張宇輝， 徐　金

(中國民航大學(xué) 機場學(xué)院， 天津　300300)

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土石混填料應(yīng)力波試驗方法與工程應(yīng)用研究

張宇輝， 徐金

(中國民航大學(xué) 機場學(xué)院， 天津300300)

[摘要]針對砂土混填料和粘土混填料兩種土石混填材料，分別開展室內(nèi)小尺寸標(biāo)準(zhǔn)擊實剪切波測試試驗及大尺寸振動擊實剪切波測試試驗，采集不同含水率、不同含石量、不同干密度條件下混填料剪切波速相關(guān)數(shù)據(jù)。研究混填料剪切波速的變化規(guī)律，并通過二者試驗數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)合工程實例對試驗結(jié)果進(jìn)行精確性研究。結(jié)果表明：在現(xiàn)場施工質(zhì)量嚴(yán)格控制下，室內(nèi)大尺寸土石混填試件剪切波速測試與實際相對誤差約為約為0.25%，測試結(jié)果較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)離散性較小。而小尺寸土石混填試件剪切波速測試與實際相對誤差約為1.4%，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差，對現(xiàn)場土石混填地基剪切波速模擬試驗建議采用大尺寸振動壓實制備試件，但在缺乏大尺寸混填試件試驗條件時，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實剪切波速測試結(jié)果可據(jù)此誤差進(jìn)行調(diào)整。

[關(guān)鍵詞]土石混填材料； 剪切波速； 標(biāo)準(zhǔn)擊實； 室內(nèi)試驗

1概述

土石混填材料作為一種天然路堤填筑材料，具有壓實性能好、填筑密度大、抗剪強度高、就地取材方便等特點，早在上世紀(jì)70年代，就已開始應(yīng)用與我國中西部高原及地勢起伏較大地區(qū)的地基填筑工程中。近年來，隨著內(nèi)陸地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展及施工水平的提高，高原及地勢復(fù)雜地區(qū)的機場、鐵路、公路和超高層大荷載建筑設(shè)施日益增多。這些工程普遍具有場區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜、填方量巨大、氣候條件惡劣等特點，為保證填方地基的承載強度與穩(wěn)定性，其填方材料多采用當(dāng)?shù)厮槭c細(xì)粒土混合而成。土石混填地基的強度、穩(wěn)定性及受力特性直接與上部結(jié)構(gòu)安全緊密關(guān)聯(lián)，已成為目前研究的熱點問題。

目前對土石混填料的研究方法多為理論分析結(jié)合試驗研究，而試驗的方法主要分為兩種：實體試驗及仿真試驗。其中實體試驗又分為室內(nèi)試驗[1]與現(xiàn)場試驗。Bagherzadeh-Khalkhali等[2]采用室內(nèi)直剪試驗的方法研究級配對混填料內(nèi)摩擦角的影響。程展林等[3]通過室內(nèi)試驗研究，得出粗粒土強度特性與粒間作用及顆粒分布排列密切相關(guān)。高玉峰[4]、孔德志等[5]采用大型三軸剪切儀對土石混填料進(jìn)行室內(nèi)試驗，研究顆粒破碎與混填料壓實間相關(guān)關(guān)系。范喜安[6]、Mollon[7]通過數(shù)值模擬和計算機仿真的方法對土石混填料開展研究。除傳統(tǒng)的混填料參數(shù)試驗外，近年來隨著振動信號采集技術(shù)的發(fā)展，基于應(yīng)力波現(xiàn)場測試的便利性，許多學(xué)者對土石混填料開展應(yīng)力波[8-10]研究，以期通過應(yīng)力波計算評價混填料的力學(xué)性能。拾峰等[11，12]通過在現(xiàn)場進(jìn)行地基原位剪切波試驗研究，建立剪切波速與地質(zhì)沉積的關(guān)系模型。劉江平等[13]對地基壓實度開展瞬態(tài)瑞雷面波試驗研究，揭示了地基壓實度與剪切波速的相關(guān)關(guān)系。

