徐曉春

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，成都，611731)

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無(wú)粘性粗粒土相對(duì)密度的應(yīng)用研究

徐曉春

(四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘察分院，成都，611731)

無(wú)粘性粗粒土在水利水電工程地質(zhì)勘察中會(huì)經(jīng)常遇到。我單位在勘察中也經(jīng)常測(cè)試這種無(wú)粘性粗粒土的相對(duì)密度。但地質(zhì)勘察評(píng)價(jià)中如何使用相對(duì)密度，在現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有規(guī)定。本文通過(guò)對(duì)無(wú)粘性粗粒土相對(duì)密度的應(yīng)用研究，從而可以確定無(wú)粘性粗粒土天然狀態(tài)下的密實(shí)度、承載力及變形模量。

無(wú)粘性粗粒土 相對(duì)密度 密實(shí)度 承載力 變形模量

1 前言

本文所述的無(wú)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?；旌贤?、礫類土的礫和含細(xì)粒土礫[1]。這種無(wú)粘性粗粒土，有一個(gè)共同的特點(diǎn)，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(xì)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(shè)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(zhì)勘察中均會(huì)遇到這種無(wú)粘性粗粒土，需要查明其厚度、成因類型、組成物質(zhì)及其分層和分布。若無(wú)粘性粗粒土厚度較大，開(kāi)挖清除可能會(huì)使工程造價(jià)增加，在這種情況下可將無(wú)粘性粗粒土作為持力層加以利用，這樣就需要確定無(wú)粘性粗粒土在天然狀態(tài)下的密實(shí)性、承載力、變形模量。

這種無(wú)粘性粗料土是可以采用圓動(dòng)力觸探試驗(yàn)方法確定其密實(shí)度、承載力、變形模量[2]。而近年來(lái)，我單位在水利水電工程地質(zhì)勘察中，對(duì)這種無(wú)粘性粗粒土進(jìn)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(yàn)工作，從而計(jì)算出相對(duì)密度(Dr)。雖有了相對(duì)密度的數(shù)據(jù)，但至今未有相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)作出規(guī)定來(lái)判定其密實(shí)度、確定承載力和變形模量。

砂土可依據(jù)相對(duì)密度數(shù)據(jù)判定其密實(shí)程度[2]，其對(duì)應(yīng)關(guān)系可見(jiàn)表1。

表1 砂土相對(duì)密度與密實(shí)程度對(duì)應(yīng)關(guān)系

砂土屬無(wú)粘性或少粘性的細(xì)粒土(相對(duì)本文的無(wú)粘性粗粒土而言)，據(jù)相對(duì)密度判定其密實(shí)程度有了比較成熟的標(biāo)準(zhǔn)。而無(wú)粘性粗粒土據(jù)相對(duì)密度數(shù)據(jù)來(lái)判定其密度程度，現(xiàn)無(wú)標(biāo)準(zhǔn)。所以通過(guò)本文的論述可以根據(jù)無(wú)粘性粗粒土的相對(duì)密度來(lái)判定其密實(shí)程度(松散、稍密、中密、密實(shí)、很密)，進(jìn)而確定無(wú)粘性粗粒土的承載力、變形模量。

2 無(wú)粘性粗粒土相對(duì)密度試驗(yàn)

相對(duì)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(wú)粘性土密實(shí)程度的指標(biāo)。即相對(duì)密度：

式中：Dr——相對(duì)密度；

emax——最大孔隙比，最小干密度對(duì)應(yīng)的孔隙比；

e0——天然孔隙比，天然干密度對(duì)應(yīng)的孔隙比；

emin——最小孔隙比，最大干密度對(duì)應(yīng)的孔隙比。

要計(jì)算出相對(duì)密度指標(biāo)，需進(jìn)行無(wú)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(xiàng)目的試驗(yàn)。試驗(yàn)方法采用《水電水利工程粗粒土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T5356-2006)。

3 圓錐動(dòng)力觸探成果應(yīng)用

利用圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)成果的錘擊數(shù)N120可以評(píng)價(jià)地基土的密實(shí)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(shí)

可按表2確定和評(píng)價(jià)碎石土的密實(shí)度。表中的錘擊數(shù)是經(jīng)綜合修正后的平均值。

表2 碎石土密實(shí)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(jīng)過(guò)觸桿長(zhǎng)度修正。

表3 成都地區(qū)卵石土極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

3.3 地基土的變形模量

地基土的變形模量確定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4。

表4 成都地區(qū)卵石土N120與變形模量E0的關(guān)系

4 相對(duì)密度試驗(yàn)成果應(yīng)用

據(jù)相對(duì)密度的計(jì)算公式可以看出，相對(duì)密度數(shù)值理論上是0～1之間的數(shù)值。它的兩個(gè)極端狀態(tài)是：當(dāng)天然干密度很松散，即天然干密度等于最小干密度時(shí)，其相對(duì)密度值為零；當(dāng)天然干密度很密實(shí)，即天然干密度等于最大干密度時(shí)，其相對(duì)密度值為1。實(shí)際上天然狀態(tài)下的無(wú)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(shuō)無(wú)粘性粗粒土的相對(duì)密度值通常是介于0～1之間。

