CN102121245A - 一种测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适合于土石坝筑坝现场测定原级配粗粒料极值干密度的方法，其中测量原级配粗粒筑坝材料极值干密度的方法为：基于重型振动碾振动压实能量传递机理和筑坝现场摊铺碾压试验，测定原级配粗粒筑坝材料的极值干密度，进而根据设计干密度，计算相对密度；本发明基于现场振动碾压实坝体的输入能量机理，推求出原级配粗粒筑坝料在给定施工碾压条件下的极值干密度，使得采用相对密度指标控制原级配粗粒筑坝材料的压实特性得以实现，为土石坝现场压实质量控制提供可行的方法。

Description

一种测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法

技术领域

本发明属于水利水电行业的土石坝筑坝技术领域，涉及土石坝填筑指标与填筑质量评价问题，特别涉及采用重型振动碾压实技术的原级配粗粒筑坝体最大干密度的测量方法。

背景技术

随着上世纪50年代重型振动碾压实技术的出现，筑坝粗粒料级配范围更为宽泛(最大控制粒径d_max≤1.2m)，使得压实的堆石或砂砾料具有较高的强度和变形模量，导致现代碾压式高土石坝得到了快速发展。

对于无粘性且能自由排水的砂性土的压实，土力学之父Terzaghi先生早在1943年就提出应该以相对密度进行控制，以评价土体的松紧程度与压实质量，这一观点已广为采纳。对于我国土石坝的实践，早期如大伙房、碧口等工程采用了相对密度作为压实质量的设计控制标准，鉴于粗粒料的压实对于整个大坝安全至关重要，我国土石坝设计建设的行业规范《水工建筑物抗震设计规范(DL5073-2000)》第5.2.8条款、《碾压式土石坝设计规范(SL274-2001)》第4.2.5条款、《混凝土面板堆石坝设计规范(DL/T 5016-1999)》第6.4条款，都明文规定了对应相对密度的控制标准。

尽管采用相对密度控制大坝填筑质量已被我国土石坝相关规范所采用，但是由于筑坝粗粒料超大粒径颗粒的存在，致使相对密度指标的使用却出现了问题。众所周知，采用现代重型振动碾压技术填筑的土石坝，如碧口、小浪底、天生桥、水布垭等工程筑坝粗粒料的最大粒径达1.0m左右，而《水利水电工程粗粒土试验规程(DL/T 5356-2006)》规定室内干密度极值试验最大粒径一般为60mm，必须对原级配粗粒料进行缩尺，其干密度的缩尺效应以及室内试验方法与现场实际碾压技术之间的差异，使得室内试验实测最大干密度(指标密度)偏低，R.J.Stepenson对Carters坝、Editors Ronald对Cougar坝进行室内试验研究，发现其最大干密度均低于现场压实的填筑密度，计算相对密度值大于1，这种现象在国内天生桥、那兰等工程也得到验证，使得土石坝粗粒料填筑质量无法采用相对密度控制。为此，史彦文等人根据小粒径组不同粒径粗粒料的室内相对密度试验成果，采用Humphrety公式法、模型级配系列延伸法等不同方法进行外推原级配的最大干密度，由于没有解决粗粒料级配缩尺带来的干密度缩尺效应等实质问题，实际工程应用难以推广。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是为了避免粗粒筑坝材料室内相对密度试验缩尺效应的偏差，提供一种测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法，首先基于重型振动碾振动压实原理和筑坝现场摊铺碾压试验，测定粗粒料极值干密度；然后根据设计干密度，求取相对密度；具体步骤为：

步骤A，最小干密度的测定：

在摊铺碾压试验场地或筑坝现场，对需要碾压的粗粒筑坝材料进行摊铺整平，在表面布置m个测点，用灌水法测定待碾压的粗粒筑坝材料各测点对应的最小干密度ρ_d min i，确定平均最小干密度ρ_d min值：

${\mathrm{\ρ}}_{d\min }=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{d\min i};$ m为自然数；

步骤B，振动碾压实能量的测定；

B-1，求出振动碾传递给筑坝粗粒料表面的压实能量，即振动碾行驶一遍给予单位面积粗粒土层的能量：

$E=[2W+F(\cos \mathrm{\α}+\mathrm{\α}\sin \mathrm{\α})]\·\frac{\mathrm{fA}}{\mathrm{vB}}$

式中：W、F分别为振动滚轮的静重和激振力，单位为N；f是振动碾的振动频率，单位为Hz；A、B分别为滚轮的振幅和宽度，单位为cm；v是振动碾行驶的速度，单位为cm/s；α是相位角差；

