本发明涉及一种可广泛用于水利水电、土木矿山工程及交通工程粗粒土的填筑质量评价标准与实施问题，包括堆石料、砂砾料、过渡料、垫层反滤等，属于水利土木工程
技术领域：
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背景技术：
：压实程度是反映土体工程性质的重要指标，土体压实质量好坏直接关系到工程运行安全。对于无粘性且能自由排水的粗粒土的压实，Terzaghi先生早在1943年就提出应以相对密度进行控制，以评价其松紧程度与压实质量，这一观点在粗粒土密实度的评价标准中应用广泛。鉴于粗粒土的压实对于整个大坝安全的重要性，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(SL203-97)》第5.2.8条款、《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(DL/T5395-2007)》第6.2.6条款、《混凝土面板堆石坝设计规范(DL/T5016-2011)》第6.4条款，都明文规定了相对密度的控制标准。对于粗粒土的相对密度试验技术而言，《水利水电工程粗粒土试验规程(DL/T5356-2006)》规定了室内相对密度试验方法，但由于室内试验必须对现场级配大粒径粗粒土进行缩尺，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，不能全面反映现场实际情况。为此，《土石筑坝材料碾压试验规程(NB35016)》的附录A、《水电水利工程砂砾石料压实质量密度桶法检测技术规程(T/CEC5001-2016)》等规定了大尺寸的密度桶法，进行现场相对密度试验。但是，尚存在如下两个问题：一是对于粗粒土料的试验级配，虽然规定了上下包线、平均线、上下平均等5组代表性级配，但并没有说明如何确定试验级配的方法；现阶段将料场级配直接绘制在与粒径相关的级配曲线图上，确定外包线的方法，不能合理反映包线内级配的颗粒分布规律，据此进行相对密度试验的误差较大；二是对于不同试验级配最大粒径与密度桶尺寸如何匹配也缺少相关规定，这些问题都将影响相对密度试验结果的精度，从而影响对工程压实程度的合理评价。技术实现要素：发明目的：为了克服现行粗粒土填筑质量控制技术中的相对密度试验方法存在的不足，本发明提供一种确定粗粒土相对密度指标及现场填筑质量检测的方法，该方法能够合理反映级配真实的分布规律和干密度尺寸效应对粗粒土压实的影响，为粗粒土的压实质量控制评价提供可靠依据。技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种确定粗粒土相对密度指标的方法，首先对工程使用的级配粗粒土(堆石料、砂砾料、过渡料反滤料等)，在采用最大粒径进行归一化的基础上，确定级配包络线母线，并进行颗粒分布规律的统计分析，建立相应的级配包络母线统计模型；其次对级配包络母线进行插值，生成不少于5组通过粗粒土的相对密度试验级配母线；再次，选取不同最大粒径、径径比和缩尺比，利用所生成的级配母线，计算相应试验级配，进行相对密度试验，确定满足精度要求的试验径径比和缩尺比；然后，选取不同最大粒径，和满足相对密度控制精度要求的试验径径比和缩尺比，利用所生成的不少于5组相对密度试验级配母线，计算相应试验级配，进行相对密度试验，整理试验结果并绘制3因素曲线图；最后，对填筑粗粒土进行现场挖坑检测干密度，同时进行级配筛分，记录最大粒径以及颗粒P5含量，根据前述3因素图，检验是否满足设定相对密度的要求，具体包括以下步骤：步骤1，根据规范或设计要求，选取满足粗粒土工程要求的级配最大控制粒径范围[dumax，ddmax]，确定满足工程安全要求的相对密度设计指标，dumax表示上包线最大粒径，ddmax表示下包线最大粒径。步骤2，选取料场或填筑场地施工场的粗粒土，首先将满足步骤1要求的不同级配，用对应级配的最大粒径进行归一化处理，确定级配真实的上、下包络线，在进行级配统计分析的基础上，并建立归一化颗粒级配分布的统计模型曲线。步骤3，根据步骤2得到的级配真实的上、下包络线和颗粒级配分布的统计模型曲线，对包络线范围内采用插值法确定若干组代表性级配，得到室内或现场相对密度试验的级配母线。步骤4，根据步骤3得到的室内或现场相对密度试验的级配母线，选取满足步骤1要求的任一最大粒径dmax，计算确定室内或现场相对密度试验级配。