CN102393347B - 一种粗颗粒土填料土体结构类型的测定方法 - Google Patents

Abstract

一种粗颗粒土填料土体结构类型的测定方法，旨在准确测定粗颗粒土的土体结构类型。该方法通过小到大依次逐渐剔除试样中的颗粒，并比较剩余颗粒在压实后原试样中的密度与相应的剩余粒径范围颗粒的最大干密度的大小，首先得到土体中相互紧密接触形成受力骨架的颗粒的粒径范围。若土体中整个粒径范围颗粒都是受力骨架颗粒，则土体就是悬浮密实结构；若土体中一部分颗粒相互紧密接触形成受力骨架，其余部分颗粒填充到受力骨架颗粒的间隙中，土体就是骨架结构，其中若起填充作用的颗粒在受力骨架颗粒的间隙中的密度等于其最大干密度，土体就是骨架密实结构，反之，若起填充作用的颗粒在受力骨架颗粒的间隙中的密度小于其最大干密度，土体就是骨架孔隙结构。

Description

一种粗颗粒土填料土体结构类型的测定方法

技术领域

本发明涉及土工试验技术领域，特别涉及一种粗颗粒土填料土体结构类型的确定方法。

背景技术

压实后的粗颗粒土填料具有三种典型的土体结构类型：一种是土体中小颗粒占主要，大颗粒悬浮在小颗粒中，即悬浮密实结构；第二种是土体中大颗粒之间相互紧密接触，能形成稳定的骨架，而小颗粒又恰好能密实地填充满大颗粒之间的间隙，即骨架密实结构；第三种是土体中大颗粒含量较多，以致小颗粒的含量不足以填充满大颗粒之间的间隙，即骨架孔隙结构。粗颗粒土的土体结构类型不同，其工程特性表现出明显的差异。大量的研究和工程实践表明：悬浮密实结构由于细颗粒占主导，其抗剪强度和抗变形能力都相对较低，但具有较好的防渗性能；骨架密实结构由于既有较多数量的大颗粒形成受力骨架，同时又有相当数量的小颗粒可填密骨架的间隙，因而不仅具有较高的抗剪强度和抗变形能力，同时还具备一定的防渗能力；骨架孔隙结构的大颗粒数量较多能形成受力骨架，而小颗粒含量较少不足以填充满骨架间隙，因而有很好的渗透性能，同时也表现出良好的抗剪强度和抗变形能力。

实际工程中常常根据不同的功能要求，设计或选择具有不同土体结构类型的粗颗粒土作为路基填料。如为保证高速铁路无砟轨道路基基床在列车动荷载作用下的长期稳定性，不发生明显的塑性累积变形，所选用或设计出的粗颗粒土填料的土体结构类型应该为骨架密实结构或骨架孔隙结构，若选择或设计出的粗颗粒土填料，经压实后的土体结构类型是悬浮密实结构，在长期的列车动荷载作用下，就会产生过大的塑性累积变形，影响轨道的平顺性，从而影响列车高速运行时的平稳性，严重时还可能会威胁到行车安全；严寒地区的公路路基路面结构的底基层及路床等有抗冻性能的要求，需保证结构层具有较强的排水能力，土体结构应为骨架孔隙结构，若采用的填料在压实后的土体结构渗水能力较弱，就会发生冻害现象；而对于工程要求具有防渗功能的土工结构层，其土体结构就应该选用悬浮密实结构。可见，准确地判别所选用或设计的粗颗粒土填料的土体结构类型至关重要。

