朱俊高，軒向陽，薄以霆

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 南京 210098;3.蘇州市水利工程質(zhì)量檢測中心有限公司，江蘇 蘇州 215000)

堆石料等粗粒土具有抗剪強度高、壓縮性低、透水性強等優(yōu)良工程特性［1－2］，被廣泛應(yīng)用于土石壩、高層建筑地基換填以及海岸護岸等工程中.近年來，我國高土石壩發(fā)展迅速［3－4］，對堆石料力學(xué)性質(zhì)的深入了解提出了更高要求，干密度作為壩體填筑密度控制的一個重要參數(shù)，其研究愈發(fā)受到重視.對高土石壩，其填筑要求的密度較高，盡管最終采用的填筑密度一般依據(jù)現(xiàn)場碾壓試驗確定，但在前期設(shè)計研究中，必須進行粗粒土物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)試驗研究，室內(nèi)測定其最大干密度也是必須研究的內(nèi)容之一.按照相關(guān)規(guī)范，室內(nèi)可采用表面振動壓實法或振動臺法測定粗粒土最大干密度.

目前，有關(guān)粗粒土干密度的研究多是針對干密度的確定方法［5－11］，如朱俊高等［12］研究了雙江口粗粒土最大干密度，指出粗粒土最大干密度與λ之間具有二次曲線關(guān)系.近年來，我國的各類粗粒土試驗規(guī)范開始把表面振動壓實法列入，但對其相關(guān)問題的考慮并不成熟，如在表面振動壓實試驗中激振時間和壓重對于粗粒土干密度影響如何、到底取值多大合適，還缺少更多相關(guān)研究.文獻［13］規(guī)定激振時間為6 min，而文獻［14］則規(guī)定激振時間為8 min，是否都合適?因此，很有必要對激振時間和壓重對粗粒土的干密度的影響規(guī)律進行研究.

本文對2種土料進行了兩類干密度影響因素的試驗，研究表面振動壓實法測定粗粒土最大干密度的影響因素，即:①壓重相同、激振時間不同情況下，粗粒土干密度與激振時間的關(guān)系;②激振時間相同情況下，通過改變壓重大小來分析粗粒土干密度與壓重之間的關(guān)系.

1 試驗設(shè)備與方案

本文干密度試驗均采用表面振動壓實儀法.所用主要儀器為振動器，電源電壓為380 V，其振動夯功率為1 kW，振動頻率50 Hz，激振力5 kN.試樣高度為30 cm.

表面振動壓實儀法測粗粒土干密度時，激振時間和壓重是2個重要的控制指標.激振時間過短，測得粗粒土干密度較小;時間過長，則粗粒土可能早已達到了最密實狀態(tài).文獻［13］中規(guī)定表面振動壓實儀法測粗粒土干密度時的激振時間應(yīng)為6 min.

本文對2種不同粗粒土進行相同壓重下不同激振時間的干密度試驗，來研究激振時間對干密度的影響.2種粗粒土中，一種取自長河壩心墻堆石壩覆蓋層的砂卵礫石料(簡稱長河壩料)，另一種取自江蘇六合某地的砂卵石料(簡稱六合料).其中，長河壩料巖性較硬，六合料較軟，易破碎.2種料的級配曲線如圖1所示.

為了研究激振時間對粗粒土干密度的影響規(guī)律，本文對長河壩料進行了激振時間分別為6，4，2和1 min的試驗，對六合料進行了激振時間分別為8，6，4，2和1 min，以及20和5 s共7組試驗.由于試驗條件的限制，試樣表面的壓重沒有達到規(guī)范規(guī)定的13.8 kPa，而只有8.609 kPa;但本文主要是針對影響規(guī)律的研究，因而結(jié)果仍有一定的參考價值.

為研究表面壓重對粗粒土干密度的影響規(guī)律，本文同時測定了3組長河壩料相同激振時間，壓重分別為6.387，8.609和10.831 kPa下的干密度，研究壓重對干密度的影響.

