寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法

摘要

本发明公开了一种寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：包括以下步骤：S01，碾压密度的确定；S02，细砂粒组替换粉粘粒；S03，孔隙分布指数的确定；S04，级配调整。本发明提供的一种寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，缩小了级配选取范围，减少了试验工作量，满足了垫层料作为面板支撑材料应有的密实度和排出漏进垫层料中水该有的渗透性，同时保证了冻融循环强度条件下垫层料的冻胀变形最小，且产生的冻胀变形在面板坝的垂直压力约束下不会影响面板坝的正常使用。

权利要求

1.寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：包括以下步骤：S01，碾压密度的确定：垫层料的碾压密度设计为0.75～0.80，以使垫层料既有较高的相对密度，又不产生较大的冻胀变形；

S02，细砂粒组替换粉粘粒：替换粉粘粒的细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.075～

0.6mm，其他级配同谢拉德级配；

S03，孔隙分布指数的确定：垫层料中每一组级配的孔隙分布指数均为-6.3～-6.2；

S04，级配调整：进行冻胀和渗透试验，检验试样冻胀率、渗透系数是否符合工程要求；

如果试样渗透系数过大，则孔隙分布指数应该在上述数值范围内调大；如果渗透系数过小或冻胀率过大，则孔隙分布指数应该在上述数值范围内调小；调整直到合理的级配出现；

孔隙分布指数计算公式如下：

式中：n为某一粒组内等效孔隙数量；d为某一粒组内等效孔隙的直径；d0为临界等效孔隙直径，d0＝0.118mm。

2.根据权利要求1所述的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：所述级配包括所述细砂粒组和颗粒直径为80～100mm粗砂砾组；所述级配为连续级配；假设各级配中的颗粒尺寸一致，均为最大粒径和最小粒径的算术平均值；假设各级配中的颗粒为球形体且均匀分布。

3.根据权利要求1所述的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：所述碾压密度优选为0.78～0.80。

4.根据权利要求1所述的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：所述细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.07～0.6mm。

5.根据权利要求1或4所述的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：所述细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.065～0.6mm。

6.根据权利要求1所述的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：所述孔隙分布指数为-6.25～-6.2。

7.根据权利要求1所述的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：所述孔隙分布指数为-6.3～-6.25。

8.根据权利要求1所述的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：所述细砂粒组在所有级配中所占的含量范围为3.75～8.75％。

9.根据权利要求8所述的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：所述细砂粒组在所有级配中所占的含量范围为4～8％。

说明书

寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，属于水利工程、公路工程领域。

背景技术

[0002] 水利工程中，混凝土面板堆石坝因其良好的适应性在西部地区受到了工程师的青睐，很多已建和在建的大坝都采用了这一坝型。然而由于西部冻土特性和气候原因，如果进入垫层的水不能及时排出，可能产生局部冻胀，导致面板坝产生不均匀变形开裂，进而影响坝体的稳定。垫层料冻胀变形与其渗透性和级配有关，合理级配的选取对于控制垫层料冻胀变形变得至关重要。

[0003] 级配的不同，造成了垫层料孔隙分布的差异，寒冷情况下，水进入土体不能及时排出，水冷冻结冰体积增大，压迫土体孔隙而造成土体冻胀。故土体冻胀与土体当中孔隙的分布有着密切的联系。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种优化了级配的选择范围，减少试验工作量，在确定了垫层料作为面板支撑材料应有的密实度和排出漏进垫层料中水该有的渗透性的同时，保证了冻融循环强度条件下垫层料的冻胀变形最小，且产生的冻胀变形在面板坝的垂直压力约束下不会影响面板坝的正常使用的寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

[0006] 寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0007] S01，碾压密度的确定：垫层料的碾压密度设计为0.75～0.80，以使垫层料既有较高的相对密度，又不产生较大的冻胀变形；

[0008] S02，细砂粒组替换粉粘粒：替换粉粘粒的细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.075～0.6mm，其他级配同谢拉德级配；

[0009] S03，孔隙分布指数的确定：垫层料中每一组级配的孔隙分布指数均为-6.3～-6.2；

[0010] S04，级配调整：进行冻胀和渗透试验，检验试样冻胀率、渗透系数是否符合工程要求；如果试样渗透系数过大，则孔隙分布指数应该在上述数值范围内调大；如果渗透系数过小或冻胀率过大，则孔隙分布指数应该在上述数值范围内调小；调整直到合理的级配出现。

[0011] 所述级配包括所述细砂粒组和颗粒直径为80～100mm粗砂砾组；所述级配为连续级配；假设各级配中的颗粒尺寸一致，均为最大粒径和最小粒径的算术平均值；假设各级配中的颗粒为球形体且均匀分布。