由于土石混填料的顆粒分布特性，現(xiàn)有的土力學(xué)實驗儀器難以對工程現(xiàn)場的土石混填料進(jìn)行試驗。實驗室條件下，土石混填料的試驗主要有兩種，一為采用現(xiàn)有的細(xì)粒土試驗儀器進(jìn)行試驗，但需要依據(jù)儀器尺寸，對土石混填料中的碎石顆粒進(jìn)行等比例縮小；另一種則依據(jù)現(xiàn)場土石混填料的具體粒徑分布狀況，設(shè)計專門儀器進(jìn)行土石混填料試驗，此種儀器尺寸一般較大。對土石混填料的剪切波速測試研究在實驗室條件下分為兩類：針對尺寸較小試件，可采用自觸發(fā)式橫波傳感器測試材料剪切波速；當(dāng)試件尺寸較大時，采用機械式外觸發(fā)激發(fā)橫波，從而達(dá)到測試材料剪切波速的目的。為研究這兩種試驗方法的有效性，在實驗室設(shè)計小尺寸自觸發(fā)式剪切波速試驗及大尺寸外觸發(fā)剪切波速試驗，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，全面評估這兩種試驗方法的優(yōu)劣。

2試驗設(shè)計

分別設(shè)計小尺寸自觸發(fā)式剪切波速試驗與大尺寸外觸發(fā)剪切波速試驗。其中小尺寸自觸發(fā)式剪切波速試驗采用150 mm標(biāo)準(zhǔn)擊實試筒試驗，對土石混填料進(jìn)行擊實處理。剪切波測試采用GJY-1工程測試儀，將橫波傳感器置于擊實試件的兩端，保證其和試件進(jìn)行充分接觸，特殊情況下可使用黃油或凡士林充當(dāng)耦合劑，進(jìn)行首至剪切波時間的讀取，在已知壓實試件長度的條件下，可據(jù)此計算剪切波速。剪切波激發(fā)方式采用自觸發(fā)，具體試驗裝置見圖1。

大尺寸外觸發(fā)剪切波速試驗采用自制土石混填大型振動擊實儀進(jìn)行試樣制備[14]，見圖2，試桶規(guī)格500 mm×1 000 mm，激振頻率50 Hz，激振力5.4～9.6 kN，擊錘靜重380.7 kg，剪切波測試采用橫波傳感器接通GJY-1工程測試儀進(jìn)行采集。剪切波速測試時，將兩個傳感器探頭分別置于試件上下兩端，在試件上表面放置方形木塊，輕壓木塊以使木塊與試件上表面間具有一定的摩擦系數(shù)，通過側(cè)擊木塊產(chǎn)生剪切波，試樣上下兩端同時采集，并通過首至波計算方法處理相關(guān)數(shù)據(jù)，得出剪切波速。

圖1　小尺寸混填料擊實試驗儀Figure 1　Small experimental instrument of mixture compaction

圖2　大尺寸混填料擊實試驗儀Figure 2　Large experimental instrument of mixture compaction

測試土樣分別為：砂土，含砂量94.05%，其中粗砂10.26%，中砂44.71%，細(xì)沙38.63%，最佳含水率10.69%，最大干密度1.93 g/cm3；粘土，ωL=45.12%，IP=18.68，最佳含水率13.28%，最大干密度2.01 g/cm3。石料采用天津薊縣大青石，剪切波速1 873～2 058 m/s，中心值為1 969 m/s，碎石料顆粒最大粒徑在標(biāo)準(zhǔn)擊實中40 mm，在振動擊實中80 mm。試樣方法采用9個含石量與6個含水率進(jìn)行正交制備不同條件土石混填料壓實試件，并對其進(jìn)行不同壓實度擊實，選取6個不同密實程度試件，分別進(jìn)行小尺寸和大尺寸混填料剪切波速測試試驗，對其剪切波速試驗結(jié)果進(jìn)行分析。其中含石量為35%～75%，并以5%遞增，而含水量配備為4%～22.5%之間。

3混填料剪切波速影響分析

混填料剪切波速受混填料含石量、含水率、干密度等多種因素的共同影響，任何一個因素的變化都將導(dǎo)致剪切波速的變化[15，16]。圖3中列出了砂土混填料不同含石量、不同含水率、不同干密度時剪切波速部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線。從中分析可看出，混填料剪切波速主要由碎石料剪切波速與細(xì)粒土剪切波速兩部分影響。當(dāng)混填料中含石量較少時，混填料表現(xiàn)為細(xì)粒土特性，其剪切波速變化規(guī)律類似細(xì)粒土剪切波速變化規(guī)律。當(dāng)混填料中含石量較大時，混填料中碎石料增多，隨混填料干密度的增大，混填料中細(xì)粒土干密度增大，混填料整體剪切波速增大，但因細(xì)粒土含量較少，所以增大幅度不明顯。整體來看，由于石料剪切波速的貢獻(xiàn)作用，混填料剪切波速隨含石量的增大而增大；由于混填料密實程度的不同及細(xì)粒土的壓縮，混填料剪切波速隨干密度的增大而增大；當(dāng)混填料干密度固定，則由于剪切波速不能在水中傳播的特性，混填料剪切波速隨含水率的增大而降低。