现有公开的土体结构类型测定方法，不同行业的测定方法也不同。公路沥青路面集料配合比设计方法中，通常以某个固定粒径为界限粒径（4.75mm或2.36mm），将颗粒分为粗颗粒与细颗粒两部分，并认为粗颗粒主要起骨架作用，细颗粒起填充作用，然后比较紧装粗颗粒骨架的间隙率VCA_DRC或松装粗颗粒骨架的间隙率VCA_DLC和填料中粗颗粒之间的间隙率VCA_mix，若VCA_mix＞VCA_DLC，表明粗颗粒在填料中彼此不能相互接触，处于“悬浮”状态，则沥青混合料属于悬浮密实结构，若VCA_DRC≤VCA_mix≤VCA_DLC，表明粗颗粒在填料中能相互接触形成受力骨架，则沥青混合料为骨架结构；这种以固定粒径作为填充颗粒与骨架颗粒之间的分界粒径的方法仅能判断大于该固定粒径的颗粒是否已经形成受力骨架，并不能确定那些颗粒是真正意义上的受力骨架，若填料的真实骨架颗粒中有粒径小于该固定粒径的颗粒，采用该判别方法就会得到错误的结论，如某粗颗粒填料压实后粒径大于1.18mm的颗粒之间相互紧密接触形成了稳定的受力骨架（即土体结构类型为骨架结构），则填料中粒径大于4.75mm或2.36mm的粗颗粒在填料中必然处于彼此不能相互紧密接触的“悬浮”或“疏松”接触状态，即该粒径范围颗粒没有形成稳定的受力骨架，若采用上述的土体结构类型判别方法，就会得到该土体结构类型是悬浮密实结构的错误结论。水利工程通常将5mm作为骨架颗粒与非骨架颗粒（填充颗粒）的界限粒径，用P₅表示粒径大于5mm颗粒的含量，并认为当P₅为70%左右时，骨架颗粒能形成骨架，填充颗粒又恰好能填充满骨架间隙，土体是骨架密实结构；当P₅大于70%后，填充颗粒不足以填充满骨架间隙，土体就是骨架孔隙结构；当P₅低于70%时，由于填充颗粒含量较多，撑开了土体骨架，土体就是悬浮结构；这种以P₅含量作为土体结构类型的判别方式，是一种经验性的方法，缺乏试验依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种粗颗粒土填料土体结构类型的测定方法，该方法能准确测定粗颗粒土的土体结构类型，而且操作简便。

本发明实现解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的一种粗颗粒土土体结构类型的测定方法，包括如下步骤：

①对填料试样进行颗粒粒径分组，填料试样的颗粒粒径分组由最大粒径D_max开始依次递减进行划分，宜保证每个粒径组的最小粒径D_i-1和最大粒径D_i的比值D_i-1/D_i不应小于0.5，不宜大于0.75，最小一级粒径组的最大粒径为D₁，最小粒径为D₀=D_min，若填料试样中有小于0.075mm的颗粒，则D₁＝0.075mm，D₀＝0；

②确定填料试样的级配和最大干密度，通过筛分试验得到填料试样中各粒径组的颗粒质量占总质量的百分比，由粗颗粒土的最大干密度试验得到填料试样的最大干密度ρ_dmax；

③剔除填料试样中最小一级粒径组即粒径范围为(D₀,D₁)的颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为(D₁,D_max)颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,p1；

④确定粒径范围为(D₁,D_max)的颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,p1，ρ_fmax,p1由公式(1)计算得到：

ρ_fmax,pi＝ρ_dmax×p_i

                                            (1)

式中：i为剔除剩余颗粒试样最小一级粒径组的循环次数，首次剔除时取1；ρ_fmax,pi为第i次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干分布密度；p_i是粒径范围为(D_i,D_max)的颗粒在填料试样中所占的质量百分比，由步骤(2)的筛分试验得到；

⑤计算ρ_dmax,p1与ρ_fmax,p1之间的差值百分比β₁，β₁由公式(2)计算得到：

${\mathrm{\β}}_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,\mathrm{pi}}-{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,\mathrm{pi}}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,\mathrm{pi}}}\×100\%---\left(2\right)$

