CN103616312A - 一种天然砂砾最大干密度的测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然砂砾最大干密度的测算方法，具体包括如下步骤：预估料场或现场的含石量；对砂砾样品进行水筛法筛分试验，得到超尺寸颗粒含量p和含石量；将砂砾中40mm～60mm的颗粒筛出留样备用；再将＜40mm的颗粒筛为5mm以下和5～40mm两种；击实试验；确定含石量与最大干密度的关系；取40mm～60mm颗粒的留样，计算得到超尺寸颗粒的毛体积相对密度。将砂砾样品的含石量代入回归公式，计算得到粒径＜40mm的砂砾样品的最大干密度；计算修正后的最大干密度；本发明针对天然砂砾作为路基填料性能良好，但级配不良的特点，分析颗粒粒径与最大干密度之间的关系，对天然砂砾的最大干密度进行科学地综合确定，本发明的方法科学、简便快捷，测试结果准确、可靠。

Description

一种天然砂砾最大干密度的测算方法

技术领域

本发明可应用于公路工程领域，具体涉及一种测算天然砂砾最大干密度的方法。

背景技术

天然砂砾因其易密实，承载力大等工程特性，成为优良的筑路材料，广泛应用于公路工程建设中，如用于软基处理、台背回填。然而，天然砂砾材质不均匀，包括级配、粒径和含水率等方面存在差异，施工现场一般要求同路段尽量从同一料场来料，同时按照《公路路基施工技术规范》（JTG F10-2006）里对路基填料最大粒径的规定：路床不超过100mm，路堤不超过150mm。这样，为保证砂砾路基的压实质量，最大干密度的确定和应用至关重要。最大干密度是指击实或压实试验所得的干密度与含水率关系曲线上峰值点对应的干密度。

天然砂砾属于粗粒土，在本行业中，目前天然砂砾最大干密度的确定方法很多，无论采用哪种方法，都要注意实用原则。最大干密度定的过大，现场压实很难达到，也浪费资源；定的过小，容易出现超百现象，也不利于质量保证，甚至埋下路基质量隐患。

（1）粗粒土最大干密度现有测试方法比较

以下面的表1给出了现有的几种粗粒土最大干密度的测试方法以及各自的优缺点。

表1

另外，还有以下几个因素会影响粗粒土最大干密度测试结果的可靠性和准确性。

其一，室内击实试验用土往往不具代表性。同时，由于填料的多变性，规范规定在路基填料有变化时，应重新取样做击实试验，但往往容易被忽视。

其二，由于填料各粒径含量（如＞5mm、40mm）的改变致使填料的颗粒级配改变，随之引起填料类型改变，最后导致填料的最大干密度也改变，可见各粒径含量与最大干密度有着密切的关系。在路基填筑中,每层每处填料的颗粒大小总是参差不齐，变化极不稳定。即便是同一命名的填料,其颗粒级配也有较大差别。因此，同类土的最大干密度，也总有一定的变化。所以，不能认为对某一种土做了击实试验，测得了一个最大干密度,就准确确定了这种土的最大干密度。只有在对某一土样击实试验中确定了该土的含石量、超尺寸颗粒含量与最大干密度之间的关系，才能确定该土的最大干密度。

其三，在路基压实度检测时，若对每一检测点取样作击实试验，进而准确确定测点的最大干密度是很不现实的。

综上，以上所述的普通重型击实法、表面振动压实仪法、振动台法和静力压实法均不利于准确、有效地确定天然砂砾的最大干密度，也不适用于施工现场压实度控制，特别是对于不能自由排水的黏性砂砾，上述四种方法均不适用。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明目的在于，提供一种天然砂砾最大干密度的测算方法，该方法能够准确确定天然砂砾最大干密度，该方法操作简便，结果可靠。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种天然砂砾最大干密度的测算方法，具体包括如下步骤：

步骤1：预估料场或现场的含石量；

步骤2：样品制备

对砂砾样品进行水筛法筛分试验，得到超尺寸颗粒含量p和含石量；将砂砾中40mm～60mm的颗粒筛出留样备用；再将＜40mm的颗粒筛为5mm以下和5～40mm两种；

步骤3：击实试验

1）将＜5mm和5～40mm的两种料分别掺配5个混合料样品组，该5个混合料样品组的含石量分别为A、A+t、A+2t、A+3t和B；其中，A、B分别为预估的含石量的下限值和上限值，t=（B-A）/4取整；

