连续级配碎砾石粗细颗粒区分粒径分析

齐俊修，赵晓菊，刘 艳，张中炎，张广禹(.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 0004；.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 0004；. 黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450008)



连续级配碎砾石粗细颗粒区分粒径分析

齐俊修1，赵晓菊1，刘 艳1，张中炎2，张广禹3
(1.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024；2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300204；3. 黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 450008)

摘要：粗细颗粒区分粒径是连续级配碎砾石细粒含量判别法判别渗透变形类型重要指标，但目前为止，粗细颗粒区分粒径确定方法和量值均不一致，为验证2个典型方法及量值的适宜性和符合性，统计分析了45个工程179个试样的渗透变形试验结果，结果表明，定值法中以2 mm作为粗细颗粒区分粒径时，其渗透变形类型判断结果与试验结果符合率达80.7%，远高于变值法中以为区分粒径时的符合率54.2%。推荐以2 mm作为不均匀连续级配碎砾石粗细颗粒区分粒径。

关键词：连续级配；碎砾石，粗细颗粒；区分粒径；定值法；变值法。

1　概述

国内外坝工实践表明，由于渗流引起的渗透变形是造成土石坝破坏和失事的主要原因。故深入开展渗透变形研究具有重要意义。

渗透变形类型的正确判别，是渗透变形合理预防与治理的基础，许多学者根据不同的理论基础和试验数据，提出了多种判别渗透变形类型的方法，如基于反滤层设计理论的判别法、不均匀系数判别法、细粒含量判别法等。其中细粒含量判别法在渗透变形类型判别中占重要位置，已纳入国标无粘性土渗透变形类型判别准则中。细粒含量判别法认为：无粘性粗粒土由粗颗粒和细颗粒组成，粗颗粒起骨架作用，细颗粒起填料作用。当细颗粒含量达35%时，粗颗粒孔隙完全被细颗粒填满，此时土的渗透破坏类型为流土。不难看出，细粒含量判别法中有一个关键指标，即粗细颗粒区分粒径。但目前，学者对粗细颗粒区分粒径确定方法和结果均不尽相同。概括起来主要有两种确定方法，一种为定值法，即将粗细颗粒区分粒径确定为一个固定值，如将2 mm、5 mm或1 mm作为粗细颗粒区分粒径，其中以2 mm作为粗细颗粒区分粒径为主；另一种为变值法或称公式确定法，认为对于不均匀的连续级配的碎砾石，可以用几何平均粒径作为粗料和细料的区分粒径，即df=(其中，d70为土中小于该粒径的土重占总土重的70%，d10为土中小于该粒径的土重占总土重的10%)，该确定方法被国标采纳。

为进一步验证上述两种方法的适宜性，本文收集了45个工程179个试样的完整的渗透变形试验资料，将以2 mm和确定的粗细颗粒区分粒径判别的渗透变形类型与实际试验结果进行比较，比较结果表明，用2 mm作为连续级配碎砾石的粗细颗粒区分粒径时，与试验结果对比，其符合率为80.7%，用作为不均匀连续级配碎砾石的粗细颗粒区分粒径时，与试验结果对比，其符合率仅为54.2%。前者明显优于后者。

2　粗细颗粒区分粒径的基本规定

(1)所有参与比较分析的土均为碎砾石，且级配特征为连续级配，即颗粒组成曲线中段每一粒径级的含量应大于3%，此外，其不均匀系数Cu应大于5。

(2)细粒含量判别法渗透变形类型确定准则为：细粒含量Pc<25%时为管涌，25%≤Pc<35%时为过渡，Pc≥35%时为流土。不论区分粒径为2 mm还是均按上述原则进行判断。

按上述方法对渗透变形类型判定结果与试验结果一致时，称为符合，不一致时，称为不符合。

(3)经过综合判断，找出渗透变形试验结果明显错误的试样，将该部分试样数从统计试样总数中扣除，然后以扣除明显错误试样数后的试样数作为基数，进行符合率统计，以该统计结果作为最终符合率。

3　颗粒级配及渗透变形类型判定结果

3.1连续级配碎砾石颗粒级配

连续级配碎砾石颗粒级配按不均匀系数580分成5部分，分别绘制颗粒级配上下包线，结果见图1～图5。

图1　5

图2　10

图3　20

图4　40

图5　Cu>80颗粒级配包络曲线

3.2渗透变形类型比较结果

总的比较结果见表1，以Cu不同区间值比较结果见表2。

表1　连续级配碎砾石土渗透变形类型试验结果与细粒含量法判定结果比较

表1 表明，以2 mm为粗细颗粒区分粒径时判定结果与试验结果符合率为80.7%，以为粗细颗粒区分粒径时判定结果与试验结果符合率为54.2%，前者比后者高出26.5%。

表2　不同Cu值时连续级配碎砾石土渗透变形类型试验结果与细粒含量法判定结果比较

表2表明，以2 mm为粗细颗粒区分粒径判定的渗透变形类型在不同的Cu区间，与试验结果相比均有较好的符合率。但以为粗细颗粒区分粒径时，在不同的Cu区间，则符合率相差很大，主要表现在580时，符合率分别达到70.9%和52.4%。

3.3对比结果不一致原因分析

通过对细粒含量判别法渗透变形类型判定结果与试验结果比较分析，我们认为有两种情况应属导致细粒含量判别法判定结果与试验结果不一致性的主要原因。这两种情况分别为符合反滤设计准则判别法的试样及少量试验结果不准确的试样。分述如下：