式中：ρ_dmax,pi为第i次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干密度；

⑥若β₁＞3%，则填料土体结构就是悬浮密实结构，试验结束；若β₁≤3%，则填料土体结构为骨架结构，继续下一步骤；

⑦确定骨架颗粒的粒径范围：重复步骤③～⑤继续剔除剩余颗粒试样中的最小一级粒径组即粒径范围为(D_i-1,D_i)颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为(D_i,D_max)颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,pi，由公式(1)计算得到对应的ρ_fmax,pi，最后通过公式(2)计算得到β_i；若β_i≤3%，还需继续重复步骤③～⑤，直到β_i＝j＞3%，即得骨架颗粒的粒径范围为（D_j-1,D_max）、填充颗粒的粒径范围为(D₀，D_j-1)，停止剔除颗粒，继续下一步骤；

⑧计算填料试样为最大干密度状态时，填料试样中骨架颗粒之间的间隙率V_min,p(j-1)及填充颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,r(j-1)，分别由公式(3)和公式(4)计算得到：

$V_{\min ,p(j-1)}=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,p(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{a,p(j-1)}}---\left(3\right)$

ρ_fmax,r(j-1)＝ρ_dmax-ρ_fmax,p(j-1)

                                               (4)

式中:ρ_a,p(j-1)为骨架颗粒的毛体积密度，由颗粒密度试验得到；ρ_fmax,p(j-1)为第j-1次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干分布密度，即骨架颗粒的最大干分布密度；

⑨计算填料试样为最大干密度状态时，填充颗粒在骨架颗粒间隙中的干密度ρ_smax,r(j-1)，ρ_smax,r(j-1)由公式(5)计算得到：

${\mathrm{\ρ}}_{s\max ,r(j-1)}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,r(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{\min ,p(j-1)}}---\left(5\right)$

⑩计算ρ_dmax,r(j-1)与ρ_smax,r(j-1)之间的差值百分比α_j-1，α_j-1由公式(6)计算得到：

${\mathrm{\α}}_{j-1}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,r(j-1)}-{\mathrm{\ρ}}_{s\max ,r(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,r(j-1)}}\×100\%---\left(6\right)$

式中:ρ_dmax,r(j-1)为填充颗粒的最大干密度，根据填充颗粒所属的土类，由相应的土工试验得到；

(11)若α_j-1＞3%，则填料土体结构为骨架孔隙结构；若α_j-1≤3%，则填料土体结构为骨架密实结构。

本发明的有益效果是，能准确测定粗颗粒土的土体结构类型，而且操作简便，对合理地选择或设计满足不同功能要求的填料具有重大的指导作用。

具体实施方式

以下将结构实施例对本发明作进一步的说明。

本发明一种粗颗粒土填料土体结构类型的测定方法，包括如下步骤：

①对填料试样进行颗粒粒径分组，填料试样的颗粒粒径分组由最大粒径D_max开始依次递减进行划分，每个粒径组的最小粒径D_i-1和最大粒径D_i的比值D_i-1/D_i为0.5～0.75，最小一级粒径组的最大粒径为D₁，最小粒径为D₀=D_min，右填料试样中有小于0.075mm的颗粒，则D₁=0.075mm，D₀=0；

②确定填料试样的级配和最大干密度，通过筛分试验得到填料试样中各粒径组的颗粒质量占总质量的百分比，由粗颗粒土的最大干密度试验得到填料试样的最大干密度ρ_dmax；

③剔除填料试样中最小一级粒径组即粒径范围为(D₀,D₁)的颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为(D₁,D_max)颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,p1；

④确定粒径范围为(D₁,D_max)的颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,p1，ρ_fmax,p1由公式(1)计算得到：

ρ_fmax,pi＝ρ_dmax×p_i

                                              (1)

式中：i为剔除剩余颗粒试样最小一级粒径组的循环次数，首次剔除时取1；ρ_fmax,pi为第i次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干分布密度；p_i是粒径范围为(D_i,D_max)的颗粒在填料试样中所占的质量百分比，由步骤(2)的筛分试验得到；