步骤5，选取下包线级配，根据密度桶直径D以及步骤1确定的最大控制粒径ddmax，计算径径比D/ddmax，采用步骤4确定的试验级配，进行不同径径比条件下粗粒土的相对密度试验。根据试验结果，确定满足相对密度试验精度要求的径径比。步骤6，选用步骤3确定的室内或现场相对密度试验的级配母线，根据步骤1的下包线最大粒径ddmax，在满足步骤5径径比要求的前提下，选择试验级配的最大粒径dmax，计算缩尺比ddmax/dmax，进行不同缩尺比条件下粗粒土的相对密度试验。根据试验结果，确定满足试验精度要求的缩尺比。步骤7，选用步骤4确定的室内或现场相对密度试验级配，选用同时满足步骤5径径比要求和步骤6缩尺比要求的密度桶，进行不同最大粒径dmax条件下粗粒土的相对密度试验。根据试验结果，绘制不同最大粒径dmax前提下的干密度～P5含量～相对密度三因素图。优选的：所述步骤2确定级配真实的上、下包络线的方法，是将料场级配用对应级配的最大粒径dmax，除以各粒组的粒径di，进行归一化处理，通过绘制归一化处理后的各粒组粒径与最大粒径的比值和对应小于粒径di质量百分数P的关系曲线图，得到客观反映级配分布规律的真实上、下包络线的级配母线，并建立反映上述颗粒级配分布规律的统计模型。优选的：所述步骤2中采用式(1)或(2)所示的分布公式拟合不同粒径包络线的级配母线：式中，pi为缩尺级配小于某筛孔直径di的累积质量百分数。dmax为级配料的最大粒径，a、b、c为包线级配母线的模型参数。优选的：所述步骤2粗粒土级配统计分析的原则为：初选确定包络线范围的满足步骤1的级配总数，不应低于50组。优选的：所述步骤3得到室内或现场相对密度试验的级配母线的操作方法为，在料场包络线级配母线范围内，选取任一最大控制粒径的粗粒土代表性级配，应包含上/下包线、平均线、上/下平均线级配，试验组数不应低于5组。优选的：步骤4中计算确定室内或现场相对密度试验级配的函数为：式中，Pi为粒径不大于di的颗粒累计质量百分数，di为各粒组的粒径，当选定最大粒径dmax。优选的：试样室内最小干密度试验采用松铺法。最大干密度试验的操作方法为，采用现场密度桶法或室内表面振动器法以及振动台法，对步骤2选定的粗粒土，进行最大干密度值试验。一种采用上述确定粗粒土相对密度指标的方法的现场填筑质量检测方法，现场碾压结束后，在填筑现场布置探坑位置并挖坑，测量干密度、最大粒径以及计算各粒组的质量分布参数，利用步骤7确定在不同最大粒径dmax条件下的干密度～P5含量～相对密度Dr三因素图，查取探坑内粗粒土体碾压后的相对密度结果，进而判断是否满足工程设计相对密度要求。具体包括以下步骤：步骤A，进行现场挖坑检测填筑质量时，按灌水法或灌砂法测量粗粒体的干密度。同时进行级配筛分，记录最大粒径以及小于5mm颗粒的质量百分数P5值。步骤B，利用步骤A检测坑内粗粒土的最大粒径以及P5值，根据步骤6不同最大控制粒径下的极值干密度值与级配P5含量之间的关系，查取检测坑内粗粒土的最大、最小干密度，并利用下式计算土体压实相对密度值：其中，Dr表示相对密度，γdmax表示最大干密度，γd表示检测干密度，γdmin表示最小干密度；步骤C，对于步骤B检测坑内粗粒土的相对密度检测值，不低于步骤1的设计相对密度要求，则检测坑的填筑质量合格。否则为不合格。本发明相比现有技术，具有以下有益效果：本发明由于采用粗粒土级配最大粒径的归一化技术，得到的级配包络线，能够反映粗粒土真实的颗粒分布规律，同时通过最大控制粒径与密度桶直径的径径比和缩尺比试验，得到消除干密度缩尺效应，可以客观反映被检测粗粒土级配对干密度影响的相对密度指标系统，为粗粒土的填筑质量控制提供可靠依据。附图说明图1料场级配图2对最大粒径归一后的料场级配母线图3归一化设计级配与料场级配包络线图4归一化相对密度试验级配母线图5dmax＝230mm的相对密度试验级配图6现场密度桶法试验的相对密度3因素曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。一种确定粗粒土相对密度指标及现场填筑质量检测的方法。首先，对料场或填筑现场粗粒土的级配，采用各个级配对应的最大粒径进行归一化的基础上，得到归一化级配母线，确定级配包络线；对级配母线进行统计分析，建立颗粒分布统计模型。