[0012] 所述碾压密度优选为0.78～0.80。

[0013] 所述细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.07～0.6mm。

[0014] 所述细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.065～0.6mm。

[0015] 所述孔隙分布指数为-6.25～-6.2。

[0016] 所述孔隙分布指数为-6.3～-6.25。

[0017] 所述细砂粒组在所有级配中所占的含量范围为3.75～8.75％。

[0018] 所述细砂粒组在所有级配中所占的含量范围为4～8％。

[0019] 级配的不同，造成了垫层料孔隙分布的差异，寒冷情况下，水进入土体不能及时排出，水冷冻结冰体积增大，压迫土体孔隙而造成土体冻胀。故土体冻胀与土体当中孔隙的分布有着密切的联系。基于此，提出了孔隙分布模型的概念，用孔隙分布模型来模拟土体中孔隙的真实分布状态。

[0020] 孔隙分布模型假定：

[0021] 1)颗粒为理想球形体；

[0022] 2)不同大小颗粒完全均匀分布；

[0023] 3)同一粒组颗粒尺寸一致，均为该粒组最大粒径和最小粒径的算术平均值；

[0024] 4)任取一定体积土体，其孔隙比保持不变，即土体中孔隙完全均匀分布。

[0025] 这样，可计算得到单位质量土体内各粒组的平均颗粒体积大小vi和颗粒总数ni为：

[0026]

[0027]

[0028] 式(1)-(2)中：vi为第i个粒组内平均颗粒体积；ni为第i个粒组的颗粒总数；mi为单位质量土体中第i个粒组的质量；di为第i个粒组的平均直径(算术平均值)；ρsi为第i个粒组颗粒平均比重；e为试样孔隙比。

[0029] 针对假定4)，每一个土颗粒对应一个孔隙体积，并可计算得到每个颗粒所占有的孔隙体积(以下称之为等效孔隙体积)为：

[0030]

[0031]

[0032] 式(3)-(4)中：e为试样孔隙比；v'i为第i个粒组内的等效孔隙体积；d'为等效孔隙直径。

[0033] 空隙分布指数(PDI)是基于上述孔隙分布模型提出来的定量研究土壤中孔隙分布状态的一个参数。孔隙分布指数(PDI)计算公式如下：

[0034]

[0035] 式(5)中：n为某一粒组内等效孔隙数量；d为某一粒组内等效孔隙的直径；d0为临界等效孔隙直径，d0＝0.118mm；

[0036] 土壤中小孔隙占主导，则PDI值大；土壤中大孔隙占主导，则PDI值小。

[0037] 本发明是针对垫层料冻胀变形而提出的一种寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，本发明采用了如下技术方案：

[0038] 碾压密度确定：为使垫层料既有较高的相对密度，又不产生较大的冻胀变形，建议垫层料相对密度范围设计为0.75～0.80。

[0039] 粘粒替换方法：在不影响渗透性的情况下，建议寒区垫层料设计中粉粘粒的含量由细砂粒组颗粒(0.075～0.6mm)替代，其他粒组参照谢拉德级配。

[0040] 孔隙分布指数范围选择：每一组级配都能通过计算得到自身的孔隙分布指数，建议粉粘粒被替换后的级配的孔隙分布指数的范围为-6.3～-6.2。故工程上选择级配时初次试验级配可以选择在该范围内，为选择合理级配缩小了选择范围，减少了试验工作量。

[0041] 级配调整措施：通过上述方法选取级配之后，按规范方法进行冻胀、渗透试验，检验试样冻胀率、渗透系数是否符合工程要求。如果试验渗透系数过大，则孔隙分布指数应该在建议范围内调大；如果渗透系数过小或冻胀率过大，则孔隙分布指数应该在建议范围内调小；调整直到合理的级配出现。

[0042] 本发明的优点是：缩小了级配选取范围，减少了试验工作量，满足了垫层料作为面板支撑材料应有的密实度和排出漏进垫层料中水该有的渗透性，同时保证了冻融循环强度条件下垫层料的冻胀变形最小，且产生的冻胀变形在面板坝的垂直压力约束下不会影响面板坝的正常使用。

附图说明

[0043] 图1为本发明中面板坝的结构示意图；

[0044] 图2为垫层料冻胀相对密度建议范围图；

[0045] 图3为垫层料冻胀量与粉粘粒含量关系图；

[0046] 图4为细砂颗粒代替粉粘粒含量建议范围图；

[0047] 图5为冻胀变形时孔隙分布指数建议范围图；

[0048] 图6为摩擦角时孔隙分布指数建议范围图；

[0049] 图7为建议级配示意图(建议级配参照了国际建议级配-谢拉德级配)。

具体实施方式

[0050] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

[0051] 实施例1：

[0052] 如图1～7所示，寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，其特征在于：包括以下步骤：

[0053] S01，碾压密度确定：

[0054] 如图1所示，为垫层料在面板坝中的位置，其对相对密度的要求，混凝土面板堆石坝设计规范要求在0.75以上。

[0055] 如图2所示，冻融循环条件下冻胀试验得出的规律为：垫层料相对密度越大，冻胀变形越大。为使垫层料既有较高的相对密度，又不产生较大的冻胀变形，建议垫层料相对密度范围设计为0.75～0.80。

