輕重兩用型大型擊實(shí)儀的儀器結(jié)構(gòu)和使用方法

尤蘇南

(化學(xué)工業(yè)巖土工程有限公司,江蘇南京210044)

0 前 言

土樣的擊實(shí)試驗(yàn),廣泛應(yīng)用于建筑地基填土、填海工程以及土壩、公路、機(jī)場跑道等工程。按規(guī)范規(guī)定的擊實(shí)功能下,測定土的含水率與干密度之間的關(guān)系,從而確定填土的最優(yōu)含水率及相應(yīng)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、風(fēng)化破碎類花崗巖[1]、山渣料[2]如何進(jìn)行大型擊實(shí)試驗(yàn)的問題。這類土主要由級配不連續(xù)的粘粒、粉粒、粉砂和碎石(塊石)組成,由于混合土的組成比較復(fù)雜,影響壓實(shí)程度的因素較多。含大顆粒土的最大干密度和最佳含水率從理論上是能夠通過擊實(shí)試驗(yàn)來確定的,問題的關(guān)鍵是大粒徑土的擊實(shí)試驗(yàn)需要相應(yīng)的擊實(shí)儀,目前標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)儀顯然是不行的[3]。如能用大型擊實(shí)儀直接測定可以得到更滿意的結(jié)果。

目前輕重兩用型擊實(shí)儀基本為小型,只適用于細(xì)粒土。適用于粗粒土的大型擊實(shí)儀多為各單位自制[4-6],有電動的、液壓的等,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多數(shù)較為復(fù)雜、結(jié)構(gòu)各異,且大都要有電源?？辈旃ぷ鳛楣こ探ㄔO(shè)前期工作,野外施工環(huán)境往往荒無人煙、條件簡陋、沒有電源,需要一種不用電的輕重兩用型大型擊實(shí)儀。

1 試驗(yàn)儀器的結(jié)構(gòu)

通過對不少土工試驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家的調(diào)查表明,目前還沒有大型擊實(shí)儀的定型產(chǎn)品。根據(jù)有關(guān)規(guī)范、規(guī)程,筆者自行設(shè)計(jì)加工了一套輕、重型兩用的大型擊實(shí)儀。

1.1 擊實(shí)功的確定

我們采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T 50123-1999[7]中規(guī)定的單位體積擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn),即取用輕型擊實(shí)試驗(yàn)的單位體積擊實(shí)功為591.6 KJ/m3;重型擊實(shí)試驗(yàn)的單位體積擊實(shí)功為2 682.7 KJ/m3。單位體積擊實(shí)功的計(jì)算公式為:

1.2 試樣尺寸的確定

由于混合土的粒徑變幅大,大型儀器尺寸不能隨天然級配或?qū)嶋H填料最大粒徑而定。我們在參考了中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).SL237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程[8]所選用的試樣尺寸的基礎(chǔ)上,采用了如下數(shù)值:擊實(shí)筒內(nèi)徑D為30 cm,試樣高度H為28.3 cm,徑高比(D/H)接近于1,試樣直徑與允許最大粒徑dmax之比D/dmax=5,高徑比H/dmax≈5,允許最大粒徑為60 mm,技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 大型擊實(shí)儀技術(shù)參數(shù)表

1.3 擊實(shí)筒的型式

關(guān)于擊實(shí)筒的型式,目前均采用封閉圓筒式,由于試樣體積較大,擊實(shí)完畢后人工清土工作量太大,采用推土器亦較繁瑣,可以采用對開式擊實(shí)筒,既降低了勞動強(qiáng)度,又提高了工作效率。

1.4 儀器結(jié)構(gòu)型式

本文提供一種結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶、適應(yīng)性廣的土樣擊實(shí)儀,此土樣擊實(shí)儀,包括底板、擊實(shí)筒和穿心擊實(shí)錘,還包括立柱、刻度盤、蓋土板、導(dǎo)向籠、導(dǎo)向桿、穿心抓體、橫桿和繩索。

擊實(shí)儀的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2,圖中:

1—底板,2—立柱,3—立柱緊固螺帽,4—刻度盤,5—擊實(shí)筒,6—刻度線,7—壓緊桿,8—壓緊桿緊固螺帽,9—穿心擊實(shí)錘,10—護(hù)筒,11—連接耳,12—蓋土板,13—滑套,14—導(dǎo)向籠,15—導(dǎo)向桿,16—穿心抓體,17—橫桿,18—導(dǎo)向籠緊固螺帽,19—鋼絲繩,20—導(dǎo)向桿緊固螺帽,21—至提錘動力源,22—F型卡板把手,23—轉(zhuǎn)軸。

圖1 擊實(shí)儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 在圖1中所示土樣擊實(shí)儀的A向視圖

現(xiàn)在結(jié)合圖1、圖2說明如下:

(1)刻度盤放于底板,擊實(shí)筒連接在刻度盤上,兩立柱垂直固定在擊實(shí)筒的兩側(cè),導(dǎo)向籠連接在橫桿上,蓋土板與導(dǎo)向籠下端非同心連接,橫桿的兩端分別與一立柱滑動連接,并使導(dǎo)向籠在軸線方向上位于擊實(shí)筒內(nèi)側(cè)的一側(cè),導(dǎo)向桿置于導(dǎo)向籠的中心部位,導(dǎo)向桿的上端與橫桿連接,抓體連接繩索并穿套在導(dǎo)向桿上,抓體間隙連接穿心擊實(shí)錘。

(2)蓋土板與導(dǎo)向籠下端非同心連接,使蓋土板與導(dǎo)向籠下端面的集合面與擊實(shí)筒軸向截面相對應(yīng)。

(3)抓體主要由銷、上圓柱體和下圓柱體組成,上、下柱體由連接件連接成一體,上、下柱體的中心設(shè)有同軸線的供所述導(dǎo)向桿穿過的導(dǎo)向孔,上、下柱體相互貼合的端面上分別設(shè)有沿周向均布的數(shù)個(gè)相對應(yīng)的徑向槽,該槽孔與導(dǎo)向孔連通,上、下柱體上兩對應(yīng)的槽形成一槽孔,銷置于該槽孔內(nèi),所述槽孔的深度小于銷的長度,使銷的一端露出抓體外或露出所述導(dǎo)向孔內(nèi)。

(4)導(dǎo)向桿由上下兩段不同直徑的桿組成,下段桿的直徑大于上段桿的直徑,且下段桿的直徑與抓體上的導(dǎo)向孔對應(yīng),該下段桿處于抓體的導(dǎo)向孔中時(shí),銷露在所述導(dǎo)向孔內(nèi)的部分受到導(dǎo)向桿的推抵,向外移動而露出抓體外。

(5)穿心擊實(shí)錘的上端設(shè)有與抓體的所述上下圓柱體外圓直徑相對應(yīng)的臺階孔,抓體沿導(dǎo)向桿下移落入該臺階孔時(shí),處于導(dǎo)向桿較大直徑的下段桿處,銷被推出,銷受到所述臺階孔與導(dǎo)向桿的擠壓,抓體與穿心擊實(shí)錘連接,抓體沿導(dǎo)向桿向上移進(jìn)入導(dǎo)向桿較小直徑時(shí),銷不再受到所述擠壓,抓體與穿心擊實(shí)錘分離。

(6)旋轉(zhuǎn)刻度盤的徑向?qū)ΨQ兩側(cè)設(shè)有壓緊桿,擊實(shí)筒的上端設(shè)有護(hù)筒,該護(hù)筒的兩側(cè)設(shè)有連接耳,該連接耳穿套在對應(yīng)的壓緊桿上并由螺母固定,使旋轉(zhuǎn)刻度盤與護(hù)筒及擊實(shí)筒連接成一體,在底板對應(yīng)于刻度盤中心處設(shè)有轉(zhuǎn)軸,刻度盤鉸接于該轉(zhuǎn)軸。