第二，选用下包线级配母线以及设计规定最大粒径，确定不低于3～4组不同径径比或缩尺比级配，进行相对密度试验，确定满足试验粗粒土的相对密度精度要求的径径比和缩尺比。第三，选用包络线内不低于5组粗粒土级配母线，在满足相对密度精度要求的径径比和缩尺比的基础上，选取不同最大粒径并确定相对密度试验级配，进行现场密度桶试验，建立不同最大粒径条件下的P5～相对密度～干密度的相互关系或相互关系曲线。第四，对填筑粗粒土进行现场挖坑检测干密度，同时进行级配筛分，记录最大粒径以及计算P5含量，查验是否满足设计相对密度的要求。具体包括以下步骤：步骤1，根据规范或设计要求，选取满足粗粒土工程要求的级配最大控制粒径范围[dumax，ddmax]，确定满足工程安全要求的相对密度设计指标，dumax表示上包线最大粒径，ddmax表示下包线最大粒径；步骤2，选取料场或填筑施工场的粗粒土，在对填筑级配对其最大粒径进行归一的基础上，确定级配上、下包络线范围，进行级配的统计分析，建立归一化颗粒级配母线的统计模型；具体确定级配真实的上、下包络线的方法，是将料场级配用对应级配的最大粒径dmax，除以各粒组的粒径di，进行归一化处理，通过绘制归一化处理后的各粒组粒径与最大粒径的比值和对应小于粒径di质量百分数P的关系曲线图，得到客观反映级配分布规律的真实上、下包络线的级配母线，并建立反映上述颗粒级配分布规律的统计模型。在步骤2中粗粒土级配统计的原则为，首先剔除不满足步骤2粒径要求的级配，然后将余下级配曲线采用该级配的最大粒径进行归一，得到归一后的级配包络母线。级配统计时不应低于50组，以保证统计规律的合理性。采用式(1)或(2)所示的分布公式拟合不同粒径包络线的级配母线：式中，pi为缩尺级配不大于某筛孔直径di的累积质量百分数；dmax为级配料的最大粒径，a、b、c为包线级配母线的模型参数。步骤3，根据步骤2得到的粗粒土级配真实的上、下包络线和颗粒级配分布的统计模型曲线，在包络线范围内采用插值法确定若干组代表性级配，得到室内或现场相对密度试验的级配母线；所述步骤3中试样室内或现场相对密度试验的级配母线，在料场包络线级配母线范围内，选取任一最大控制粒径的粗粒土代表性级配，可根据级配包络线先求平均级配线，然后在平均线与包线之间插值求上平均和下平均线，应包含上/下包线、平均线、上/下平均线级配。相对密度试验的组数不应低于5组。步骤4，根据步骤3得到的室内或现场相对密度试验的级配母线，选取满足步骤1要求的任一最大粒径dmax，计算确定室内或现场相对密度试验级配；计算确定室内或现场相对密度试验级配的函数为式中Pi为粒径不大于di的颗粒累计质量百分数，di为各粒组的粒径。当选定最大粒径dmax，各粒径组的质量百分数就可以通过级配母线的函数计算出来；如果颗粒分布规律过于复杂，级配母线难以用数学函数表示，则可直接根据质量分布的试验点反算确定试验级配。步骤5，选取下包线级配，根据步骤1确定的最大控制粒径ddmax以及密度桶直径D，计算径径比D/ddmax，采用步骤4确定的试验级配，进行不同径径比条件下粗粒土的相对密度试验；根据试验结果，确定满足相对密度试验精度要求的径径比。所述步骤5的径径比(D/ddmax)试验时，可改变密度桶直径或颗粒最大粒径，径径比宜包含2、3、5倍且不低于3组,。步骤6，选用步骤3确定的粗粒土相对密度试验级配母线，根据步骤1的最大控制粒径下包线最大粒径ddmax，在满足步骤5径径比要求的前提下，选择试验级配的最大粒径dmax，计算缩尺比ddmax/dmax，进行不同缩尺比条件下粗粒土的相对密度试验；根据试验结果，确定满足试验精度要求的缩尺比。所述步骤6的缩尺比(ddmax/dmax)试验时，为合理分析缩尺规律，缩尺比取值不应低于5组。步骤7，选用步骤4确定的粗粒土相对密度试验级配，选用同时满足步骤5径径比要求和步骤6缩尺比要求的密度桶，进行不同最大粒径dmax条件下粗粒土的相对密度试验；根据试验结果，绘制不同最大粒径dmax前提下的干密度～P5含量～相对密度三因素图。所述步骤5、步骤6、步骤7的相对密度试验方法，最小干密度试验采用松铺法。最大干密度试验的操作方法为，室内采用《水电水利粗粒土试验规程DL/T5356-2006》规定的表面振动器法或振动台法，现场可采用《水电水利工程砂砾石料压实质量密度桶法检测技术规程(T/CEC5001-2016)》的密度桶法。