⑤计算ρ_dmax,p1与ρ_fmax,p1之间的差值百分比β₁，β₁由公式(2)计算得到：

${\mathrm{\β}}_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,\mathrm{pi}}-{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,\mathrm{pi}}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,\mathrm{pi}}}\×100\%---\left(2\right)$

式中：ρ_dmax,pi为第i次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干密度；

⑥若β₁＞3%，则填料土体结构就是悬浮密实结构，试验结束；若β₁≤3%，则填料土体结构为骨架结构，继续下一步骤；

⑦确定骨架颗粒的粒径范围：重复步骤③～⑤继续剔除剩余颗粒试样中的最小一级粒径组即粒径范围为(D_i-1,D_i)颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为(D_i,D_max)颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,pi，由公式(1)计算得到对应的ρ_fmax,pi，最后通过公式(2)计算得到β_i；若β_i≤3%，还需继续重复步骤③～⑤，直到β_i＝j＞3%，即得骨架颗粒的粒径范围为（D_j-1,D_max）、填充颗粒的粒径范围为(D₀，D_j-1)，停止剔除颗粒，继续下一步骤；

⑧计算填料试样为最大干密度状态时，填料试样中骨架颗粒之间的间隙率V_min,p(j-1)及填充颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,r(j-1)，分别由公式(3)和公式(4)计算得到：

$V_{\min ,p(j-1)}=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,p(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{a,p(j-1)}}---\left(3\right)$

ρ_fmax,r(j-1)＝ρ_dmax-ρ_fmax,p(j-1)

                                               (4)

式中:ρ_a,p(j-1)为骨架颗粒的毛体积密度，由颗粒密度试验得到；ρ_fmax,p(j-1)为第j-1次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干分布密度，即骨架颗粒的最大干分布密度；

⑨计算填料试样为最大干密度状态时，填充颗粒在骨架颗粒间隙中的干密度ρ_smax,r(j-1)，ρ_smax,r(j-1)由公式(5)计算得到：

${\mathrm{\ρ}}_{s\max ,r(j-1)}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,r(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{\min ,p(j-1)}}---\left(5\right)$

⑩计算ρ_dmax,r(j-1)与ρ_smax,r(j-1)之间的差值百分比α_j-1，α_j-1由公式(6)计算得

到：

${\mathrm{\α}}_{j-1}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,r(j-1)}-{\mathrm{\ρ}}_{s\max ,r(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,r(j-1)}}\×100\%---\left(6\right)$

