CN109776007A - 一种人工填料最优级配确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种人工填料最优级配确定方法，基于分形理论和最大密实度，通过引入级配参数，提出了在确定填石料总质量、最大粒径、可测得的最小粒径及小于可测最小粒径的填料质量后，根据本方法可确定一条级配曲线，该级配为连续级配并满足最大密实度，为该粒径范围内的最优级配。适用于土木工程粗粒土、巨粒土、岩石等作为填充物的最优级配计算。

Description

一种人工填料最优级配确定方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，尤其涉及一种基于分形理论并满足最大密实度理论来计算填充物最优级配的方法，适用于土木工程粗粒土、巨粒土、岩石作为填充物的最优级配计算。
背景技术
级配碎石是一种用几种粒径不同的碎石和石屑掺配拌制而成，粗、中、小碎石集料和石屑等材料各占一定比例的混合料，且其颗粒组成符合规定的级配要求。目前大部分工程都是采用不均匀系数Cu和曲率系数Cc判断颗粒级配的优良性，认为当Cu≥10、1<Cc<3时，该级配即达到要求，但计算不均匀系数Cu和曲率系数Cc时仅使用三种控制粒径d60、d30、d10，这就导致即使其他中间粒径缺失，该判断标准依然能够成立。研究表明，决定颗粒材料密度的最全面的因素包括其颗粒尺寸分布，致密性和颗粒形式，混合物质量和容器尺寸,颗粒尺寸分布对其密实度的影响最大，直接影响了其致密性。在所有能满足级配碎石级配范围的配比中选择曲线相对较圆滑的配比来进行试验，曲线圆滑则表明各粒径颗粒含量相对适中、颗粒级配较好，以利于级配碎石孔隙率值的降低或密实度的提高，同时也利于强度的提高。但是，通过级配曲线配制优良级配填料的研究较少，大部分是对已有的填料通过某种判断标准来判断其级配是否优良，认为满足富勒曲线时填料即达到最大密实度，Talbol在富勒曲线的基础上改进了指数，认为指数范围在0.3～0.5即可达到级配优良的标准，同时还有其他一些判断标准，如Weibull 模型、Dinger-Funck模型、Furnas模型等，但已有模型的参数较多，或者范围较大，不易确定，这对人工填料的确定和使用带来极大不便。因此，确定填料的最优级配曲线是非常必要的。
发明内容
本发明针对现有确定填料级配优良的方法的不足，提供了一种基于分形理论并满足最大密实度理论来计算填充物最优级配的方法，适用于土木工程粗粒土、巨粒土、岩石等作为填充物的最优级配计算方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下计算方案；
一种人工填料最优级配确定方法，包括：
步骤1、确定需要的填料总质量MT；
步骤2、确定填料的最大粒径Xmax；
步骤3、确定可测得填料的最小粒径Xmin；
步骤4、确定粒径小于Xmin的填料的质量Mmin；
步骤5、将上述已知数据带入提出的级配的计算公式即可求得该粒径范围内满足最大密实度的最优级配；其中，X为填料粒径，Mx为小于对应粒径x的质量。
作为优选，通过确定MT、Mmin、Xmax、Xmin即可确定现场所需填料的最优级配的分形维数为且2<D<3。
有益效果：
(1)本发明计算方法可以通过现场填料的已有最大粒径Xmax、最小粒径Xmin、总质量MT和小于最小粒径的质量Mmin，即可确定该粒径范围内满足最大密实度的最优级配方案；
(2)本发明计算方法可以通过需要选择填料的最大粒径Xmax、最小粒径Xmin、总质量MT和小于最小粒径的质量Mmin，即可确定选择粒径范围内满足最大密实度的最优级配方案；
(3)本发明计算方法不含参数，所有量均可实测，操作简单易行。
附图说明
图1：第一组各试样粒径-质量含量曲线图；
图2：第一组各试样粒径-质量含量对数曲线图；
图3：第一组各试样变形-压力曲线图；
图4：第二组各试样粒径-质量含量曲线图；
图5：第二组各试样粒径-质量含量对数曲线图；
图6：第二组各试样变形-压力曲线图。
具体实施方式