(1)凡符合反滤设计准则判别法的试样，当其D15/d85符合下述结果时，其试验结果就和细粒含量判别法判定结果不一致。即当连续级配碎砾石细粒含量小于25%时，粗粒部分的D15与细粒部分的d85之比小于5时，则其渗透变形类型不遵循细粒含量法判别准则，即其渗透变形类型不是管涌而是非管涌，即遵循了反滤设计准则；同样细粒含量大于等于35%时，则当粗粒土部分的D15与细粒部分的d85之比大于5时，则其渗透变形类型也不遵循细粒含量判别法判别准则，即其渗透变形类型不是流土而是管涌，即遵循了反滤设计准则；当连续级配碎砾石细粒含量大于等于25%而小于35%时，且当D15/d85≤5时，应为流土而非管涌，当D15/d85>5时，应为管涌而非流土。总之，凡是连续级配碎砾石颗粒级配符合上述反滤设计准则时，则其渗透变形类型不符合细粒含量判别法判别准则，因而影响了其与试验结果的符合率，在本文统计的179个试样中，有28个试样符合上述反滤准则，而不符合细粒含量判别法判别准则，占总统计试样的15.6%。具体比对结果见表3。上述之不符合是细粒含量法本身缺陷造成的。是导致细粒含量判别法与试验结果不符合的重要原因。

表3　符合反滤设计准则判别法试验结果

(2)少量试验结果不准确，因而导致细粒含量判别法判定渗透变形类型与试验结果不符。产生这种情况原因不是细粒含量判别法本身造成的，因此，此部分试验样品数不应参与符合率统计，根据经验，该类样品占总试验样品的5%～8%。本次属于试验结果不准确的有13个样品，占总试验样品的7.3%。综合判定少量试验结果不准确试样见表4。

综合判断试验结果不准确的依据是基于分别用2 mm细粒含量判别法、细粒含量判别法及反滤设计准则D15/d85这三种方法判断渗透变形类型时，若试验结果(破坏型式)与上述三种判断方法中的两种或三种判断结果不符合时，则认为试验结果不准确。显然，表四所列试验结果均符合这种情况。

表4　综合判断少量不准确试验结果

我们通过对45工程179个试样的细粒含量判别法及试验结果比较分析，对粗细颗粒区分粒径分别为2 mm和的优缺点进行了归纳，主要有以下几点：

3.4.1为2 mm时主要优缺点

(1)以2 mm作为区分粒径进行细粒含量法判别时，其与实际试验结果符合率较高，本次统计结果达80.7%。

(2)以2 mm作为区分粒径时，容易确定。

(3)以2 mm作为区分粒径时，物理意义明确，即为工程地质和土工试验均将2 mm作为砂与砾的区分粒径。

4　结语

通过对45个工程179个试样渗透变形试验结果与细粒含量判别法判定渗透变形类型比较，得出以下主要认识：

(1)以2 mm作为粗细颗粒区分粒径进行细粒含量判别法渗透变形类型判别时，其与试验结果符合率较高达80.7%，远高于以作为粗细颗粒区分粒径时的符合率54.2%，高出26.5%。

(2) 以2 mm作为粗细颗粒区分粒径时，其值不需计算，但以作为粗细颗粒区分粒径时其值必须进行计算。

(3) 以2 mm作为粗细颗粒区分粒径，物理意义明确，即为工程地质和土工试验中砂与砾的分界粒径。

(4)综上分析，推荐以2 mm作为不均匀连续级配碎砾石粗细颗粒区分粒径。

参考文献：

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[3]GB 50287—2006，水力发电工程地质勘察规范[S].

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[8]彭土标，等. 水力发电工程地质手册[M]. 北京：中国水利水电出版社，2011.

Analysis on Distinguished Particle Size of Coarse and Fine Crushed-gravel Material with Continuous Gradation

QI Jun-xiu1, ZHAO Xiao-ju1, LIU Yan1, ZHANG Zhong-yan2, ZHANG Guang-yu3
(1. PowerChina Beijing Engineering Corporation limited, Beijing 100024, China；2. China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co., Ltd., Tianjin 300204, China；3.Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou, Henan 450008, China)

Abstract:The distinguished particle size of coarse and fine gravels is an important index for judging the type of seepage deformation with the fine content discrimination method for fine particles with continuous gradation. However, the method and values in determining the distinguished particle size of fine and coarse gravel materials are inconsistent so far. In order to test the suitability and conformity between 2 typical methods and values, the test results of seepage deformation of 179 samples taken from 45 projects test have been calculated and analyzed. The testing results indicate that when the 2mm distinguished particle size is taken in fixed value method, the coincidence rate between the judging result and testing result of seepage deformation type reaches 80.7%, which is 54.2% higher than that used in variable value method takingthe particle size. Therefore, 2mm is recommended as the distinguished particle size of coarse and fine gravel material with non-uniform continuous gradation.

Key words:continuous gradation; crushed aggregate, coarse and fine particle; distinguished particle size; fixed value method; variable value method.

中图分类号：P642

文献标志码：B

文章编号：1671-9913(2016)01-0006-05

* 收稿日期：2015-11-03

作者简介：齐俊修(1946- )，男，教授级高级工程师，主要从事岩土工程科研试验、监测、治理等方面的研究工作。