式中:ρ_dmax,r(j-1)为填充颗粒的最大干密度，根据填充颗粒所属的土类，由相应的土工试验得到；

(11)若α_j-1＞3%，则填料土体结构为骨架孔隙结构；若α_j-1≤3%，则填料土体结构为骨架密实结构。

上述方法的原理是，压实后的粗颗粒土填料具有三种典型的土体结构类型：一种是土体中小颗粒占主要，大颗粒悬浮在小颗粒中，即悬浮密实结构；第二种是土体中大颗粒之间相互紧密接触，能形成稳定的骨架，而小颗粒又恰好能密实地填充满大颗粒之间的间隙，即骨架密实结构；第三种是土体中大颗粒含量较多，以致小颗粒的含量不足以填充满大颗粒之间的间隙，即骨架孔隙结构。在外荷载作用下，三种土体结构类型中，悬浮密实结构的所有土颗粒都是受力骨架，而其他两种土体结构则是由相互紧密接触的大颗粒形成受力骨架。由小到大依次剔除填料试样中的颗粒，若剔除的颗粒是填充颗粒，则不会影响其受力骨架，即骨架颗粒在填料试样中仍然处于紧密接触状态，这时剩余粒径范围的颗粒在整个填料试样中的最大干分布密度密度ρ_fmax,pi必然就与剩余粒径范围颗粒的最大干密度ρ_dmax,pi相等；继续剔除颗粒，若剔除的颗粒包含了骨架颗粒，则剩余颗粒在填料试样中必然处于疏松接触或“悬浮”状态，这时剩余粒径范围的颗粒在填料试样中的最大干分布密度密度ρ_fmax,pi必然就小于剩余粒径范围颗粒的最大干密度ρ_dmax,pi；在剔除颗粒过程中，必然存在一个颗粒粒径D_i，剔除颗粒的最大粒径小于D_i时，ρ_fmax,pi值等于ρ_dmax,pi值，剔除颗粒的最大粒径大于D_i时，ρ_fmax,pi值小于ρ_dmax,pi值，D_i就为骨架颗粒与填充颗粒的分界粒径，即粒径小于D_i的颗粒是填充颗粒，其余颗粒为骨架颗粒。若在第一次剔除填料试样中粒径最小一级颗粒组时，剩余粒径范围的颗粒在填料试样中的最大干分布密度密度就小于了剩余粒径范围颗粒的最大干密度ρ_dmax,pi，即剩余颗粒在填料试样中处于疏松接触或“悬浮”状态，也即填料试样中粒径最小一级粒径组也是受力骨架的一部分，土体结构就是悬浮密实结构，否则土体结构就是骨架结构；若土体结构为骨架结构，而填充颗粒在骨架颗粒间隙中的干密度ρ_smax,ri小于填充颗粒的最大干密度ρ_dmax,ri，即骨架颗粒之间的间隙不能被填充颗粒密实地填充满，土体结构就是骨架孔隙结构，反之，若ρ_smax,ri等于ρ_dmax,ri，土体结构就应该是骨架密实结构。

所述步骤①中，对原试样的颗粒粒径分组由最大粒径D_max开始依次递减进行划分，并需保证每个颗粒组的颗粒粒径下限值D_i-1和上限值D_i的比值D_i-1/D_i不应小于0.5，不宜大于0.75，以确保所分颗粒组的粒径范围不会太窄而增加试样量，也不会因粒径范围过宽影响试验的准确性。若填料试样中有颗粒粒径小于0.075mm的颗粒，则将粒径小于0.075mm的颗粒归为一组，这样就保证了粒径组不会无限划分下去，同时又不会影响试验结果的准确性。

为了考虑试验的误差范围，使得本发明方法更具有可操作性，所述步骤⑥中，当剩余粒径范围颗粒的最大干密度ρ_dmax,pi与试样中剩余粒径范围的颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,pi之间的差值百分比β_i大于3%时，才认为所剔除的颗粒中包含了骨架颗粒；所述步骤⑾中，当填充颗粒的最大干密度ρ_dmax,ri与填充颗粒在骨架颗粒之间的间隙中的干密度ρ_smax,ri的差值百分比α_i小于3%时，就认为填充颗粒密实地填充满了骨架颗粒之间的间隙。

实施例1：

下面给出采用以上方法对一粗颗粒土填料进行土体结构类型的确定,按如下步骤进行:

①对填料试样进行粒径分组，试样的具体分组如表1的第一行所示。即D₀＝0mm、D₁＝0.075mm、D₂＝0.15mm、D₃＝0.3mm…D₁₀＝19mm、D₁₁＝26.5mm、D_max＝37.5mm。

②确定填料试样的级配和最大干密度，通过筛分试验得到填料试样中各粒径组的颗粒质量占总质量的百分比如表1所示，由粗颗粒土的最大干密度试验得到试样的最大干密度ρ_dmax＝2.194g/cm³。

③剔除填料试样中最小一级粒径组即粒径范围为（0mm，0.075mm）的颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为（0.075mm，37.5mm）颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,p1＝2.177g/cm³。

④确定粒径范围为（0.075mm，37.5mm）的颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,p1，ρ_fmax,p1的密度为：