有了相對(duì)密度這個(gè)數(shù)據(jù)，如何確定天然狀態(tài)下無(wú)粘性粗粒土的密實(shí)度、承載力、變形模量。

4.1 密實(shí)度的確定

據(jù)砂土的相對(duì)密度確定其密實(shí)程度，其標(biāo)準(zhǔn)可見(jiàn)前述表1。密實(shí)度分為四個(gè)等級(jí)：松散、稍密、中密、密實(shí)。

據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL274-2001)的填筑要求，對(duì)其無(wú)粘性土的砂礫卵石和砂就填筑標(biāo)準(zhǔn)有這樣的規(guī)定：砂礫卵石的相對(duì)密度不應(yīng)低于0.75，砂的相對(duì)密度不應(yīng)低于0.70。

據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL5073-2000)，對(duì)無(wú)粘性土的壓實(shí)性要求浸潤(rùn)線以上材料的相對(duì)密度不低于0.75，浸潤(rùn)線以下材料的相對(duì)密度則根據(jù)設(shè)計(jì)烈度大小選用0.75～0.85。

據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB50487-2008)，對(duì)飽和無(wú)粘性土的液化臨界相對(duì)密度規(guī)定，可見(jiàn)表5。

表5 飽和無(wú)粘性土的液化臨界相對(duì)密度

據(jù)上述的技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可以確定：無(wú)粘性粗粒土相對(duì)密度的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，很密實(shí)的相對(duì)密度應(yīng)大于0.85；密實(shí)的相對(duì)密度應(yīng)大于0.75；砂土在松散狀態(tài)下的孔隙比相對(duì)于無(wú)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(duì)密度就應(yīng)較前者大。參照無(wú)粘性土的砂礫卵石和砂就填筑標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，取松散的相對(duì)密度不大于0.3。

綜合分析上述無(wú)粘性粗粒土相對(duì)密度的幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，借鑒表2中對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可以確定無(wú)粘性粗粒土稍密的相對(duì)密度上限值為0.45。

因此，無(wú)粘性粗粒土按相對(duì)密度判定天然狀態(tài)下的密度程度，可見(jiàn)表6。

表6 按相對(duì)密度判定無(wú)粘性粗粒土的密實(shí)程度

4.2 承載力的確定

據(jù)表3可繪制出N120～fbk關(guān)系曲線，見(jiàn)圖1。

圖1 N120～fbk關(guān)系

據(jù)表2和表6的密實(shí)程度對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以確定N120(錘擊數(shù))與相對(duì)密度Dr的關(guān)系，見(jiàn)圖2。

圖2 N120～Dr關(guān)系

據(jù)圖2可查出相對(duì)密度Dr對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)N120，再據(jù)N120在圖1中查出相應(yīng)的承載力，見(jiàn)表7。

表7 按相對(duì)密度確定無(wú)粘性粗粒土的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值

4.3 變形模量的確定

據(jù)表4可繪制出N120～E0關(guān)系曲線，見(jiàn)圖3。

據(jù)圖2可查出相對(duì)密度Dr對(duì)應(yīng)的錘擊數(shù)N120，再據(jù)N120在圖3中查出相應(yīng)的變形模量，見(jiàn)表8。

圖3 N120～E0關(guān)系

表8 按相對(duì)密度確定無(wú)粘土粗粒土的變形模量

5 結(jié)論

無(wú)粘性粗粒土通過(guò)試驗(yàn)，得出無(wú)粘性粗粒土天然狀態(tài)下相對(duì)密度Dr的數(shù)據(jù)，據(jù)此數(shù)據(jù)可以判定無(wú)粘性粗粒土天然狀態(tài)下的密實(shí)程度(見(jiàn)表6)，確定無(wú)粘性粗粒土天然狀態(tài)下的極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值(見(jiàn)表7)，確定無(wú)粘性粗粒土天然狀態(tài)下變形模量(見(jiàn)表8)。對(duì)相對(duì)密度數(shù)據(jù)介于某兩個(gè)之間的，可采用類插法確定相應(yīng)的承載力和變形模量。

此前測(cè)試無(wú)粘性粗粒土的相對(duì)密度，主要是用于碾壓式土石壩填筑干密度的設(shè)計(jì)和施工填筑標(biāo)準(zhǔn)的控制。而對(duì)上述幾方面的應(yīng)用，就其現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，并沒(méi)有相應(yīng)的規(guī)定。通過(guò)本文的應(yīng)用研究，填補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的空白，具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，滿足了工程勘察的需要。本文研究的相對(duì)密度應(yīng)用的結(jié)論可以引用到碾壓式土石壩無(wú)粘性粗粒土施工填筑的質(zhì)量檢測(cè)中，也可引用于河床深厚砂卵礫石層原位動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證，為綜合評(píng)價(jià)砂卵礫石層的工程地質(zhì)條件提供支撐。

〔1〕《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》[S].(GB/T50145-2007).

〔2〕《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)，中國(guó)建筑工業(yè)出版社.

TV41∶TV443

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2095-1809(2017)04-0001-03

徐曉春(1959-)，男，水工建筑專業(yè)，學(xué)士，巖土試驗(yàn)高級(jí)工程師，勘察分院巖土試驗(yàn)所原所長(zhǎng)。■