2）对于每组混合料样品，以含水率按0.5～1%的间隔配制至少5个样品，然后对每组混合料样品做击实试验，击实试验后对每组混合料绘制含水率——干密度曲线；

3）由各混合料样品组的含水率—干密度曲线得到该混合料样品组的最大干密度。

步骤4：确定含石量与最大干密度的关系

以含石量为横轴，最大干密度为纵轴，根据5个混合料样品组的含石量以及最大干密度，绘制含石量—最大干密度关系曲线，并得到回归公式y=ax+b，其中，x为含石量（%），y为最大干密度（g/cm³），a、b为系数；

步骤5：超尺寸颗粒处理

取40mm～60mm颗粒的留样，计算得到超尺寸颗粒的毛体积相对密度G′_s。

步骤6：最大干密度修正

将步骤2得到的砂砾样品的含石量代入步骤4得到的回归公式y=ax+b，计算得到粒径＜40mm的砂砾样品的最大干密度ρ_dm;计算修正后的最大干密度ρ′_dm。

进一步的，所述步骤1的具体步骤为：在料场或现场不同部位取不小于4组的砂砾，用5mm、40mm筛分别筛分各组砂砾，得到各组砂砾的含石量，将最小的含石量和最大的含石量得到的含石量范围上下限各扩大5%作为预估的含石量。

进一步的，其特征在于，所述步骤6的计算修正后的最大干密度ρ′_dm的公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{dm}}^{\′}=\frac{1}{\frac{1-0.01p}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{dm}}}+\frac{0.01p}{{\mathrm{\ρ}}_w{G}_s^{\′}}}$

式中，ρ′_dm为修正最大干密度，g/cm³；ρ_dm为粒径＜40mm的砂砾样品的最大干密度，g/cm³；P为步骤2得到的超尺寸颗粒含量，%；G′_s为步骤5计算得到的超尺寸颗粒的毛体积相对密度；ρ_w为水的密度，g/cm³，一般取1。

与现有测量方法相比，本发明的测算方法的优点如下：

1、采用本发明测试天然砂砾的最大干密度，解决了由于砂砾级配变化对压实度检测带来的影响，试验结果可靠；由于含石量是5～40mm颗粒的含量，其客观表征了砂砾的级配。在步骤4中得到的回归公式中代入待测砂砾样品的含石量即得到对应的最大干密度，那么该最大干密度也体现出砂砾级配的变化，也表现了压实度的真实变化。

2、用本发明的方法确定的最大干密度计算出的压实度，经大量工程实践证明，其离散性明显降低，能真实地反映砂砾路基的碾压情况，评价路基的质量也更合理。由于采用普通重型击实法得到的最大干密度进行路基压实质量评价，得到的压实度数据不均匀，出现压实度不足、超百现象，此时压实度无法评价，而采用本专利提出的方法进行评价，不仅杜绝了超百现象，而且压实度分布较为均匀、不离散。

3、本发明无需做过多的击实试验，减少了大量的试验工作和人为影响因素，能够避免因选用最大干密度不当而造成压实度检测的误差。在现场进行压实度检测时，直接将含石量代入回归公式计算出最大干密度并作为标准最大干密度，当材料性能发生变化时，不用重复多次做砂砾的标准击实试验，也消除了多次击实操作、计算过程中引起的数据传播误差。

4、用本发明的方法控制的砂砾路基、基层成型后的弯沉值能够达到设计要求。如山西同源高速、陕西十天高速路基路床填筑均采用当地的砂砾，并采用本发明的方法进行压实质量控制，经路基交工验收弯沉检测，均满足路基交工验收弯沉设计要求。

附图说明

图1是本发明的方法中击实试验的样品制备流程图。

图2是本发明的实施例中得到的含石量——最大干密度关系曲线。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

本发明的测试天然砂砾最大干密度的方法的原理基础如下：

原理一：

《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）释义手册中可以看出，若粗粒土中细颗粒（＜0.075mm颗粒）含量超过总土重约15%时，则含水率对土就会发生明显的影响，用适当尺寸的压实仪进行压实试验，即可找出其最大干密度及最佳含水率，但最大干密度及最佳含水率随土料的母岩成分、风化程度、含石量多少以及颗粒级配而有一定的变化范围。由于引起细颗粒特性发生变化的因素是含水率，因此这种土的含水率常用细颗粒的含水率表示。对这类土的密实标准就不易用相对密度来表示，而应以最大干密度及最佳含水率来表示。