ρ_fmax,p1＝ρ_dmax×p₁＝2.194×99.6%＝2.185g/cm³。

⑤计算ρ_dmax,p1与ρ_fmax,p1之间的差值百分比β₁，β₁为：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,p1}-{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,p1}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,p1}}\×100\%=\frac{2.177-2.185}{2.177}\×100\%=-0.37\%.$

⑥由于β₁＝-0.37%≤3%，则填料土体结构为骨架结构，继续下一步骤。

⑦确定骨架颗粒的粒径范围，重复步骤③～⑤继续剔除剩余颗粒试样中的最小一级粒径组即粒径范围为（0.075mm，0.15mm）的颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为（0.15mm，0.30mm）颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,p2＝2.16g/cm³，相应计算得到填料试样为最密实时，粒径范围（0.15mm，37.5mm）颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,p2的密度为：

ρ_fmax,p2＝ρ_dmax×p₂＝2.194×99.1%＝2.174g/cm³

ρ_dmax,p2与ρ_fmax,p2之间的差值百分比β₂为：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,p2}-{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,p2}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,p2}}\×100\%=\frac{2.160-2.174}{2.160}\×100\%=-0.65\%$

由于β₂仍小于3%，还需继续重复步骤③～⑤继续剔除剩余颗粒中的最小一级颗粒；

第二次剔除剩余颗粒的粒径最小一级颗粒组,即粒径范围为（0.075mm，0.15mm）的颗粒后，剩余颗粒粒径范围为（0.15mm，37.5mm），由最大干密度试验得到其最大干密度为ρ_dmax,p2＝2.16g/cm³，相应计算得到填料试样为最密实时，粒径范围（0.15mm，37.5mm）颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,p2的密度为：

ρ_fmax,p2＝ρ_dmax×p₂＝2.194×99.1%＝2.174g/cm³

ρ_dmax,p2与ρ_fmax,p2之间的差值百分比β₂为：

${\mathrm{\β}}_2=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,p2}-{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,p2}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,p2}}\×100\%=\frac{2.160-2.174}{2.160}\×100\%=-0.65\%$

由于β₂仍小于3%，继续重复步骤③～⑤继续剔除剩余颗粒中的最小一级颗粒；

第三次剔除剩余颗粒中粒径最小一级颗粒组，即粒径范围为（0.15mm，0.30mm）的颗粒后，剩余颗粒粒径范围为（0.30mm，37.5mm），重复步骤(3)～(5)，得到相应的ρ_dmax,p3与ρ_fmax,p3之间的差值百分比β₃为-0.35%＜3%，继续重复步骤③～⑤剔除剩余颗粒中粒径最小一级颗粒；

第四次剔除剩余颗粒中粒径最小一级颗粒组，即粒径范围为（0.3mm，0.6mm）的颗粒后，剩余颗粒粒径范围为（0.6mm，37.5mm），重复步骤③～⑤，得到相应的ρ_dmax,p4与ρ_fmax,p4之间的差值百分比β₄为0.45%＜3%，继续重复步骤③～⑤剔除剩余颗粒中粒径最小一级颗粒；

第五次剔除剩余颗粒中粒径最小一级颗粒组，即粒径范围为（0.6mm，1.18mm）的颗粒后，剩余颗粒粒径范围为（1.18mm，37.5mm），重复步骤③～⑤，得到ρ_fmax,p5＝1.968g/cm³、ρ_dmax,p5＝1.981g/cm³，相应得到ρ_dmax,p6与ρ_fmax,p6之间的差值百分比β₅为0.68%＜3%，继续重复步骤③～⑤剔除剩余颗粒中粒径最小一级颗粒；

第六次剔除剩余颗粒中粒径最小一级颗粒组，即粒径范围为（1.18mm，2.36mm）的颗粒后，剩余颗粒粒径范围为（2.36mm，37.5mm），重复步骤③～⑤，得到相应的ρ_dmax,p6与ρ_fmax,p6之间的差值百分比β₆为8.31%＞3%，即得骨架颗粒的粒径范围为（1.18mm，37.5mm）、填充颗粒的粒径范围为(0mm，1.18mm)，停止剔除颗粒，进行下一步骤；

