轻重两用型大型击实仪的仪器结构和使用方法

尤苏南

(化学工业岩土工程有限公司,江苏南京210044)

0 前 言

土样的击实试验,广泛应用于建筑地基填土、填海工程以及土坝、公路、机场跑道等工程。按规范规定的击实功能下,测定土的含水率与干密度之间的关系,从而确定填土的最优含水率及相应的最大干密度。

在特殊地基的工程勘察中,常常遇到混合土、粗粒土、风化破碎类花岗岩[1]、山渣料[2]如何进行大型击实试验的问题。这类土主要由级配不连续的粘粒、粉粒、粉砂和碎石(块石)组成,由于混合土的组成比较复杂,影响压实程度的因素较多。含大颗粒土的最大干密度和最佳含水率从理论上是能够通过击实试验来确定的,问题的关键是大粒径土的击实试验需要相应的击实仪,目前标准的击实仪显然是不行的[3]。如能用大型击实仪直接测定可以得到更满意的结果。

目前轻重两用型击实仪基本为小型,只适用于细粒土。适用于粗粒土的大型击实仪多为各单位自制[4-6],有电动的、液压的等,结构设计多数较为复杂、结构各异,且大都要有电源。勘察工作为工程建设前期工作,野外施工环境往往荒无人烟、条件简陋、没有电源,需要一种不用电的轻重两用型大型击实仪。

1 试验仪器的结构

通过对不少土工试验仪器生产厂家的调查表明,目前还没有大型击实仪的定型产品。根据有关规范、规程,笔者自行设计加工了一套轻、重型两用的大型击实仪。

1.1 击实功的确定

我们采用现行国家标准《土工试验方法标准》GB/T 50123-1999[7]中规定的单位体积击实标准,即取用轻型击实试验的单位体积击实功为591.6 KJ/m3;重型击实试验的单位体积击实功为2 682.7 KJ/m3。单位体积击实功的计算公式为:

1.2 试样尺寸的确定

由于混合土的粒径变幅大,大型仪器尺寸不能随天然级配或实际填料最大粒径而定。我们在参考了中华人民共和国行业标准.SL237-1999土工试验规程[8]所选用的试样尺寸的基础上,采用了如下数值:击实筒内径D为30 cm,试样高度H为28.3 cm,径高比(D/H)接近于1,试样直径与允许最大粒径dmax之比D/dmax=5,高径比H/dmax≈5,允许最大粒径为60 mm,技术参数见表1。

表1 大型击实仪技术参数表

1.3 击实筒的型式

关于击实筒的型式,目前均采用封闭圆筒式,由于试样体积较大,击实完毕后人工清土工作量太大,采用推土器亦较繁琐,可以采用对开式击实筒,既降低了劳动强度,又提高了工作效率。

1.4 仪器结构型式

本文提供一种结构简单、便于携带、适应性广的土样击实仪,此土样击实仪,包括底板、击实筒和穿心击实锤,还包括立柱、刻度盘、盖土板、导向笼、导向杆、穿心抓体、横杆和绳索。

击实仪的结构示意图如图1、图2,图中:

1—底板,2—立柱,3—立柱紧固螺帽,4—刻度盘,5—击实筒,6—刻度线,7—压紧杆,8—压紧杆紧固螺帽,9—穿心击实锤,10—护筒,11—连接耳,12—盖土板,13—滑套,14—导向笼,15—导向杆,16—穿心抓体,17—横杆,18—导向笼紧固螺帽,19—钢丝绳,20—导向杆紧固螺帽,21—至提锤动力源,22—F型卡板把手,23—转轴。

图1 击实仪结构示意图

图2 在图1中所示土样击实仪的A向视图

现在结合图1、图2说明如下:

(1)刻度盘放于底板,击实筒连接在刻度盘上,两立柱垂直固定在击实筒的两侧,导向笼连接在横杆上,盖土板与导向笼下端非同心连接,横杆的两端分别与一立柱滑动连接,并使导向笼在轴线方向上位于击实筒内侧的一侧,导向杆置于导向笼的中心部位,导向杆的上端与横杆连接,抓体连接绳索并穿套在导向杆上,抓体间隙连接穿心击实锤。

(2)盖土板与导向笼下端非同心连接,使盖土板与导向笼下端面的集合面与击实筒轴向截面相对应。

(3)抓体主要由销、上圆柱体和下圆柱体组成,上、下柱体由连接件连接成一体,上、下柱体的中心设有同轴线的供所述导向杆穿过的导向孔,上、下柱体相互贴合的端面上分别设有沿周向均布的数个相对应的径向槽,该槽孔与导向孔连通,上、下柱体上两对应的槽形成一槽孔,销置于该槽孔内,所述槽孔的深度小于销的长度,使销的一端露出抓体外或露出所述导向孔内。

(4)导向杆由上下两段不同直径的杆组成,下段杆的直径大于上段杆的直径,且下段杆的直径与抓体上的导向孔对应,该下段杆处于抓体的导向孔中时,销露在所述导向孔内的部分受到导向杆的推抵,向外移动而露出抓体外。

(5)穿心击实锤的上端设有与抓体的所述上下圆柱体外圆直径相对应的台阶孔,抓体沿导向杆下移落入该台阶孔时,处于导向杆较大直径的下段杆处,销被推出,销受到所述台阶孔与导向杆的挤压,抓体与穿心击实锤连接,抓体沿导向杆向上移进入导向杆较小直径时,销不再受到所述挤压,抓体与穿心击实锤分离。

(6)旋转刻度盘的径向对称两侧设有压紧杆,击实筒的上端设有护筒,该护筒的两侧设有连接耳,该连接耳穿套在对应的压紧杆上并由螺母固定,使旋转刻度盘与护筒及击实筒连接成一体,在底板对应于刻度盘中心处设有转轴,刻度盘铰接于该转轴。

(7)击实筒的一侧卡接一个用于推动击实筒及刻度盘转动的F型卡板把手。

(8)旋转刻度盘外边缘的底板上,设有对零刻度线。

(9)绳索跨过横杆,绳索的两端分别与抓体连接。

(10)横杆的两端分别设有滑套,滑套穿套在立柱上。

2 本土样击实仪的特点

图1所示的击实仪省去了旋转击锤方式所对应的复杂传动机构,使击实仪的结构简单,从而制造容易,安装方便,更适合野外作业的需要。由于结构简单,故障率低,特别适合粗粒土土样的大型击实试验;

(1)由导向杆上粗细杆径的长度设置,能精确控制击实锤的落高;

(2)通过刻度盘能均匀旋转击实筒,从而保证击实锤的锤击均匀,可有效发挥击实时的搓揉作用,充分排出土壤中的空气,得到较为符合实际状况的试验结果;

(3)能适应不同的轻重型击实需要,只要调换不同重量的击实锤。

3 试验方法

3.1 试样制备

仪器最大允许粒径dmax为60 mm,因此宜在现场选取有代表性土样风干后过筛,求取直径大于60 mm颗粒占全重的百分比。然后将全部试料(每点约50 kg)风干,将土及附着在粗颗粒上的细粒土碾散,注意不要使颗粒受到破坏,依次过筛分组称重备用。根据颗分成果按要求的级配配料,对直径大于60 mm部分,用允许粗粒进行等重量代替,将取好的试料拌合均匀,在不吸水垫板上按各点要求进行含水率配制,并充分拌匀,采取保湿措施,浸润一昼夜以后待用。

3.2 击实仪组装和操作方法

(1)击实仪安装:将击实仪底板置于坚实地面上,在其与带同心圆刻度线旋转度盘接触处涂抹黄油,然后按图1所示安装其余部件,根据技术要求,选择轻型或重型击实锤,并将击实锤头和提锤动力源连接。