通过步骤1～步骤7采用粗粒土级配对最大粒径的归一化技术，就可得到即能反映粗粒土真实的颗粒级配影响，同时通过缩尺比和径径比试验消除干密度缩尺效应，可以客观反映粗粒土压实性能的相对密度指标系统——不同最大粒径前提下的干密度～P5含量～相对密度Dr的3因素图。以下步骤为实施粗粒土实际填筑质量的检测方法：步骤8，现场碾压结束后，在填筑现场布置探坑位置并挖坑，测量干密度、最大粒径以及计算各粒组的质量分布等参数，利用步骤7确定在不同最大粒径dmax条件下的干密度～P5含量～相对密度Dr三因素图，查取探坑内粗粒土体碾压后的相对密度结果，如果不小于步骤1的相对密度设计指标，则检测坑的填筑质量合格。否则为不合格。具体包括以下步骤：步骤A，进行现场挖坑检测填筑质量时，按灌水法或灌砂法测量粗粒体的干密度；同时进行级配筛分，记录最大粒径以及小于5mm颗粒的质量百分数P5值；步骤B，利用步骤A检测坑内粗粒土的最大粒径以及P5值，根据步骤6不同最大控制粒径下的极值干密度值与级配P5含量之间的关系，查取检测坑内粗粒土的最大、最小干密度，并利用下式计算土体压实相对密度值：其中，Dr表示相对密度，γdmax表示最大干密度，γd表示检测干密度，γdmin表示最小干密度；步骤C，对于步骤B检测坑内粗粒土的相对密度检测值，不低于步骤1的设计相对密度要求，则检测坑的填筑质量合格；否则为不合格。实例本实施案例结合某工程筑坝粗粒料的料场级配以及缩尺级配，进行相对密度试验，按本专利建议的方法，确定粗粒土的相对密度指标，并进行现场填筑质量检验。图1为料场粗粒土填筑级配，共98组，最大粒径为175mm～400mm。步骤1，根据设计要求，本工程的下包线最大粒径560mm，上包线最大粒径230mm，填筑土体的相对密度设计指标为0.9。步骤2，对料场98组粗粒土级配，剔除最大粒径小于230mm的级配，同时对每条级配曲线的最大粒径进行归一化，得到的级配母线见图2；根据图2料场级配分布，绘制归一化的级配包线见图2，图3可以看出设计级配包络线不能反映料场级配的真实分布规律。提出式(2)所示的分布公式拟合大于0.5mm粒径的包线级配母线，平均相关系数大于0.99，可较好地反映粗粒土级配的颗粒分布特性。式中pi为缩尺级配小于某筛孔直径di的累积质量百分数，％；dmax为级配料的最大粒径，a、b、c为包线级配母线的模型参数。经计算，图2中上包线、下包线的级配模型参数a、b、c分别为0.715/16.362/1.741和0.991/2.352/1.433。步骤3，根据图2以及式(1)的级配模型，在级配包络范围内插值确定5组粗粒土级配母线，曲线见图4所示，级配模型参数见表1：表1试验级配母线参数级配名abc备注上包线0.71516.3621.741上平均线0.8035.7911.285平均线0.8733.5471.176下平均线0.9422.6301.231下包线0.9912.3521.433步骤4，根据步骤3得到的级配母线，本次选取满足步骤1要求的最大粒径dmax＝230mm，根据式(1)、(2)计算现场相对密度试验级配，见表2和图5；步骤5～步骤6，本案例直接借鉴已有研究资料，本次试验径径比取不小于3倍，缩尺比取1.0。步骤7，采用密度桶法，对步骤4的级配进行现场相对密度试验，得到相应的最大、最小干密度试验结果见表3和图6所示。表2粗粒土的现场相对密度试验级配(dmax＝230mm)及检测级配表3粗粒土现场密度桶法的相对密度试验结果步骤8，本工程第59层填筑层的现场挖坑检测级配-1见表2所示，对应公式(1)的级配参数为0.941/2.718/1.104，测量最大粒径231mm，小于5mm颗粒含量为16.7％，按灌水法坑检干密度为2.254g/cm3。根据图5现场相对密度试验结果，根据P5含量由图插值结果为最小干密度1.937g/cm3，最大干密度为2.292g/cm3，计算碾压后相对密度为：检测相对密度大于0.9，满足粗粒土填筑质量控制要求，检测坑的填筑质量合格。本发明提出了采用级配粗粒土最大粒径归一化的新方法，确定级配包络线，能够反映粗粒土真实的颗粒分布规律；同时利用规一化的级配包线，内插生成不同试验级配，并通过缩尺比和径径比试验，得到消除干密度缩尺效应；利用本专利方法的相对密度试验结果，可以客观反映粗粒土级配对干密度影响的相对密度指标系统，为粗粒土的填筑质量控制提供可靠依据。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页1 2 3