圖1 粗粒土級配曲線Fig.1 Size grading curve of coarse-grained soil

2 干密度影響因素分析

2.1 激振時間影響

首先對長河壩料進行不同激振時間的壓實試驗，測定相應(yīng)干密度.以激振時間為6 min試驗所測定的干密度為標準最大干密度，進而計算其他激振時間內(nèi)試樣的相對密度.試驗得出，激振時間分別為6，4，2和1 min時，試樣對應(yīng)的干密度分別為 2.431，2.430，2.418 和 2.409 g/cm3，相對密度為 1，0.998，0.970 和0.949.同時，采用松填法測定其最小干密度，測得長河壩料最小干密度為2.062 g/cm3.

長河壩料在不同激振時間內(nèi)干密度變化規(guī)律見圖2(a).可見，隨著激振時間的增加，粗粒土的干密度逐漸增大.當激振時間從1 min增加到2 min時，干密度增加了0.009 g/cm3，若假設(shè)干密度隨時間均勻增加，則干密度增加速率為0.15 mg/(cm3·s);激振時間增至4 min時，干密度又增加了0.012 g/cm3，增加速率為0.1 mg/(cm3·s);當激振時間達到6 min時，干密度達到最大，相對于4 min時的干密度增加了0.001 g/cm3，干密度增加速率為0.08 mg/(cm3·s).激振時間4 min時的干密度已經(jīng)較大，隨著激振時間增加，干密度增長已經(jīng)很小，說明試樣已經(jīng)達到很密實狀態(tài)，由此可見，文獻［13］將激振時間規(guī)定為6 min有一定合理性.

為進一步研究不同粗粒土在不同激振時間內(nèi)干密度的變化規(guī)律，本文同時對六合料進行了不同激振時間的壓實試驗，測定對應(yīng)干密度(圖2(b)).同時采用松填法測定其最小干密度，測得的六合料最小干密度為1.823 g/cm3.以激振時間8 min試驗所測定的干密度為標準最大干密度，進而計算其他激振時間內(nèi)試樣的相對密度，試驗結(jié)果見表1.

圖2 長河壩料和六合料的干密度與激振時間關(guān)系Fig.2 Relationship between vibrating time and dry density of Changhe dam soil and Luhe soil

表1 六合料不同激振時間的擊實試驗Tab.1 Compaction tests under different vibrating time for Luhe soil

六合料試驗所得干密度隨時間變化規(guī)律與長河壩料試驗結(jié)果相似.從圖2(b)可見，在1 min以內(nèi)時，六合料粗粒土的干密度迅速增加，5～20 s增長最快，平均增量速率為4.1 mg/(cm3·s)，激振時間1 min后，密度增加速率減慢，4～6 min增量更小.總體上，激振時間1～6 min時，粗粒土干密度增加較慢，其干密度平均增長速率為0.4 mg/(cm3·s);激振時間從6至8 min時，干密度僅增加0.002 g/cm3.表明在激振時間大于6 min后干密度基本穩(wěn)定，不再或很難增大.進一步說明文獻［13］和［14］規(guī)定的激振時間有一定的合理性.

為進一步研究同種粗粒土在不同激振時間內(nèi)干密度的變化規(guī)律，本文又對最大粒徑為60 mm的六合料(級配同圖1的長河壩料)進行了不同激振時間的壓實試驗，測定對應(yīng)干密度.同時采用松填法測定其最小干密度，測得此種六合料最小干密度為1.902 g/cm3.以激振時間6 min試驗所測定的干密度為標準最大干密度，進而計算其他激振時間下試樣的相對密度.表2為此種六合料在不同激振時間內(nèi)的干密度試驗結(jié)果，激振時間與干密度的關(guān)系曲線如圖3所示.從表2和圖3不難發(fā)現(xiàn)，最大粒徑為60 mm六合料和前面所述的(最大粒徑為20 mm)六合料干密度和激振時間的關(guān)系基本一致，即干密度隨著激振時間的增加而增加，在激振時間小于1 min時，密度隨激振時間增加的速率較大，此后增幅逐漸減小，在6 min時趨于穩(wěn)定.4 ～6 min 內(nèi)，干密度平均增加速率為0.125 mg/(cm3·s)，與最大粒徑為20 mm的六合料相近，說明級配對干密度隨激振時間的變化規(guī)律的影響較小.