含石量对粗粒土压实特性的影响：当含石量增多时，土的最大干密度变大而最佳含水率变小。出现这一现象的原因主要是含石的加入可以改善土的级配。但如果含石量增加过多（＞70%），则土中细颗粒含量就不足以充填粗颗粒之间的空隙，密度就因而下降。

原理二：

重庆交通大学梁乃兴教授在他的专著《现场无机道路工程材料》中论述到：含有黏粒的砂砾，干密度与含水率之间呈抛物线形的变化规律，即当含水率低时，压实干密度随含水率的增加而增大；当含水率增至某值时，压实干密度达到最大值，再进一步增大含水率，压实干密度反而随含水率的增大而减小。一般称这个干密度的最大值为最大干密度，其对应的含水率为最佳含水率。

含石量对粗粒土压实特性的影响：无论哪一种级配的砂砾，最大干密度都是随着含石量的增加而先增加后减小的；而最佳含水率则随着含石量的增加而减少。当含石量在30～70%之间时，含石量与最大干密度关系曲线接近直线。也就是说，最大干密度随着含石量的增加呈线性增加。

原理三：

最大干密度修正公式进行修正的方法，其基本原理是采用相同质量超尺寸颗粒实体体积取代相同质量非超尺寸颗粒取最大干密度时的体积。采用该方法进行最大干密度修正时，有一条基本假设是认为超尺寸颗粒与周围非超尺寸颗粒之间形成的间隙大小与超尺寸颗粒实体体积相比可忽略不计。事实上，当超尺寸颗粒与非超尺寸颗粒相差较大时，超尺寸颗粒与周围非超尺寸颗粒之间形成的间隙大小与超尺寸颗粒实体体积相比较小，可忽略不计；极端情况下，若把水看作是非超尺寸颗粒，往水中加入一定的土颗粒作为超尺寸颗粒，这时采用该方法进行修正就是完全正确的。由上述分析可以看出，天然砂砾中含有大量黏土细料和超尺寸颗粒时，属于超尺寸颗粒与非超尺寸颗粒相差较大的情况（即：＞40mm且＜60mm颗粒含量与＜40mm的颗粒含量相差较大），采用修正公式进行最大干密度修正是合理的。

基于上述三个原理，发明人提出一种测试天然砂砾最大干密度的方法，该方法适于黏性砂砾的最大干密度的确定。

实施例：以下遵循本发明的方案，以某一料场的天然砂砾最大干密度的确定为例对本发明进行说明。

（1）预估料场或现场的含石量

在某料场不同部位取代表性的砂砾4组，用5mm、40mm筛分别筛分各组砂砾，得到各组砂砾的含石量分别为42%、34%、63%、51%，由此确定该料场砂砾的含石量范围为：34%～63%，并将此范围±5%后得到预估含石量范围30～70%。

（2）样品制备

如图1所示，对原砂砾样品进行水筛法筛分试验，采用5mm、40mm、60mm三个控制筛孔，得到超尺寸颗粒含量p(指砂砾中40mm～60mm的颗粒含量)为10％、含石量（指砂砾中粒径5mm～40mm的颗粒含量）为46，单位：%；将砂砾中40mm～60mm的颗粒筛出并留样备用；再将＜40mm颗粒筛为5mm以下和5～40mm两种料。

（3）击实试验

将＜5mm和5～40mm两种料分别按照7：3、6：4、5：5、4：6、3：7比例掺配好的5个混合料样品组，每组备料30kg。每组混合料样品均依据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）中击实试验方法，按含水率依次1%间隔配制5个样品并做击实试验，击实完成后绘制5组混合料各自的含水率——干密度曲线，得到各组混合料的最大干密度，见表2。

表2击实试验结果

样品组	最大干密度（g/cm3）	含石量（%）
			1	2.19	30
2	2.21	40
			3	2.26	50
4	2.32	60
			5	2.34	70

（4）含石量与最大干密度关系

以含石量为横轴，最大干密度为纵坐标，根据5个混合料样品组的含石量以及得到的各组混合料的最大干密度和最佳含水率（见表2），绘制含石量——干密度关系曲线（见图2），并得出回归公式为：y=0.0041x+2.059。