B-2，碾压层的平均能量；

根据振动碾压时的实测垂直动应力的衰减特性，求得能量衰减规律；基于第B-1步计算的振动碾给予筑坝粗粒料表面的压实能量，求得碾压层的平均能量

h为铺摊厚度；若碾压了n遍，则每层面平均输入总能量为：

n为自然数；

B-3，不同碾压遍数下粗粒筑坝材料干密度的测定；

在振动碾不同的碾压遍数下，在粗粒筑坝材料碾压层布置m个测点，用灌水法测定碾压的粗粒筑坝材料各测点对应的干密度ρ_dn，确定不同碾压遍数n下被压实粗粒土体的干密度ρ_dn值；

B-4，最大干密度的确定；

根据计算的不同碾压遍数n下振动碾输入碾压层有效压实的平均能量

绘出

曲线，对数据进行拟合确定粗粒筑坝材料的极值干密度ρ_d max；并对B-1步测定的最小干密度进行复核；

B-5，相对密度的确定；

根据设计干密度值，与前述步骤所测得的最大和最小干密度，采用下式，求出原级配粗粒筑坝材料的相对密度；

$D_r=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max }({\mathrm{\ρ}}_d-{\mathrm{\ρ}}_{d\min })}{{\mathrm{\ρ}}_d({\mathrm{\ρ}}_{d\max }-{\mathrm{\ρ}}_{d\min })}---\left(10\right)$

式中：ρ_d为粗粒筑坝材料的设计干密度；

ρ_dmax为粗粒筑坝材料的最大干密度；

ρ_dmin为粗粒筑坝材料的最小干密度。

进一步的，前述测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法，振动碾压时的实测垂直动应力的衰减特性包括振动压实下垂直动应力的衰减规律的测定、能量衰减规律的确定、衰减系数b的确定。

本发明采用以上技术方案具有以下技术效果：

本发明基于现场振动碾压实坝体的输入能量机理，推求出原级配粗粒筑坝料在给定施工碾压条件下的极值干密度，使得采用相对密度指标控制原级配粗粒筑坝材料的压实特性得以实现，为土石坝现场压实质量控制提供可行的方法。

附图说明

图1是粗粒料垂振式振动碾压实示意图；

图2是振动碾压实做功时程分析图；

图3是振动碾压土体动应力σ_d沿层深X的衰减关系示意图；

图4是振动碾压土体输入能量衰减指数c随碾轮重W的变化关系示意图；

图5是本发明的求解最大干密度的

曲线示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种适合测定原级配粗粒筑坝材料极值干密度的方法，具体方法是基于重型振动碾振动压实原理和筑坝现场摊铺碾压试验，测定粗粒料极值干密度，进而根据设计干密度计算相对密度；其步骤说明如下：

1.最小干密度的测定

在摊铺碾压试验场地或筑坝现场，对需要碾压的粗粒筑坝材料进行摊铺整平，在表面布置m个测点，用灌水法测定待碾压的粗粒筑坝材料各测点对应的最小干密度ρ_d mini，确定平均最小干密度

值。

2.振动碾压实能量的确定

①振动碾传递给碾压粗粒筑坝材料层面的压实能量

在碾压过程中，振动碾给填土表面施加一种快速而连续的冲击(见图1)，每次冲击在碾压坝体中形成一个压力波，使得土颗粒随振而趋于密实。目前普遍使用的垂振式振动碾压实粗粒材料时，其作用于压实结构的合力为：

$P=W+F\sin \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t---\left(1\right)$

式中，W为振动碾碾轮净重，F为碾轮激振力极值，

为激振频率。

考虑粗粒料的阻尼影响，根据结构动力学，动位移δ有：

$\mathrm{\δ}+2\mathrm{\λ\ω\δ}+{\mathrm{\ω}}^2\mathrm{\δ}=\frac{F\sin \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t}{m}---\left(2\right)$

其中λ为结构阻尼比，此微分方程的解为：

$\mathrm{\δ}\left(t\right)=e^{-\mathrm{\λ\ωt}}(c_1\sin {\mathrm{\ω}}^{\′}t+c_2\cos {\mathrm{\ω}}^{\′}t)+A\sin \left(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\text{t-\α}\right)---\left(3\right)$

式中： $A=\frac{F}{m\sqrt{({\mathrm{\ω}}^2-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}^2)+4{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}^2{\mathrm{\λ}}^2{\mathrm{\ω}}^2}},$ $\mathrm{\α}=\arctan \frac{2\mathrm{\λ\ω\θ}}{{\mathrm{\ω}}^2-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}^2}---\left(4\right)$