(7)擊實(shí)筒的一側(cè)卡接一個(gè)用于推動擊實(shí)筒及刻度盤轉(zhuǎn)動的F型卡板把手。

(8)旋轉(zhuǎn)刻度盤外邊緣的底板上,設(shè)有對零刻度線。

(9)繩索跨過橫桿,繩索的兩端分別與抓體連接。

(10)橫桿的兩端分別設(shè)有滑套,滑套穿套在立柱上。

2 本土樣擊實(shí)儀的特點(diǎn)

圖1所示的擊實(shí)儀省去了旋轉(zhuǎn)擊錘方式所對應(yīng)的復(fù)雜傳動機(jī)構(gòu),使擊實(shí)儀的結(jié)構(gòu)簡單,從而制造容易,安裝方便,更適合野外作業(yè)的需要。由于結(jié)構(gòu)簡單,故障率低,特別適合粗粒土土樣的大型擊實(shí)試驗(yàn);

(1)由導(dǎo)向桿上粗細(xì)桿徑的長度設(shè)置,能精確控制擊實(shí)錘的落高;

(2)通過刻度盤能均勻旋轉(zhuǎn)擊實(shí)筒,從而保證擊實(shí)錘的錘擊均勻,可有效發(fā)揮擊實(shí)時(shí)的搓揉作用,充分排出土壤中的空氣,得到較為符合實(shí)際狀況的試驗(yàn)結(jié)果;

(3)能適應(yīng)不同的輕重型擊實(shí)需要,只要調(diào)換不同重量的擊實(shí)錘。

3 試驗(yàn)方法

3.1 試樣制備

儀器最大允許粒徑dmax為60 mm,因此宜在現(xiàn)場選取有代表性土樣風(fēng)干后過篩,求取直徑大于60 mm顆粒占全重的百分比。然后將全部試料(每點(diǎn)約50 kg)風(fēng)干,將土及附著在粗顆粒上的細(xì)粒土碾散,注意不要使顆粒受到破壞,依次過篩分組稱重備用。根據(jù)顆分成果按要求的級配配料,對直徑大于60 mm部分,用允許粗粒進(jìn)行等重量代替,將取好的試料拌合均勻,在不吸水墊板上按各點(diǎn)要求進(jìn)行含水率配制,并充分拌勻,采取保濕措施,浸潤一晝夜以后待用。

3.2 擊實(shí)儀組裝和操作方法

(1)擊實(shí)儀安裝:將擊實(shí)儀底板置于堅(jiān)實(shí)地面上,在其與帶同心圓刻度線旋轉(zhuǎn)度盤接觸處涂抹黃油,然后按圖1所示安裝其余部件,根據(jù)技術(shù)要求,選擇輕型或重型擊實(shí)錘,并將擊實(shí)錘頭和提錘動力源連接。

(2)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn):啟動動力源,提錘動力源采用柴油發(fā)動機(jī)勘察鉆機(jī)的卷揚(yáng)裝置,其使用方法與標(biāo)貫試驗(yàn)完全相同。

(3)將擊錘及落高跟蹤部件提升至擊實(shí)筒上方,取制備好的試料若干(具體按擊實(shí)層數(shù)確定)裝入擊實(shí)筒內(nèi)并整平表面(防止礫石集中),然后將蓋土板置于土表面即可擊實(shí)。

(4)做輕型擊實(shí)時(shí),共分3層擊實(shí),采用奇數(shù)記數(shù),每層為13擊。

(5)做重型擊實(shí)時(shí),共分5層擊實(shí),每層為50擊,旋轉(zhuǎn)兩次25擊即可。

(6)“F”型卡板把手卡口向下卡在護(hù)筒上口,采用“F”型卡板把手人工旋轉(zhuǎn)擊實(shí)筒及分度旋轉(zhuǎn)盤。

(7)擊實(shí)后余土超高不宜大于20 mm。將擊錘及落高跟蹤裝置再次提升至擊實(shí)筒上方,取下護(hù)筒,用刮土刀削去超高部分,表面填平補(bǔ)齊后再次削平,擦凈筒外壁后稱重,準(zhǔn)確至50 g。試樣取出后,按要求測定全料含水率。

