一种确定粗粒料的室内缩尺试验相对密度制样标准的方法及试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种可广泛用于水利、土木工程粗粒料的室内缩尺试验制样标准问 题，属于土工测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着重型振动碾的出现，工程用粗粒料的级配范围变得更为宽广，如堆石坝料的 最大控制粒径已达到0. 8~1. 0m，远远超过室内试验仪器的允许尺寸（目前国内普遍使用 直径30cm的大三轴仪，最大控制粒径5~6cm)，无法直接进行室内试验，确定粗粒坝料的相 对密度填筑标准或进行相关土力学试验时，需要对超径颗粒进行缩尺处理，使原级配料缩 小至室内试验仪器能承载的范围之内。
[0003] 对原级配粗粒料缩尺后进行室内试验时，需要解决两个关键技术问题：一是缩尺 后的级配如何合理确定；二是室内试验的制样标准如何确定。
[0004] 目前，对于原级配粗粒料的缩尺方法，《土工试验规程SL237-1999》和《水电水利粗 粒土试验规程DL/T5356-2006》建议采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法，由于原 级配料的最大粒径可能远大于缩尺料最大粒径（二者比值可达15~20)，而混合法在控制 细粒含量的同时，一定程度上保留了原级配的结构特性，密实度更接近于原级配，被认为是 更合理的缩尺方法而广泛应用。但是，使用混合法时，现有规范建议采用匕含量等于30% 的固定指标作为缩尺料的最大细粒含量，与缩尺比或缩尺料的最大粒径无关，造成缩尺后 级配颗粒之间的充填关系劣化；即使采用相似级配法，由于级配截尾误差和不同尺寸颗粒 形状的差异（T. L. Youd，1973)，同样造成缩尺后级配颗粒之间的充填关系劣化，导致原级配 料经过缩尺后，其物理性质如压实性能变差。
[0005] 对于原级配粗粒料缩尺后的室内试验制样标准而言，土力学之父Terzaghi认为， 粗粒土的松紧程度应以相对密度衡量，对于原级配粗粒料缩尺后的室内试验制样标准，应 采用与原级配料一致的相对密度控制。问题在于依据《土工试验规程SL237-1999》或《水 电水利粗粒土试验规程DL/T5356-2006》进行的室内相对密度试验得到的最大干密度，往往 低于现场填筑坝料的设计干密度值，导致室内最大干密度试验成果的合理性存疑，以此作 为室内试验制样标准的依据不充分。所以，目前粗粒料缩尺后的室内试验，一般采用与原级 配料现场填筑孔隙率相同的标准进行制样。但是，由于原级配粗粒料缩尺后存在干密度缩 尺效应（朱晟等，2011)，使得缩尺级配的压实性能变差，室内试验采用与原级配料孔隙率 相同的标准制样时，导致缩尺级配料的紧密程度远高于原级配料，使得室内缩尺试验成果， 大大高估了原级配粗粒料的力学性质参数，以此计算或评估高堆石坝等重要结构的应力变 形特性，偏于不安全，阻碍了目前我国300m级特高堆石坝建设的发展。
[0006] 可见，目前大粒径的工程级配粗粒料，缩尺后进行室内试验制样的压实标准的确 定依据，尚不充分。采用相对密度标准制样的核心技术问题，在于如何合理确定与现场压实 性能等效的室内缩尺试验的最大干密度值，即室内缩尺料达到最大干密度时的压实方法与 压实参数。
【发明内容】
[0007] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种确定粗粒料的室内 缩尺试验相对密度制样标准的方法，该方法能够对原级配粗粒料的缩尺时减小缩尺效应的 影响。
[0008] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种确定粗粒料的室内 缩尺试验相对密度制样标准的方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1，选取最大控制粒径较小的垫层或反滤料的级配粗粒料样本，同时给出现 场、室内不同压实方式下最大干密度值参考阈值；
[0010] 步骤2,在现场进行重型振动碾压实条件下粗粒料的相对密度试验，得到现场试验 的最大干密度值；
[0011] 步骤3,在室内试验采用表面振动器压实方式，进行试验粗粒料的室内相对密度试 验，得到室内试验的极值干密度值；
[0012] 步骤4,调整室内试验振动器的压实参数，进行步骤3操作，得到不同压实参数下 的最大干密度值；
[0013] 步骤5,根据步骤1给出的参考阈值对比步骤2和步骤4确定的最大干密度值，确 定选取的室内压实方式下的压实参数，作为得到室内最大干密度的试验标准；
[0014] 步骤6,利用步骤5确定的室内最大干密度的试验标准，进行大粒径原级配粗粒料 的缩尺后室内相对密度试验，得到缩尺料的极值干密度；
[0015] 步骤7,根据原级配粗粒料相对密度的设计指标、步骤6得到缩尺料的室内极值干 密度，计算确定室内缩尺试验的制样干密度或孔隙率，即得到室内试验制样标准。
[0016] 所述步骤1中试验粗粒料选取原则为，试验粗粒料满足相关规范要求；同时，选取 试验粗粒料的最大控制粒径，需满足室内极值干密度试验的径径比不小于5。
[0017] 所述步骤3中表面振动器为与现场振动碾压实机理相似的表面振动器。
[0018] 所述压实参数包括激振力、振动频率、振动时间；所述步骤4中的激振力为 4. 5kN~10kN ;而所述振动时间为8~20s。
[0019] 所述：若步骤2得到的最大干密度值，不在步骤4确定的最大干密度值范围内，可 通过步骤4改变激振力与振动时间的范围，重新进行最大干密度值试验，保证步骤2得到的 最大干密度值在步骤4的试验结果范围内。
[0020] 步骤4室内试验得到的干密度值曲线：
[0021] Y = 0? 623*(3. 74-ei 234x);
[0022] 其中，Y为干密度值，x为振动时间。
[0023] 所述步骤7得到室内试验制样标准：
[0025] 其中，Yd制样干密度，Y _为最大干密度，Y min为最小干密度，Dr为设计相对密 度指标，n孔隙率。
[0026] 一种室内表面振动器极值干密度试验装置，用于确定粗粒料的室内缩尺试验相对 密度制样标准的室内试验，且该极值干密度试验装置与现场振动碾压实机理相似；包括密 度钢桶和表面振动器，表面振动器放置于密度钢桶内；所述密度钢桶包括底座和试验桶壁， 所述试验桶壁可拆卸安装在底座上；所述表面振动器包括振动电机、振动底板，所述振动电 机的振动端通过连接杆与振动底板固定连接，同时所述振动底板上设置有附加质量块，且 所述振动底板对试样的静压力在14kPa。
[0027] 优选的：所述试验桶壁通过固定螺栓安装在底座上。
[0028] 优选的：所述振动电机振动频率为45-50HZ ;所述试验桶壁的内径30-50cm，高度 28.8-50cm〇
[0029] 有益效果：本发明提供的一种确定粗粒料的室内缩尺试验相对密度制样标准的方 法及其试验装置，相比现有技术，具有以下有益效果：
[0030] 本发明选取不需要缩尺的最大控制粒径较小的级配粗粒料，同时进行现场振动碾 与室内表面振动器不同压实方法下的极值干密度试验。通过重型振动碾压实条件下粗粒 料的相对密度试验，得到现场试验的最大干密度值；通过表面振动器压实方式，并设计相应 的试验装置，进行选定粗粒料的室内相对密度试验；通过调整激振力大小、振动时间等压实 参数，进行选定粗粒料的室内相对密度试