⑧计算填料试样为最密实状态时，填料试样中骨架颗粒之间的间隙率V_min,p5及填充颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,r5，由颗粒密度试验得骨架颗粒的毛体积密度ρ_a,p5＝2.80g/cm³，V_min,p5与ρ_fmax,r5的计算如下:

$V_{\min ,p5}=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,p5}}{{\mathrm{\ρ}}_{a,p5}}=1-\frac{1.968}{2.80}=0.297$

ρ_fmax,r5＝ρ_dmax-ρ_fmax,p5＝2.194-1.968＝0.226g/cm²

⑨计算填料试样为最密实状态时，填充颗粒在骨架颗粒间隙中的干密度ρ_smax,r5，ρ_smax,r5的计算如下：

${\mathrm{\ρ}}_{s\max ,r5}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,r5}}{V_{\min ,p5}}=\frac{0.226}{0.297}=0.76g/{\mathrm{cm}}^3$

⑩计算ρ_dmax,r5与ρ_smax,r5之间的差值百分比α₅，由于填充颗粒也属于粗颗粒土，由粗颗粒土的最大干密度试验得到填充颗粒的最大干密度ρ_dmax，r5＝1.78g/cm³，α₅的计算如下：

${\mathrm{\α}}_5=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,r5}-{\mathrm{\ρ}}_{s\max ,r5}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,r5}}\×100\%=\frac{1.78-0.76}{1.78}\×100\%=57.3\%$

(11)由于α₅＝56.7%＞3%，则填料土体结构为骨架孔隙结构。

表1颗粒分组及各颗粒组质量百分数表

实施例2：

下面给出采用以上方法对另一粗颗粒土填料进行土体结构类型的确定,按如下步骤进行:

①对填料试样进行粒径分组，试样的具体分组如表2的第一行所示。即D₀＝0mm、D₁＝0.075mm、D₂＝0.15mm、D₃＝0.3mm…D₁₀＝19mm、D₁₁＝26.5mm、D_max＝37.5mm。

②确定填料试样的级配和最大干密度，通过筛分试验得到填料试样中各粒径组的颗粒质量占总质量的百分比如表2所示，由粗颗粒土的最大干密度试验得到试样的最大干密度ρ_dmax＝2.251g/cm³。

③剔除填料试样中最小一级粒径组即粒径范围为(0mm，0.075mm)的颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为(0.075mm，37.5mm)颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,p1＝2.234g/cm³。

④确定粒径范围为（0.075mm，37.5mm）的颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,p1，ρ_fmax,p1的密度为：

ρ_fmax,p1＝ρ_dmax×p₁＝2.251×95.85%＝2.158g/cm³。

⑤计算ρ_dmax,p1与ρ_fmax,p1之间的差值百分比β₁，β₁为：

${\mathrm{\β}}_1=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,p1}-{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,p1}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,p1}}\×100\%=\frac{2.234-2.185}{2.234}\×100\%=3.4\%.$

⑥由于β₁＝3.4%＞3%，则填料土体结构为悬浮密实结构，试验结束。

表2颗粒分组及各颗粒组质量百分数表

Claims (1)

1.一种粗颗粒土填料土体结构类型的测定方法，包括如下步骤：

①对填料试样进行颗粒粒径分组，填料试样的颗粒粒径分组由最大粒径D_max开始依次递减进行划分，宜保证每个粒径组的最小粒径D_i-1和最大粒径D_i的比值D_i-1/D_i不应小于0.5，不宜大于0.75，最小一级粒径组的最大粒径为D₁，最小粒径为D₀=D_min，若填料试样中有小于0.075mm的颗粒，则D₁＝0.075mm，D₀＝0；