式(3)前两项由自由振动产生，含有衰减因子e^-λωt，只在振动开始时很短的时间内有贡献，实际振动碾碾压时可不考虑，因此将竖向位移和速度简写为：

$x=A\sin (\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t-\mathrm{\α}),$ $x=A\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\cos (\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t-\mathrm{\α})---\left(5\right)$

考虑到只有当激振力与自重合力向下的时段才对粗粒材料有压实作用(参见图2)，在一个振动周期内，振动碾激振力和滚轮静重给予粗粒料的压实能量为：

式中：A为振幅，由振动碾参数给出；ω为粗粒材料自振频率；α是相位角差，是由于粗粒料阻尼作用，其振动位移响应滞后于激振力引起的。

振动碾行驶一遍，给予单位面积粗粒土层的能量为：

$E=E_0\·\frac{t}{T}\·\frac{1}{\mathrm{BL}}=[2W+F(\cos \mathrm{\α}+\mathrm{\α}\sin \mathrm{\α})]\·\frac{\mathrm{fA}}{\mathrm{vB}}---\left(7\right)$

式中，W、F分别为振动滚轮的静重和激振力，单位为N；f是振动碾的振动频率，单位为Hz；A、B分别为滚轮的振幅和宽度，单位为cm；v是振动碾行驶的速度，单位为cm/s，T代表振动碾的振动周期，L代表单位时间T内滚轮的行驶距离。

②碾压层的平均能量

根据式(7)可计算振动碾传递到筑坝粗粒料的振动压实能量，考虑到实际工程现场碾压试验密度检测开挖的探坑中，都有不同程度的上紧下松现象，说明振动碾产生的压力波沿碾压堆石层的厚度方向发生了衰减。故每碾压一遍，其铺摊厚度内的平均能量为：

$\stackrel{\‾}{E}={\∫}_0^{h}E\left(x\right)\mathrm{dx}---\left(8\right)$

式中：h为铺摊厚度。

若碾压了n遍，则每层面平均输入总能量为： ${\stackrel{\‾}{E}}^{\′}=n\stackrel{\‾}{E}---\left(9\right)$

3.最大干密度的确定

对于不同碾压遍数的粗粒筑坝材料，在表面事先布置m个测点，用灌水法测定碾压n遍后土体各测点对应的干密度ρ_dni，确定当碾压遍数为n时的干密度值

根据式(9)计算不同碾压遍数下振动碾输入的平均总能量

与对应的实测干密度，绘制

关系图，对数据进行拟合。

根据

时确定粗粒筑坝材料的最小干密度ρ_dmin，并与前述第1步测定值校对；根据时确定粗粒筑坝材料的最大干密度ρ_dmax。

4.相对密度的确定

根据所测得的最大和最小干密度，求出相对密度：

$D_r=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max }({\mathrm{\ρ}}_d-{\mathrm{\ρ}}_{d\min })}{{\mathrm{\ρ}}_d({\mathrm{\ρ}}_{d\max }-{\mathrm{\ρ}}_{d\min })}---\left(10\right)$

式中：ρ_d为粗粒筑坝材料的设计干密度；

ρ_dmax为粗粒筑坝材料的最大干密度；

ρ_dmin为粗粒筑坝材料的最小干密度。

以下的某工程实例将对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不受这些实例的限制。

实施案例

本实施案例使用了YZT16振动碾进行碾压试验，具体参数见表1。

表1

1.在摊铺碾压试验场地，对需要碾压的粗粒筑坝材料进行摊铺整平，用灌水法测定平均最小干密度ρ_dmin为1.783g/cm³。

2.根据式(4)，当

近似等于ω时，α＝π/2，此时结构出现共振，粗粒土层获得最佳的振实效果，则由式(7)得到振动碾行驶一遍给予单位面积粗粒土层的能量计算公式简化为：

$E=E_0\·\frac{t}{T}\·\frac{1}{\mathrm{BL}}=[2W+\frac{\mathrm{\π}}{2}F]\·\frac{\mathrm{fA}}{\mathrm{vB}}---\left(11\right)$

根据表1所示YZT16型号振动碾参数和式(11)求出振动碾碾压一遍给予单位面积粗粒土层的能量为256.34(N·cm/cm²)。

3.参照碾轮静重1.4t、3.3t和13t的振动碾碾压土体时所测得不同埋置深度的垂直动应力大小，得到其衰减规律见图3所示，可由σ_dx＝σ_d0·e^-cx表示。静重为1.4t、3.3t和13t的振动碾碾压下垂直动应力的衰减指数c分别为0.0555、0.0487以及0.0177，拟合动应力衰减指数c随碾轮静重W的变化规律(见图4)为c＝0.064e^-0.0973W，可求出YZT16振动碾的动应力衰减指数c为0.01349。一般振动碾振动过程中动位移与动应力具有一致的衰减规律，故振动压实能量沿层深也可认为按指数规律衰减，其衰减指数为动应力衰减指数c的2倍。对应的能量衰减指数b为2c即0.02698。由式(8)求出对应不同厚度碾压粗粒土体的平均能量见表2。