圖3　混填料及細(xì)粒土剪切波速曲線圖Figure 3　The shear wave velocity curves of soil and mixture

4試件尺寸對剪切波速試驗結(jié)果影響分析

在對土石混填料剪切波速影響因素分析的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步對其變化規(guī)律進(jìn)行量化分析，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合處理。小桶標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗與大桶振動擊實試驗分別研究了6個含水率、9個含石量的正交試件在6個干密度下的剪切波速變化情況，每種試驗得出數(shù)據(jù)324組，共648組。依據(jù)固定含水率、固定含石量條件下，剪切波速隨干密度的變化曲線進(jìn)行非線性分析，采用不同擬合方式進(jìn)行擬合，并分析其相關(guān)系數(shù)，表1中列出了兩種混填材料在不同擬合方式下的相關(guān)系數(shù)平均值。

從表1可看出：土石混填料的剪切波速與干密度之間的相關(guān)性擬合采用指數(shù)趨勢描述時相關(guān)系數(shù)最大。表中多項式擬合采用的是二次多項式，其個別項相關(guān)指數(shù)大于指數(shù)形式，且當(dāng)采用三次或三次以上多項式擬合時，其相關(guān)系數(shù)會進(jìn)一步增大，擬合精確程度更高，甚至大于指數(shù)擬合。但是在某些情況下其曲線變化趨勢會與剪切波速的增長規(guī)律相悖。一般而言，材料剪切剛度隨著混填料干密度的不斷增大而增加，則依據(jù)下式：

(1)

式中：G為混填料剪切模量，ρ為混填料密度。當(dāng)材料剪切剛度增大時，混填料的剪切波速隨之增大，而采用多次多項式曲線時，在某些含石量與含水率條件下，隨干密度的增大剪切波速出現(xiàn)降低，而這與實際情況不符，所以舍棄多項式擬合。在確定混填料剪切波速隨干密度的變化符合指數(shù)規(guī)律后，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行指數(shù)曲線擬合分析，將砂土混填料與粘土混填料試驗數(shù)據(jù)指數(shù)擬合相關(guān)系數(shù)按含水率進(jìn)行平均，并按含石量不同匯入曲線圖，如圖4所示。

表1 剪切波速-干密度擬合相關(guān)系數(shù)平均值Table1 Theaverageoffittingcorrelationcoefficientbetweenshearwavevelocityanddrydensity混填料試驗方式擬合曲線數(shù)擬合方式指數(shù)二次多項式冪函數(shù)對數(shù)線性砂混標(biāo)準(zhǔn)擊實540.9400.9090.9120.8970.893振動擊實540.9630.9560.9430.9140.916粘混標(biāo)準(zhǔn)擊實540.9550.9580.8900.8180.908振動擊實540.9700.9670.9100.8880.909平均值0.9570.9480.9140.8790.907

圖4　不同試驗方法混填料剪切波速折線圖Figure 4　The line chart of shear wave velocity in 　mixture with different experiment method

從圖4中可看出：大尺寸振動壓實試驗數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)整體較高，說明振動壓實試驗數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，且離散性較小。分析其原因為： ①雖然大尺寸振動試驗中碎石料最大粒徑大于擊實試驗，但由于振動擊實試筒的尺寸擴大，混填料整體質(zhì)量相應(yīng)增多，對混填料試件而言，其內(nèi)部土石顆粒分布比小尺寸試筒內(nèi)更易均勻混合。這一特點在含石量較大時尤為明顯。且當(dāng)含石量較大時，即使試驗碎石尺寸較小，但碎石顆粒多，混填料試件不易壓實，剪切波速測試精度不足。 ②標(biāo)準(zhǔn)擊實通過錘擊方法擊實混填料，而振動壓實通過連續(xù)高密度的振動錘擊方法達(dá)到壓實混填料的效果，根據(jù)微觀顆粒振動更易填充性的理論，振動方法更易將混填料進(jìn)行壓實，且壓實效果較均勻。