(2)进行击实试验:启动动力源,提锤动力源采用柴油发动机勘察钻机的卷扬装置,其使用方法与标贯试验完全相同。

(3)将击锤及落高跟踪部件提升至击实筒上方,取制备好的试料若干(具体按击实层数确定)装入击实筒内并整平表面(防止砾石集中),然后将盖土板置于土表面即可击实。

(4)做轻型击实时,共分3层击实,采用奇数记数,每层为13击。

(5)做重型击实时,共分5层击实,每层为50击,旋转两次25击即可。

(6)“F”型卡板把手卡口向下卡在护筒上口,采用“F”型卡板把手人工旋转击实筒及分度旋转盘。

(7)击实后余土超高不宜大于20 mm。将击锤及落高跟踪装置再次提升至击实筒上方,取下护筒,用刮土刀削去超高部分,表面填平补齐后再次削平,擦净筒外壁后称重,准确至50 g。试样取出后,按要求测定全料含水率。

(8)重复上述步骤,进行不同含水率点各试样的击实。直至土样击实完成。

3.3 击实后试样处理

击实后余土超高不宜大于20 mm。将击锤及落高跟踪装置再次提升至击实筒上方,取下护筒,用刮土刀削去超高部分,表面填平补齐后再次削平,擦净筒外壁后称重,准确至50 g。试样取出后,按要求测定全料含水率。

重复上述步骤,进行不同含水率点各试样的击实。

4 成果整理

按ρd=ρ0/(1+W)计算各含水率下的干密度。式中:ρd为干密度(g/cm3);ρ0为湿密度(g/cm3);W为含水率(%)。

在直角坐标系上绘制干密度ρd和含水率W关系曲线,取曲线峰值点相应的纵坐标为击实试样的最大干密度,相应的横坐标为击实试样的最优含水率。当曲线无峰值时应补点,土样不得重复使用。

5 结 语

(1)实践表明,落高跟踪和自动控制落锤部件,确保了落锤高度的精确性;分度旋转盘能确保旋转锤迹分布的均匀性,有效地发挥了搓揉作用,充分排出土样中的空气;采用旋转击实筒的方法,省去了旋转击锤方法所需的繁杂部件;更重要的是,根据不同技术要求,轻、重型击实的变换十分方便,只要更换击锤即可。

(2)该仪器经过在湖北黄麦岭磷矿矿肥结合工程填方区(山体爆破后回填)、吉林化学工业公司芳烃装置填方区等地多次实际使用,证明其性能能较好地反映工程实际,成果符合技术要求。

(3)击实试验的主要目的,是为了计算填土地基的压实系数,以检查填土地基的质量。这就要求现场干密度的求取必须准确可靠,因此,现场密度试验,必须在试坑内用灌水法或灌砂法原位测定。

[1]寇梦婕,张 晔.风化破碎类花岗岩应用于路面基层性能试验研究[J].水利与建筑工程学报,2011,9(3):160-162,166.

[2]曹可勇,刘丽萍,李高旺.山渣料工程性质的研究[J].水利与建筑工程学报,2007,5(3):28-29,61.

[3]叶晓明,苏 磊,明成云.大型击实试验研究初探[J].地下空间,2001,21(2):138-142.

[4]朱宏祥,赵小兵.粗粒土最大干密度试验研究[J].西部探矿工程,2009,21(1):46-48.

[5]袁鹏飞,吕 琳.粗粒土最大干密度试验研究[J].中国科技博览,2009,(21):175-176.

[6]周志军,杨荣尚,马小伟.超粒径土石混合料最大干密度的试验研究[J].公路,2007,(4):5-11.

[7]中华人民共和国水利部.GB/T50123-1999.土工试验方法标准[S].北京:中国计划出版社,1999:52-56.

[8]南京水利科学研究院.SL237-1999.土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999:428-433.