足其值在1~3之間的條件,所以,擊實(shí)效果相對(duì)一般,擊實(shí)最大干密度僅1.56g/cm3。

        6 結(jié)語

        (1)利用實(shí)際工程土料樣品的擊實(shí)及相關(guān)試驗(yàn)成果,分析了擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo)之間及與液塑限、顆粒級(jí)配之間的相關(guān)關(guān)系,得出了相關(guān)度較好的擬合關(guān)系式。

        (2)在開展土料的擊實(shí)試驗(yàn)項(xiàng)目受限時(shí),可以采用本文得到的關(guān)系式,通過液限、塑限或顆粒級(jí)配的成果間接確定擊實(shí)試驗(yàn)指標(biāo),初步判斷土料的碾壓特性或填筑土堤的質(zhì)量。

        (3)由于擬合的多項(xiàng)式存在局限性,在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的大型土料場(chǎng),應(yīng)補(bǔ)充擊實(shí)試驗(yàn)成果,完善、修正多項(xiàng)式,使其更加符合實(shí)際情況。

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