灌水法测定现场堆石料原位密度的修正方法与流程

本发明属于岩土工程现场测试领域，涉及的是一种灌水法测定堆石料原位密度的修正方法。

背景技术：

中国水利水电施工规范(sl303-2004)中规定：土石坝工程中，应以压实度作为堆石料的现场压实质量控制指标。现场压实度则由压实后的堆石料原位密度除以堆石料最大干密度得到，大量室内研究表明堆石料密度对其应力变形影响很大，因此堆石料现场原位密度测量的准确性事关整个土石坝的安全。

目前，测定土体原位密度的方法主要有环刀法、灌砂法、灌水法及附加质量法等。土工试验方法标准(gb/t50123-2019)中规定环刀法适用于细粒土；灌砂法和灌水法适用于细粒土、砂类土和砾类土。由于堆石料颗粒直径较大，颗粒间孔隙较为明显，采用灌砂法进行试验时砂常常会从孔隙间流出，因此不适用于填石路堤等有大孔洞或大孔隙材料的压实度检测。实际土石坝工程中，常常采用灌水法来测定压实后的堆石料原位密度。土工试验方法标准(gb/t50123-2019)中规定灌水法应使用聚乙烯塑料薄膜作为坑内储水容器，规范中规定最终密度计算采用坑内注满水后储水桶内消落的水的体积作为坑内堆石料的绝对体积。实际操作中，塑料薄膜在逐渐注水的过程中有发生侵入颗粒孔隙间的现象，测得的堆石料体积包含了塑料薄膜侵入堆石料孔隙间的体积，这部分体积不应计入堆石料的绝对体积中，因此灌水法测得的坑内堆石料体积偏大，导致测得的原位密度总体偏小。

技术实现要素：

为解决现有方法的缺点，本发明提供了一种灌水法测定堆石料原位密度的修正方法，降低塑料薄膜在逐渐注水的过程中有发生侵入颗粒孔隙间的影响。

为达到上述目的，本发明所采用的方法为：、一种灌水法测定堆石料原位密度的修正方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)根据室内土工试验测定现场堆石料平均粒径d50、现场试验拟用的聚乙烯膜厚度tp及弹模ep；

(2)堆石料碾压后，现场挖圆柱形试坑，测定试坑深度h1；优选地，所述试坑深度h1大于堆石料最大粒径的5倍，试坑的直径要大于堆石料最大粒径的5倍；

(3)测定挖出堆石料的重量为m0、含水率为ωs；

(4)在试坑周边安装套环，并在坑内铺设聚乙烯膜，测定套环深度h0及套环直径d0，亦即试坑的直径；

(5)打开储水桶的开关，水通过水管接入试坑内，待水位与套环表面相同时关闭储水桶的开关，记录储水桶内的水位差为h2-h3、量测储水桶直径为dt；

(6)计算水流入试坑内的体积为：

(7)根据式(15)计算聚乙烯膜的侵入体积为：

其中，m＝324.7α⁴+237.3α²-3.5α+20.2，其中γ为水的重度9.8kn/m³，

(8)计算试坑实际体积为：vs-vp，

(9)根据试坑内堆石料的重量计算堆石料的湿密度ρs及干密度ρd分别为：

有益效果：与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：

(1)有效降低塑料薄膜在逐渐注水的过程中有发生侵入颗粒孔隙间的影响，可以极大提高灌水法测定现场堆石料密度的精度，从而保障工程施工质量；

(2)测定方法简单，只要测量6个参数即可准确得到现场堆石料密度值；

(3)对于现场不同粒径的堆石料、反滤料、过渡料原位密度均有较好的修正效果，适用范围广，且大大节省了测量成本。

附图说明

图1为本发明一种灌水法测定堆石料原位密度的修正方法示意图；图中主要附图标记含义如下：

1-储水桶；2-水管；3-聚乙烯薄膜；4-套环；5堆石料；6振动压实机；7铁桶；

图2为薄膜均布于颗粒簇(4个颗粒)下变形示意图；

图3位埋置铁桶后，现场碾压示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做具体的介绍。

本发明提出了一种灌水法测定现场堆石料密度的方法。图1为灌水法测定堆石料原位密度的示意图。传统灌水法操作中，塑料薄膜在逐渐注水的过程中有发生侵入颗粒孔隙间的现象，测得的堆石料体积包含了塑料薄膜侵入堆石料孔隙间的体积，这部分体积不应计入堆石料的绝对体积中，因此灌水法测得的坑内堆石料体积偏大，导致测得的原位密度总体偏小。为了克服这一缺陷，本申请将聚乙烯膜侵入问题简化为一定厚度介质在均匀压力下侵入均匀颗粒孔隙内的情况。如图2所示，颗粒中心点间距为a，堆石料平均粒径为d50，聚乙烯膜厚度及弹膜分别为tp及ep。