圖3 最大粒徑60 mm六合料干密度與激振時間關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between vibrating time and dry density of Luhe soil(dmax=60 mm)

表2 最大粒徑60 mm的六合料不同激振時間的擊實試驗Tab.2 Compaction tests under different vibrating time for Luhe soil(dmax=60 mm)

2.2 壓重影響

表面振動壓實法試驗中，另一個影響試驗結(jié)果的重要因素是土樣表面的壓重.文獻［13］規(guī)定為13.8 kPa，文獻［14］則規(guī)定為14 kPa.為研究表面壓重對干密度影響規(guī)律，作者對3種表面壓重下長河壩料進行了干密度試驗研究.試驗激振時間均為6 min，試驗結(jié)果為:壓重6.387，8.609和10.831 kPa下對應(yīng)的干密度分別為 2.259，2.431 和2.448 g/cm3，相對密度為0.560，0.963 和1.000.干密度與壓重關(guān)系曲線如圖4所示.由于試驗條件所限，本文只進行了以上3種壓重試驗.雖然測得數(shù)據(jù)較少，但總體能反映壓重對于粗粒土最大干密度的影響.

現(xiàn)有研究表明，隨壓重增大干密度逐漸增大，且壓重大于一定值后干密度逐漸趨于穩(wěn)定，圖4所體現(xiàn)的規(guī)律也正是這樣.圖4表明，壓重為8.609 kPa的干密度比6.387 kPa 的增加了 0.188 g/cm3，當壓重變?yōu)?10.831 kPa時，最大干密度又增加0.017 g/cm3.假設(shè)粗粒土干密度是呈線性變化，則從壓重 6.387 kPa到 8.609 kPa，壓重每增大1 kPa干密度增加 0.084 6 g/cm3;而壓重 8.609 kPa 到10.831 kPa，增加1 kPa 壓重，最大干密度增大 0.007 65 g/cm3.顯然增加的幅度越來越小而不是簡單的線性增加.

盡管本文試驗數(shù)據(jù)點少，壓重較大的試驗點缺乏，但是試驗所得結(jié)果基本反映最大干密度隨壓重增加而增大的規(guī)律.可以推測，當壓重為11～14 kPa，壓重增加所引起的密度增加速率更小，因此文獻［13］及［14］規(guī)定的試樣表面壓重為13.8和14 kPa是合理的.

為進一步研究壓重對相對密度的影響，根據(jù)松填法測定的長河壩料最小干密度為2.062 g/cm3，近似以10.831 kPa壓重下的密度為標準最大干密度，則可得壓重為6.387和8.609 kPa時的相對密度分別為0.556和0.963.試驗結(jié)果表明，相對密度隨壓重的增加而增大，但增大幅度隨壓重增大而減小.

圖4 長河壩料壓重與干密度之間的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between surface pressure and dry density of Changhe dam soil

3 結(jié)語

本文研究了表面振動壓實儀法測定粗粒土干密度試驗中，激振時間、表面壓重等對所測得干密度的影響.進行了最大粒徑為60 mm的長河壩料、最大粒徑為20 mm六合料的分析比較，并進行了最大粒徑為60 mm六合料的對比試驗，得出干密度隨激振時間和壓重變化規(guī)律，得到如下結(jié)論:

(1)隨著激振時間的增加，粗粒土的干密度逐漸增大.激振時間5～20 s內(nèi)，干密度增大速率最快;隨后20～60 s繼續(xù)較快增加;1～6 min增幅顯著減小，干密度增大較緩慢;6～8 min內(nèi)干密度增加很小.

(2)不同壓重試驗結(jié)果表明，壓重6.387，8.609和10.831 kPa所測得的干密度隨著壓重的增加而逐漸增大，且增幅逐漸減小，相對密度也隨壓重的增加而增大.

(3)目前規(guī)范規(guī)定的激振時間6或8 min，壓重13.8或14 kPa，均是可行的.但是，建議不同行業(yè)的規(guī)范對一些控制性指標能夠統(tǒng)一，這樣更便于使用和交流.

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