本发明提供一种人工填料最优级配确定方法，具体步骤为：
(1)需要确定填料的总质量：根据实际现场或者已有填充料确定总质量MT；
(2)需要确定填料的最大粒径：根据现场实际爆破状况或已有爆破相关资料计算可以得到所需填料的最大粒径Xmax；
(3)需要确定可测得的填料的最小粒径：根据现场实际爆破情况确定填料最小粒径，若爆破后的填料不满足要求，则可对爆破岩石进行二次爆破，从而得到填料的最小粒径Xmin；
(4)需要确定粒径小于Xmin的填料的质量：确定最小粒径Xmin后，通过称量或通过公式可以人为大致得到小于该粒径的质量Mmin；
(5)确定Mmin时，根据分形理论，认为分形维数D在2～3之间，所形成的级配认为是优良的，则由可知斜率k＝3-D的范围在0～1之间，由提出的公式可以计算得出则若现场粒径-质量关系不满足该条件，则可以重新改变MT、Mmin、Xmax、Xmin；
(6)运用公式求解时，同一粒径范围内，粒组划分越多，所得最优级配则越密实。
上述步骤对目前使用较多的进行了改进，通过确定 MT、Mmin、Xmax、Xmin即可确定现场所需填料的最优级配的分形维数且2<D<3。
目前已有的方法认为填料的质量-粒径关系一般满足由分形理论所得的级配曲线但分维值D很难确定，只能根据已有级配获得，无法用来判断是否为最优级配的分维值，也就无法判断当前级配是否为最优级配，即该公式只能判断已有填料是否为优良级配，而无法得到满足最优级配的填料。具体推导过程如下：
①当x取最小粒径xmin时，Mx＝0，符合理论。但实际工程中，很难测得颗粒的实际最小粒径，一般采用筛分法确定其最小粒径，且小于该粒径的颗粒质量也可测得，则此刻Mx≠0，所以级配曲线不应为一过原点的直线，为满足实际需要，本发明根据可测得的最大、最小粒径及对应粒径的质量含量即可确定填料的最优级配曲线；
②满足分形理论的粒径-质量级配曲线恒过点为使计算不出现负数，分别将粒径比、质量比均乘100，取对数后，曲线恒过最大点即为(2,2)，则该直线斜率为
③该级配曲线过两已知点，则可求得该曲线公式为
目前认为当级配曲线满足富勒曲线时，该填料具有最大密实度。
富勒曲线公式两边取对数可得：满足分形理论，但取对数后的富勒曲线是一过原点的直线，不符合实际。同理，Talbol公式取对数后仍然是一过原点的直线，也不符合实际。
所以需对现有计算级配的方法进行改进。
本发明可以根据现场实际需要对填料级配进行计算，从而得到其最优级配曲线。
实施例
第一组：
最小筛孔为0.075mm，最大粒径为4.75mm，所以实验所用试样最小粒径为0.075mm，最大粒径取4.75mm，每个试样100g，小于0.075mm的取5g，共5 个试样，其一为计算所得最优级配，余下四个试样是不均匀系数Cu和曲率系数Cc满足优良级配的条件下所得级配，具体计算结果为：
第二组：
改变最小粒径，实验所用试样最小粒径为0.15mm，最大粒径取4.75mm，每个试样100g，小于最小粒径0.15mm的取5g(大于0.075mm)，共5个试样，其一为计算所得最优级配，余下四个试样是不均匀系数Cu和曲率系数Cc满足优良级配的条件下所得级配，具体计算结果为：
对上述10个试样分别进行固结实验，得到变形曲线，对比分析不同级配的最终变形量，可知计算所得最优级配的试样变形量最小，具体如图1至6所示。

Claims (2)

1.一种人工填料最优级配确定方法，其特征在于，包括：
步骤1、确定需要的填料总质量MT；
步骤2、确定填料的最大粒径Xmax；
步骤3、确定可测得填料的最小粒径Xmin；
步骤4、确定粒径小于Xmin的填料的质量Mmin；
步骤5、将上述已知数据带入提出的级配的计算公式
即可求得该粒径范围内满足最大密实度的最优级配；其中，X为填料粒径，Mx为小于对应粒径x的质量。
2.如权利要求1所述的人工填料最优级配确定方法，其特征在于，通过确定MT、Mmin、Xmax、Xmin即可确定现场所需填料的最优级配的分形维数为 且2<D<3。
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