计算相关系数R：

b=y-ax

a=l_xy/1_xx

R=l_xy/(l_xy·1_xx)^0.5

$l_{\mathrm{xx}}=\mathrm{\Σ}{(x_i-\stackrel{\‾}{X})}^2$

$l_{\mathrm{xy}}=\mathrm{\Σ}{(y_i-\stackrel{\‾}{Y})}^2$

式中：i=1～5，为混合料样品组的序号；x_i为第i个混合料样品组的含石量(%)；yi为第i个混合料样品组的最大干密度(g/cm³)；

为所有混合料样品组的含石量平均值(%)；

为所有混合料样品组的最大干密度平均值(g/cm³)。

本实施例中，相关系数R为0.985＞0.95，表明相关性很好。

（5）超尺寸颗粒处理

取40mm～60mm的颗粒的留样，依据《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）做网篮法密度试验，计算得到实测原砂砾样品中超尺寸颗粒的毛体积相对密度G′_s为2.708，吸水率为0.55%。

（6）最大干密度修正

由于实测原砂砾样品的含石量为46（%），则根据回归公式，计算该样品的最大干密度为：y=0.0041*46+2.059=2.25（g/cm³）。然后计算修正最大干密度 ${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{dm}}^{\′}=\frac{1}{\frac{1-0.01\×0.1}{2.25}+\frac{0.01\×0.1}{1\×2.708}}=2.29(g/{\mathrm{cm}}^3),$ 即为砂砾样品的最大干密度。

综上，该实施例中是将含石量46%代入回归公式中得到最大干密度，对于含石量在30～70%之间的砂砾样品均可用回归公式计算最大干密度，这样从实施例中提到的料场内任取不同砂砾样品，均能得到最大干密度，消除了因级配变化仍采用原控制最大干密度而产生的检测误差。

而且，本发明的方法得到的是与砂砾级配（含石量46%）相关的最大干密度，其用于压实度控制，能真实地反映砂砾路基的密实情况。

除非该料场的砂砾级配发生很大变化，一般情况下一个料场只做一次击实试验，并采用此法得到回归公式，应用时只需带入含石量，并对回归公式中计算得到的最大干密度进行超尺寸颗粒修正，无需做过多的击实试验，也更为科学。

Claims (3)

1.一种天然砂砾最大干密度的测算方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

步骤1：预估料场或现场的含石量；

步骤2：样品制备

对砂砾样品进行水筛法筛分试验，得到超尺寸颗粒含量p和含石量；将砂砾中40mm～60mm的颗粒筛出留样备用；再将＜40mm的颗粒筛为5mm以下和5～40mm两种；

步骤3：击实试验

1）将＜5mm和5～40mm的两种料分别掺配5个混合料样品组，该5个混合料样品组的含石量分别为A、A+t、A+2t、A+3t和B；其中，A、B分别为预估的含石量的下限值和上限值，t=（B-A）/4取整；

2）对于每组混合料样品，以含水率按0.5～1%的间隔配制至少5个样品，然后对每组混合料样品做击实试验，击实试验后对每组混合料绘制含水率——干密度曲线；

3）由各混合料样品组的含水率—干密度曲线得到该混合料样品组的最大干密度。

步骤4：确定含石量与最大干密度的关系

以含石量为横轴，最大干密度为纵轴，根据5个混合料样品组的含石量以及最大干密度，绘制含石量—最大干密度关系曲线，并得到回归公式y=ax+b，其中，x为含石量（%），y为最大干密度（g/cm³），a、b为系数；

步骤5：超尺寸颗粒处理

取40mm～60mm颗粒的留样，计算得到超尺寸颗粒的毛体积相对密度G′_s。

步骤6：最大干密度修正

将步骤2得到的砂砾样品的含石量代入步骤4得到的回归公式y=ax+b，计算得到粒径＜40mm的砂砾样品的最大干密度ρ_dm;计算修正后的最大干密度ρ′_dm。

2.如权利要求1所述的天然砂砾最大干密度的测算方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤为：在料场或现场不同部位取不少于4组的砂砾，用5mm、40mm筛分别筛分各组砂砾，得到各组砂砾的含石量，将最小的含石量和最大的含石量得到的含石量范围上下限各扩大5%作为预估的含石量。

3.如权利要求1所述的天然砂砾最大干密度的测算方法，其特征在于，所述步骤6的计算修正后的最大干密度ρ′_dm的公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{dm}}^{\′}=\frac{1}{\frac{1-0.01p}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{dm}}}+\frac{0.01p}{{\mathrm{\ρ}}_w{G}_s^{\′}}}$

式中，ρ′_dm为修正最大干密度，g/cm³；ρ_dm为粒径＜40mm的砂砾样品的最大干密度，g/cm³；p为步骤2得到的超尺寸颗粒含量，%，G′_s为步骤5计算得到的超尺寸颗粒的毛体积相对密度；ρ_w为水的密度，g/cm³，一般取1。

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