[0056] S02，粘粒替换方法：

[0057] 如图3所示，对粘粒含量的要求，规范建议小于0.075mm的颗粒含量宜少于8％。大量文献研究证明垫层料中粘粒含量越多，冻胀量越大，试验研究中发现0.075～0.6mm细砂含量较多时对冻胀变形的影响有与粉粘粒相似的规律。

[0058] 如图4所示，细砂的颗粒含量在某一范围(3.75％～8.75％)内时，对冻胀变形的影响较小，因此，在不影响渗透性的情况下，建议寒区垫层料设计中粉粘粒的含量为3.75％且由该粒组颗粒(0.075～0.6mm)替代。

[0059] 如图7所示，其他粒组参照谢拉德级配。

[0060] S03，孔隙分布指数范围选择：

[0061] 对级配的要求，规范建议垫层料级配应连续，最大粒径为80～100mm，粒径小于5mm的颗粒含量宜为30％～50％，压实后应具有内部渗透稳定性，低压缩性，高抗剪强度，并应具有良好的施工特性。每一组级配都能通过计算得到自身的孔隙分布指数，试验发现孔隙分布指数反映了垫层料的冻胀变形和强度(摩擦角和粘聚力)变化规律。

[0062] 如图6所示，随着孔隙分布指数的增大，冻胀变形逐渐增大，摩擦角呈开口向上的抛物线变化。垫层料虽有一定含量的粉粘粒，但主要由砂砾石组成，属于离散材料，垫层料设计时可以忽略粘聚力的影响。

[0063] 如图5所示，为使垫层料在冻胀时变形较小，建议孔隙分布指数选择范围为-6.4～-6.2。如图6所示，冻融变形会产生颗粒破碎，从而改变颗粒的级配，为使垫层料的摩擦角在颗粒级配改变的情况下仍然安全，建议孔隙分布指数选择范围为-6.3～-6.1。综合考虑，建议孔隙分布指数的范围为-6.3～-6.2。

[0064] 孔隙分布指数转换的合理级配范围参考图7。

[0065] 故工程上选择级配时初次试验级配可以选择在该范围内，为选择合理级配缩小了选择范围，减少了试验工作量。

[0066] S04，级配调整措施：

[0067] 通过上述方法选取级配之后，按规范方法进行冻胀、渗透试验，检验试样冻胀率、渗透系数是否符合工程要求。如果试验渗透系数过大，则孔隙分布指数应该在建议范围内调大；如果渗透系数过小或冻胀率过大，则孔隙分布指数应该在建议范围内调小；调整直到合理的级配出现。

[0068] 优选地，垫层料的碾压密度设计为0.75；替换粉粘粒的细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.075mm，其他级配同谢拉德级配；垫层料中每一组级配的孔隙分布指数均为-6.3；按照上述参数制成的面板坝，一次成型，不需反复调试，减少了实验次数，在不影响渗透性的条件下坝体冻胀时变形较小，坝体内部渗透稳定性好，低压缩性，高抗剪强度，面板坝使用寿命长。

[0069] 实施例2：

[0070] 如图1～7所示，寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，优选地，垫层料的碾压密度设计为0.80；替换粉粘粒的细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.06mm，细砂粒组的含量为8.75％，其他级配同谢拉德级配；垫层料中每一组级配的孔隙分布指数均为-6.2；按照上述参数制成的面板坝，一次成型，不需反复调试，减少了实验次数，在不影响渗透性的条件下坝体冻胀时变形较小，坝体内部渗透稳定性好，低压缩性，高抗剪强度，面板坝使用寿命长。

[0071] 实施例3：

[0072] 如图1～7所示，寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，优选地，垫层料的碾压密度设计为0.78；替换粉粘粒的细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.07mm，细砂粒组的含量为4％，其他级配同谢拉德级配；垫层料中每一组级配的孔隙分布指数均为-6.25；按照上述参数制成的面板坝，一次成型，不需反复调试，减少了实验次数，在不影响渗透性的条件下坝体冻胀时变形较小，坝体内部渗透稳定性好，低压缩性，高抗剪强度，面板坝使用寿命长。

[0073] 实施例4：

[0074] 如图1～7所示，寒冷地区基于孔隙分布指数的垫层料级配设计优化方法，优选地，垫层料的碾压密度设计为0.79；替换粉粘粒的细砂粒组中的细砂颗粒直径为0.065mm，细砂粒组的含量为8％，其他级配同谢拉德级配；垫层料中每一组级配的孔隙分布指数均为-6.28；按照上述参数制成的面板坝，一次成型，不需反复调试，减少了实验次数，在不影响渗透性的条件下坝体冻胀时变形较小，坝体内部渗透稳定性好，低压缩性，高抗剪强度，面板坝使用寿命长。

[0075] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。