5工程實例

云南某土石混填工程段選取500 m距離進(jìn)行現(xiàn)場剪切波速測試試驗，試驗段土體為紅粘土，石料就近運輸?，F(xiàn)場剪切波速測試采用打孔測試的方式進(jìn)行，測點間距50 m，測試點數(shù)10?，F(xiàn)場開挖測得混填料含水率為23.6%，含石量為75%，取相關(guān)碎石料及細(xì)粒土在實驗室配置含石量75%、含水率23.6%土石混填試件，并分別進(jìn)行實驗室小尺寸試件剪切波試驗及大尺寸振動擊實剪切波試驗，每種試驗方法測試試件10個。其中小尺寸標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗中碎石粒徑采取對應(yīng)振動擊實試桶同比例縮小。實驗室測試時采集現(xiàn)場干密度左右誤差5%范圍內(nèi)的兩個干密度值所對應(yīng)剪切波速，通過差值計算現(xiàn)場干密度數(shù)值處所對應(yīng)剪切波速試驗數(shù)值。分析試驗數(shù)據(jù)，并繪制對比圖，見圖5。

圖5　工程實際剪切波測試結(jié)果對比圖Figure 5　Contrast figure of shear wave velocity 　test in actual project

如圖5所示：小尺寸土石混填試件剪切波試驗中雖然采用了粒徑同比縮小的方法，但其剪切波速數(shù)據(jù)浮動幅度最大，分析三組數(shù)據(jù)可得：現(xiàn)場測試波速平均值780 m/s，均方差為10.6；大尺寸剪切波試驗波速平均值為782 m/s，均方差為4.9；小尺寸剪切波試驗波速平均值為769 m/s，均方差為19.6。則可得實驗室條件下土石混填料剪切波測試宜采用大尺寸混填料試件試驗，其對工程實際模擬相對誤差較小，約為0.25%，且數(shù)據(jù)波動較穩(wěn)定；當(dāng)采用小尺寸土石混填試件剪切波試驗時，其對工程實際相對誤差約為1.4%，且數(shù)據(jù)浮動較大，論文中為配合室內(nèi)試驗，現(xiàn)場試驗段從回填至碾壓均嚴(yán)格控制質(zhì)量，實際工程中此誤差還會有變大情況。

6結(jié)論

本文針對砂土混填料和粘土混填料兩種材料分別開展小尺寸標(biāo)準(zhǔn)擊實剪切波測試試驗及大尺寸振動擊實剪切波測試試驗，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并結(jié)合工程實例研究，得出以下結(jié)論：

① 混填料剪切波速隨含石量的增大而增大；隨干密度的增大而增大；當(dāng)混填料干密度固定，混填料剪切波速隨含水率的增大而降低。

② 大尺寸剪切波測試結(jié)果較穩(wěn)定，數(shù)據(jù)離散性較小。對現(xiàn)場土石混填地基剪切波速模擬試驗建議采用大尺寸振動壓實制備試件。

③ 在現(xiàn)場施工質(zhì)量嚴(yán)格控制下，室內(nèi)大尺寸土石混填試件剪切波速測試與實際誤差約為約為0.25%。而小尺寸土石混填試件剪切波速測試與實際誤差約為1.4%，在缺乏大尺寸混填試件試驗條件時，室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)擊實剪切波速測試結(jié)果可據(jù)此誤差進(jìn)行調(diào)整。

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Study on Test Method for Stress Wave of Soil-stone Mixture and Engineering Application

ZHANG Yuhui， XU Jin

(School of Airport， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China)

[Abstract]The shear wave test of small size mixture with standard compaction and the shear wave test of large size mixture with vibration compaction were conducted with sandy soil-stone mixture and clay soil-stone mixture.The data of shear wave velocity of mixture was collected in different water content，different stone content and different dry density.The change rule of shear wave velocity of mixture was revealed.By comparative analyzing of two kinds of test data and the studying of project example，the precision of test results were analyzed.The results show that the relative error between shear wave test data of large size mixture and actual one was 0.25%，the test results’stability was better and the dispersion was smaller.the relative error between shear wave test data of small size mixture and actual one was 1.4%，and the test results’stability was poor.The high precision of simulation test of shear wave velocity in field soil-stone foundation could be obtained by shear wave test of large size mixture.And the results of shear wave test with small size mixture could be changed upon this relative error.

[Key words]soil-stone mixture； shear-wave velocity； standard compaction； laboratory test

[中圖分類號]U 416.1+1

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0015-05

[作者簡介]張宇輝(1984-)，男，山西呂梁人，博士，講師，主要從事巖石工程測試技術(shù)方面的研究工作。

[基金項目]中央高?？蒲谢痦椖?3122014D028)；博士科研啟動項目(2012QD24x)

[收稿日期]2014-10-16