輕重兩用型大型擊實儀的儀器結構和使用方法

尤蘇南

(化學工業巖土工程有限公司,江蘇南京210044)

0 前 言

土樣的擊實試驗,廣泛應用于建筑地基填土、填海工程以及土壩、公路、機場跑道等工程。按規范規定的擊實功能下,測定土的含水率與干密度之間的關系,從而確定填土的最優含水率及相應的最大干密度。

在特殊地基的工程勘察中,常常遇到混合土、粗粒土、風化破碎類花崗巖[1]、山渣料[2]如何進行大型擊實試驗的問題。這類土主要由級配不連續的粘粒、粉粒、粉砂和碎石(塊石)組成,由于混合土的組成比較復雜,影響壓實程度的因素較多。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試驗來確定的,問題的關鍵是大粒徑土的擊實試驗需要相應的擊實儀,目前標準的擊實儀顯然是不行的[3]。如能用大型擊實儀直接測定可以得到更滿意的結果。

目前輕重兩用型擊實儀基本為小型,只適用于細粒土。適用于粗粒土的大型擊實儀多為各單位自制[4-6],有電動的、液壓的等,結構設計多數較為復雜、結構各異,且大都要有電源。勘察工作為工程建設前期工作,野外施工環境往往荒無人煙、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儀。

1 試驗儀器的結構

通過對不少土工試驗儀器生產廠家的調查表明,目前還沒有大型擊實儀的定型產品。根據有關規范、規程,筆者自行設計加工了一套輕、重型兩用的大型擊實儀。

1.1 擊實功的確定

我們采用現行國家標準《土工試驗方法標準》GB/T 50123-1999[7]中規定的單位體積擊實標準,即取用輕型擊實試驗的單位體積擊實功為591.6 KJ/m3;重型擊實試驗的單位體積擊實功為2 682.7 KJ/m3。單位體積擊實功的計算公式為:

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實際填料最大粒徑而定。我們在參考了中華人民共和國行業標準.SL237-1999土工試驗規程[8]所選用的試樣尺寸的基礎上,采用了如下數值:擊實筒內徑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,技術參數見表1。

表1 大型擊實儀技術參數表

1.3 擊實筒的型式

關于擊實筒的型式,目前均采用封閉圓筒式,由于試樣體積較大,擊實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筒,既降低了勞動強度,又提高了工作效率。

1.4 儀器結構型式

本文提供一種結構簡單、便于攜帶、適應性廣的土樣擊實儀,此土樣擊實儀,包括底板、擊實筒和穿心擊實錘,還包括立柱、刻度盤、蓋土板、導向籠、導向桿、穿心抓體、橫桿和繩索。

擊實儀的結構示意圖如圖1、圖2,圖中:

1—底板,2—立柱,3—立柱緊固螺帽,4—刻度盤,5—擊實筒,6—刻度線,7—壓緊桿,8—壓緊桿緊固螺帽,9—穿心擊實錘,10—護筒,11—連接耳,12—蓋土板,13—滑套,14—導向籠,15—導向桿,16—穿心抓體,17—橫桿,18—導向籠緊固螺帽,19—鋼絲繩,20—導向桿緊固螺帽,21—至提錘動力源,22—F型卡板把手,23—轉軸。

圖1 擊實儀結構示意圖

圖2 在圖1中所示土樣擊實儀的A向視圖

現在結合圖1、圖2說明如下:

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

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

(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、下柱體的中心設有同軸線的供所述導向桿穿過的導向孔,上、下柱體相互貼合的端面上分別設有沿周向均布的數個相對應的徑向槽,該槽孔與導向孔連通,上、下柱體上兩對應的槽形成一槽孔,銷置于該槽孔內,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向孔內。

(4)導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向孔對應,該下段桿處于抓體的導向孔中時,銷露在所述導向孔內的部分受到導向桿的推抵,向外移動而露出抓體外。

(5)穿心擊實錘的上端設有與抓體的所述上下圓柱體外圓直徑相對應的臺階孔,抓體沿導向桿下移落入該臺階孔時,處于導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向桿的擠壓,抓體與穿心擊實錘連接,抓體沿導向桿向上移進入導向桿較小直徑時,銷不再受到所述擠壓,抓體與穿心擊實錘分離。