表2

4.用灌水法测出碾压遍数为n时粗粒筑坝材料的干密度ρ_dn，见表3。

5.根据不同碾压遍数下粗粒筑坝材料的实测干密度和振动碾输入的平均能量采用双曲线可较好地拟合之间的关系(见图5)：

${\mathrm{\ρ}}_d={\stackrel{\‾}{E}}^{\′}/(495.76+1.53{\stackrel{\‾}{E}}^{\′})+1.78---\left(12\right)$

根据式(12)，当输入能量趋于无穷时，粗粒料干密度接近于双曲线的渐进线值，为最大干密度的估算值即2.43g/cm³；当输入能量为0时为最小干密度即1.78g/cm³，与步骤1的实测值接近。

6.根据所测得的最大和最小干密度，按式(10)既可求出原级配粗粒料的相对密度D_r。

Claims (2)

1.一种测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法，其特征在于：首先基于重型振动碾振动压实原理和筑坝现场摊铺碾压试验，测定粗粒料极值干密度；然后根据设计干密度，求取相对密度；具体步骤为：

步骤A，最小干密度的测定：

在摊铺碾压试验场地或筑坝现场，对需要碾压的粗粒筑坝材料进行摊铺整平，在表面布置m个测点，用灌水法测定待碾压的粗粒筑坝材料各测点对应的最小干密度ρ_d min i，确定平均最小干密度ρ_dmin值：

${\mathrm{\ρ}}_{d\min }=\frac{1}{m}\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ρ}}_{d\min i};$ m为自然数；

步骤B，振动碾压实能量的测定；

B-1，求出振动碾传递给筑坝粗粒料表面的压实能量，即振动碾行驶一遍给予单位面积粗粒土层的能量：

$E=[2W+F(\cos \mathrm{\α}+\mathrm{\α}\sin \mathrm{\α})]\·\frac{\mathrm{fA}}{\mathrm{vB}}$

式中：W、F分别为振动滚轮的静重和激振力，单位为N；f是振动碾的振动频率，单位为Hz；A、B分别为滚轮的振幅和宽度，单位为cm；v是振动碾行驶的速度，单位为cm/s；α是相位角差；

B-2，碾压层的平均能量；

根据振动碾压时的实测垂直动应力的衰减特性，求得能量衰减规律；基于第B-1步计算的振动碾给予筑坝粗粒料表面的压实能量，求得碾压层的平均能量

h为铺摊厚度；若碾压了n遍，则每层面平均输入总能量为：

${\stackrel{\‾}{E}}^{\′}=n\stackrel{\‾}{E};$ n为自然数；

B-3，不同碾压遍数下粗粒筑坝材料干密度的测定；

在振动碾不同的碾压遍数下，在粗粒筑坝材料碾压层布置m个测点，用灌水法测定碾压的粗粒筑坝材料各测点对应的干密度ρ_dn，确定不同碾压遍数n下被压实粗粒土体的干密度ρ_dn值；

B-4，最大干密度的确定；

根据计算的不同碾压遍数n下振动碾输入碾压层有效压实的平均能量

绘出

曲线，对数据进行拟合确定粗粒筑坝材料的极值干密度ρ_dmax；并对B-1步测定的最小干密度进行复核；

B-5，相对密度的确定；

根据设计干密度值，与前述步骤所测得的最大和最小干密度，采用下式，求出原级配粗粒筑坝材料的相对密度；

$D_r=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max }({\mathrm{\ρ}}_d-{\mathrm{\ρ}}_{d\min })}{{\mathrm{\ρ}}_d({\mathrm{\ρ}}_{d\max }-{\mathrm{\ρ}}_{d\min })}---\left(10\right)$

式中：ρ_d为粗粒筑坝材料的设计干密度；

ρ_d max为粗粒筑坝材料的最大干密度；

ρ_d min为粗粒筑坝材料的最小干密度。

2.根据权利要求1所述的一种测定原级配粗粒筑坝材料相对密度的方法，其特征在于：振动碾压时的实测垂直动应力的衰减特性包括振动压实下垂直动应力的衰减规律的测定、能量衰减规律的确定、衰减系数b的确定。

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