依据板壳理论，该问题的变形方程为：

其中，ω(x,y)为曲面上任一点垂直于压应力方向的挠度，ω0为平均挠度，其最大值为ω0(2-α)。α为系数，表示为：

其中，其中，p为作用于膜表面的均布力，a为相邻颗粒间间距，为2d50。α是理论中的参数，用来修正ω(x,y)曲面形状的，没有物理意义，则该介质侵入颗粒孔隙间的总体积可以表示为：

vm＝∫ωodap(3)

该问题的弹性力学基本物理方程为：

其中gp为聚乙烯膜的剪切模量：

基于板壳理论，该问题的协调方程为

聚乙烯膜的应变能为：

将式(6)带入到式(7)可得到：

利用正弦及余弦波函数表示整体位移：

水平位移在竖向不做功：

将上述式子带入式(11)可以得到：

作用于膜表面的均布力p对橡皮膜做功应等于橡皮膜本身的应变能，可得到：

消去式(13)中π可得聚乙烯膜的单位面积侵入量为：

对图1中聚乙烯膜进行受力分析，其所受水压力分别为周边水压力γh及底部水压力γh1，其中，周边水压力γh可以简化为均布压力0.5γh1。根据置入坑内聚乙烯膜的总面积，可以求出圆形坑内聚乙烯膜的总侵入体积为：

其中，m＝324.7α⁴+237.3α²-3.5α+20.2，

式(14)即为灌水过程中聚乙烯膜侵入堆石料间体积的理论解，需要测定的参数有6个：堆石料平均粒径d50、试坑深度h1、套环深度h0、套环直径d0、聚乙烯膜厚度tp及弹模ep。

具体操作步骤：

(1)根据室内土工试验测定现场堆石料平均粒径d50、现场试验拟用的聚乙烯膜厚度tp及弹模ep；

(2)堆石料5碾压后，现场挖圆柱形试坑，测定试坑深度h1；

(3)测定挖出堆石料的重量为m0、含水率为ωs；

(4)在试坑周边安装套环4，并在坑内铺设聚乙烯膜3，测定套环套环深度h0及套环直径d0；

(5)打开储水桶1的开关，水通过水管2接入试坑内，待水位与套环表面相同时关闭储水桶1的开关，记录储水桶内的水位差为h2-h3、量测储水桶直径为dt；

(6)计算水流入试坑内的体积为：

(7)根据式(15)计算聚乙烯膜的侵入体积为：

其中，m＝324.7α⁴+237.3α²-3.5α+20.2，

(8)计算试坑实际体积为：vs-vp

(9)根据试坑内堆石料的重量计算堆石料的湿密度ρs及干密度ρd分别为：

利用上述方法，本申请碾压前在现场不同位置分别埋置了8个圆形铁桶，直径分别为120cm和50cm，采用的聚乙烯膜厚度tp为0.50mm，弹模ep为0.45gpa，待场地全部碾压后，挖出铁桶内的堆石料，称量其重量，根据铁桶的体积即可求出无侵入情况下现场堆石料的真实密度。传统灌水法与埋置铁桶的方法测得的干密度相差较大，经本方法修正后得到的干密度与真实值差异较小，因此本发明方法可以极大提高灌水法测定现场堆石料密度的精度。

从实验结果可以看出，利用本发明的方法测定的现场堆石料密度可以有效降低塑料薄膜在逐渐注水的过程中发生的侵入颗粒孔隙间的影响，可以极大提高灌水法测定现场堆石料密度的精度，从而保障工程施工质量；本发明测定方法简单，只要测量6个参数即可准确得到现场堆石料密度值；且对于现场不同粒径的堆石料、反滤料、过渡料原位密度均有较好的修正效果，适用范围广。