②确定填料试样的级配和最大干密度，通过筛分试验得到填料试样中各粒径组的颗粒质量占总质量的百分比，由粗颗粒土的最大干密度试验得到填料试样的最大干密度ρ_dmax；

③剔除填料试样中最小一级粒径组即粒径范围为(D₀,D₁)的颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为(D₁,D_max)颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,p1；

④确定粒径范围为(D₁,D_max)的颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,p1，ρ_fmax,p1由公式(1)计算得到：

ρ_fmax,pi＝ρ_dmax×p_i

                                               (1)

式中：i为剔除剩余颗粒试样最小一级粒径组的循环次数，首次剔除时取1；ρ_fmax,pi为第i次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干分布密度；p_i是粒径范围为(D_i,D_max)的颗粒在填料试样中所占的质量百分比，由步骤(2)的筛分试验得到；

⑤计算ρ_dmax,p1与ρ_fmax,p1之间的差值百分比β₁，β₁由公式(2)计算得到：

${\mathrm{\β}}_i=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,\mathrm{pi}}-{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,\mathrm{pi}}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,\mathrm{pi}}}\×100\%---\left(2\right)$

式中：ρ_dmax,pi为第i次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干密度；

⑥若β₁＞3%，则填料土体结构就是悬浮密实结构，试验结束；若β₁≤3%，则填料土体结构为骨架结构，继续下一步骤；

⑦确定骨架颗粒的粒径范围：重复步骤③～⑤继续剔除剩余颗粒试样中的最小一级粒径组即粒径范围为(D_i-1,D_i)颗粒，由粗颗粒土的最大干密度试验得到剩余颗粒试样即粒径范围为(D_i,D_max)颗粒试样的最大干密度ρ_dmax,pi，由公式(1)计算得到对应的ρ_fmax,pi，最后通过公式(2)计算得到β_i；若β_i≤3%，还需继续重复步骤③～⑤，直到β_i＝j＞3%，即得骨架颗粒的粒径范围为（D_j-1,D_max）、填充颗粒的粒径范围为(D₀，D_j-1)，停止剔除颗粒，继续下一步骤；

⑧计算填料试样为最大干密度状态时，填料试样中骨架颗粒之间的间隙率V_min,p(j-1)及填充颗粒在填料试样中的最大干分布密度ρ_fmax,r(j-1)，分别由公式(3)和公式(4)计算得到：

$V_{\min ,p(j-1)}=1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,p(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{a,p(j-1)}}---\left(3\right)$

ρ_fmax,r(j-1)＝ρ_dmax-ρ_fmax,p(j-1)

                                                (4)

式中:ρ_a,p(j-1)为骨架颗粒的毛体积密度，由颗粒密度试验得到；ρ_fmax,p(j-1)为第j-1次剔除最小一级粒径组后剩余颗粒试样的最大干分布密度，即骨架颗粒的最大干分布密度；

⑨计算填料试样为最大干密度状态时，填充颗粒在骨架颗粒间隙中的干密度ρ_smax,r(j-1)，ρ_smax,r(j-1)由公式(5)计算得到：

${\mathrm{\ρ}}_{s\max ,r(j-1)}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{f\max ,r(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{\min ,p(j-1)}}---\left(5\right)$

⑩计算ρ_dmax,r(j-1)与ρ_smax,r(j-1)之间的差值百分比α_j-1，α_j-1由公式(6)计算得到：

${\mathrm{\α}}_{j-1}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,r(j-1)}-{\mathrm{\ρ}}_{s\max ,r(j-1)}}{{\mathrm{\ρ}}_{d\max ,r(j-1)}}\×100\%---\left(6\right)$

式中:ρ_dmax,r(j-1)为填充颗粒的最大干密度，根据填充颗粒所属的土类，由相应的土工试验得到；

(11)若α_j-1＞3%，则填料土体结构为骨架孔隙结构；若α_j-1≤3%，则填料土体结构为骨架密实结构。