(6)旋轉刻度盤的徑向對稱兩側設有壓緊桿,擊實筒的上端設有護筒,該護筒的兩側設有連接耳,該連接耳穿套在對應的壓緊桿上并由螺母固定,使旋轉刻度盤與護筒及擊實筒連接成一體,在底板對應于刻度盤中心處設有轉軸,刻度盤鉸接于該轉軸。

(7)擊實筒的一側卡接一個用于推動擊實筒及刻度盤轉動的F型卡板把手。

(8)旋轉刻度盤外邊緣的底板上,設有對零刻度線。

(9)繩索跨過橫桿,繩索的兩端分別與抓體連接。

(10)橫桿的兩端分別設有滑套,滑套穿套在立柱上。

2 本土樣擊實儀的特點

圖1所示的擊實儀省去了旋轉擊錘方式所對應的復雜傳動機構,使擊實儀的結構簡單,從而制造容易,安裝方便,更適合野外作業的需要。由于結構簡單,故障率低,特別適合粗粒土土樣的大型擊實試驗;

(1)由導向桿上粗細桿徑的長度設置,能精確控制擊實錘的落高;

(2)通過刻度盤能均勻旋轉擊實筒,從而保證擊實錘的錘擊均勻,可有效發揮擊實時的搓揉作用,充分排出土壤中的空氣,得到較為符合實際狀況的試驗結果;

(3)能適應不同的輕重型擊實需要,只要調換不同重量的擊實錘。

3 試驗方法

3.1 試樣制備

儀器最大允許粒徑dmax為60 mm,因此宜在現場選取有代表性土樣風干后過篩,求取直徑大于60 mm顆粒占全重的百分比。然后將全部試料(每點約50 kg)風干,將土及附著在粗顆粒上的細粒土碾散,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要求進行含水率配制,并充分拌勻,采取保濕措施,浸潤一晝夜以后待用。

3.2 擊實儀組裝和操作方法

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

(2)進行擊實試驗:啟動動力源,提錘動力源采用柴油發動機勘察鉆機的卷揚裝置,其使用方法與標貫試驗完全相同。

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

(4)做輕型擊實時,共分3層擊實,采用奇數記數,每層為13擊。

(5)做重型擊實時,共分5層擊實,每層為50擊,旋轉兩次25擊即可。

(6)“F”型卡板把手卡口向下卡在護筒上口,采用“F”型卡板把手人工旋轉擊實筒及分度旋轉盤。

(7)擊實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筒上方,取下護筒,用刮土刀削去超高部分,表面填平補齊后再次削平,擦凈筒外壁后稱重,準確至50 g。試樣取出后,按要求測定全料含水率。

(8)重復上述步驟,進行不同含水率點各試樣的擊實。直至土樣擊實完成。

3.3 擊實后試樣處理

擊實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筒上方,取下護筒,用刮土刀削去超高部分,表面填平補齊后再次削平,擦凈筒外壁后稱重,準確至50 g。試樣取出后,按要求測定全料含水率。

重復上述步驟,進行不同含水率點各試樣的擊實。

4 成果整理

按ρd=ρ0/(1+W)計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(%)。

在直角坐標系上繪制干密度ρd和含水率W關系曲線,取曲線峰值點相應的縱坐標為擊實試樣的最大干密度,相應的橫坐標為擊實試樣的最優含水率。當曲線無峰值時應補點,土樣不得重復使用。

5 結 語

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

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

(3)擊實試驗的主要目的,是為了計算填土地基的壓實系數,以檢查填土地基的質量。這就要求現場干密度的求取必須準確可靠,因此,現場密度試驗,必須在試坑內用灌水法或灌砂法原位測定。

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

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

[3]葉曉明,蘇 磊,明成云.大型擊實試驗研究初探[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.土工試驗方法標準[S].北京:中國計劃出版社,1999:52-56.

[8]南京水利科學研究院.SL237-1999.土工試驗規程[S].北京:中國水利水電出版社,1999:428-433.