(8)重復(fù)上述步驟,進(jìn)行不同含水率點(diǎn)各試樣的擊實(shí)。直至土樣擊實(shí)完成。

3.3 擊實(shí)后試樣處理

擊實(shí)后余土超高不宜大于20 mm。將擊錘及落高跟蹤裝置再次提升至擊實(shí)筒上方,取下護(hù)筒,用刮土刀削去超高部分,表面填平補(bǔ)齊后再次削平,擦凈筒外壁后稱重,準(zhǔn)確至50 g。試樣取出后,按要求測定全料含水率。

重復(fù)上述步驟,進(jìn)行不同含水率點(diǎn)各試樣的擊實(shí)。

4 成果整理

按ρd=ρ0/(1+W)計(jì)算各含水率下的干密度。式中:ρd為干密度(g/cm3);ρ0為濕密度(g/cm3);W為含水率(%)。

在直角坐標(biāo)系上繪制干密度ρd和含水率W關(guān)系曲線,取曲線峰值點(diǎn)相應(yīng)的縱坐標(biāo)為擊實(shí)試樣的最大干密度,相應(yīng)的橫坐標(biāo)為擊實(shí)試樣的最優(yōu)含水率。當(dāng)曲線無峰值時(shí)應(yīng)補(bǔ)點(diǎn),土樣不得重復(fù)使用。

5 結(jié) 語

(1)實(shí)踐表明,落高跟蹤和自動控制落錘部件,確保了落錘高度的精確性;分度旋轉(zhuǎn)盤能確保旋轉(zhuǎn)錘跡分布的均勻性,有效地發(fā)揮了搓揉作用,充分排出土樣中的空氣;采用旋轉(zhuǎn)擊實(shí)筒的方法,省去了旋轉(zhuǎn)擊錘方法所需的繁雜部件;更重要的是,根據(jù)不同技術(shù)要求,輕、重型擊實(shí)的變換十分方便,只要更換擊錘即可。

(2)該儀器經(jīng)過在湖北黃麥嶺磷礦礦肥結(jié)合工程填方區(qū)(山體爆破后回填)、吉林化學(xué)工業(yè)公司芳烴裝置填方區(qū)等地多次實(shí)際使用,證明其性能能較好地反映工程實(shí)際,成果符合技術(shù)要求。

(3)擊實(shí)試驗(yàn)的主要目的,是為了計(jì)算填土地基的壓實(shí)系數(shù),以檢查填土地基的質(zhì)量。這就要求現(xiàn)場干密度的求取必須準(zhǔn)確可靠,因此,現(xiàn)場密度試驗(yàn),必須在試坑內(nèi)用灌水法或灌砂法原位測定。

[1]寇夢婕,張 曄.風(fēng)化破碎類花崗巖應(yīng)用于路面基層性能試驗(yàn)研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2011,9(3):160-162,166.

[2]曹可勇,劉麗萍,李高旺.山渣料工程性質(zhì)的研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2007,5(3):28-29,61.

[3]葉曉明,蘇 磊,明成云.大型擊實(shí)試驗(yàn)研究初探[J].地下空間,2001,21(2):138-142.

[4]朱宏祥,趙小兵.粗粒土最大干密度試驗(yàn)研究[J].西部探礦工程,2009,21(1):46-48.

[5]袁鵬飛,呂 琳.粗粒土最大干密度試驗(yàn)研究[J].中國科技博覽,2009,(21):175-176.

[6]周志軍,楊榮尚,馬小偉.超粒徑土石混合料最大干密度的試驗(yàn)研究[J].公路,2007,(4):5-11.

[7]中華人民共和國水利部.GB/T50123-1999.土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國計(jì)劃出版社,1999:52-56.

[8]南京水利科學(xué)研究院.SL237-1999.土工試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:中國水利水電出版社,1999:428-433.