單點高落距與兩點低落距沖擊荷載作用效果比較研究
—— 以贛南紅砂巖為例

艾 鵬，楊建永，葉勝建，黎寒冰

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000)

單點高落距與兩點低落距沖擊荷載作用效果比較研究
—— 以贛南紅砂巖為例

艾 鵬，楊建永，葉勝建，黎寒冰

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西贛州 341000)

利用改裝后的手動擊實儀器，對贛州經(jīng)濟開發(fā)區(qū)紅砂巖土進行單點高落距與兩點低落距沖擊荷載作用下的擊實試驗，研究比較在總沖擊能量相同情況下單點高落距與兩點低落距這兩種方案的擊實效果．試驗結果表明：沖擊能量愈多，土體沉降量愈大，土體愈密實；該土體抗剪強度提升主要依靠粘聚力提高；兩點沖擊荷載會產(chǎn)生疊加效果，兩點低落距的加固效果好于單點高落距．

紅砂巖土；單點沖擊荷載；兩點沖擊荷載

我國贛南地區(qū)以紅砂巖土最為常見，紅砂巖土遇水易崩解這一特性成為現(xiàn)場施工的難題，這就要求我們要克服贛南地區(qū)紅砂巖土地基處理方面的難關．常用的強夯法[1-2]不僅能提升土體抗壓強度，降低土體壓縮性，而且還能使得土體顆粒愈加均勻分布[3-4]．在沖擊荷載作用下夯實地基，應用廣泛，尤其在大面積、回填不均勻的填土地基加固工程中，對于現(xiàn)場施工中處理軟弱地基具有重要指導意義．羅嗣海[5]根據(jù)工程實測資料，分析了強夯時的夯坑深度與場地平均夯沉量的影響因素，推算出夯坑高度與整體地面的均勻下降值的經(jīng)驗方程．楊建永[6]認為強夯能夠提升土體抗壓強度、降低其壓縮性，可通過置換方法對高飽和度粘土壓實．劉浩然[7]發(fā)現(xiàn)紅砂巖土在滿夯條件時表層形成的硬殼會吸收大量夯擊能量．郭志柳[8]研究表明大部分的夯擊能沿著夯錘底面往四周水平擴散，豎直方向能量傳遞較少．本文使用改裝后手動的擊實儀器、事先編好號碼的鋼珠及取土環(huán)刀等自創(chuàng)試驗器具，研究在總沖擊能量相同條件下，單點高落距和兩點低落距的沖擊荷載對該試驗土樣物理力學性質的影響，分析其沉降量、整體密度、和抗剪強度變化情況，可為現(xiàn)場施工在使用沖擊能量作用下夯實地基處理提供借鑒．

1 試驗設計

1.1 試驗土樣選取

試驗所用土樣為贛州市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的紅砂巖土．通過篩分實驗，使得試驗土顆粒性狀相對均勻．利用液塑限聯(lián)合測定儀實驗測得該試驗土樣含水量是5%，液限指標是24%-30%，塑限指標是8%-13%，自然狀態(tài)下密度ρ=1.400 g/cm3．通過重型擊實實驗測得干密度dρ=2.13 g/cm3，最佳含水率為9.5%左右．該試驗土的含水率均調到最佳含水率．

1.2 試驗方案

通過室內試驗，研究在總能量相同情況下單點高落距和兩點低落距這兩種方案夯擊效果．總能量分別設定為200 N?m、400 N?m、600 N?m、800 N?m、1000 N?m；單點的單獨擊打夯擊能量設定為40 N?m，兩點的各點單獨擊打的夯擊能量設定為20 N?m；夯擊擊數(shù)依次設定為5擊、10擊、15擊、20擊和25擊．選用夯錘的錘重是4.5 kg，夯錘半徑d=2.5 cm．試驗方案參數(shù)設計見表1．

表1 試驗參數(shù)

試驗土體厚度取22 cm，這和試驗采用的擊實筒加上套筒的高度一樣，單點沖擊荷載作用于擊實筒中心處，兩點沖擊荷載分別作用于距離該擊實筒圓心處左右兩側各25 mm，見圖1．

圖1 夯擊各點分布

2 試驗結果分析

2.1 土體沉降量改變情況

單點高落距及兩點低落距土體沉降量和擊打次數(shù)的關系見圖2和圖3，從圖中可以看出：隨著沖擊次數(shù)增多，不論是單點高落距還是兩點低落距，整體平均沉降量增多．第一擊的沖擊沉降量最多，占到其最終沉降量的四分之一至五分之二，第一擊的沉降量是第二擊沉降量的四至五倍；隨后每單次擊打引起的沉降量慢慢減少并最后接近一個定值，累積沖擊沉降量依次增多．單點高落距的最終沉降量大于兩點低落距的最終沉降量，且每一擊引起的夯沉量也大于兩點低落距的各點夯沉量．這是因為在其它條件一定情況下，單點高落距的沖擊能量大于兩點中各點所受到的沖擊能量．擊打完第一點之后，第二點處會拱起2 mm-4 mm，且兩點低落的第一點的第一次擊打的沉降量比第二點的第一次擊打的沉降量小，可能是因為在夯擊第一點的時候隨著夯擊次數(shù)的增加會將第二點的表層土體震松；第二點的最終沉降量小于第一點的最終沉降量，可能是由于夯擊第一點的時候產(chǎn)生的剪切波會對第二點產(chǎn)生一定的加固效果，使得土體顆粒變得密實．當夯完第二點的時候再去回測第一點的最終夯沉量，發(fā)現(xiàn)其值會稍微變小，可能是因為受到第二點夯擊產(chǎn)生的剪切波造成旁邊土體擠壓的原因．

我們可以發(fā)現(xiàn)在圖2和圖3中有個別點的單擊夯沉量沒有增加，可能原因是在受夯擊土體下面存在大顆粒的紅砂巖，待受到足夠沖擊能量，大顆粒紅砂巖土被沖擊破碎后，導致夯沉量忽然增加．有的出現(xiàn)負增長，可能是由于在夯擊過程中，隨著夯擊次數(shù)增加，周圍表層土體被震松而導致一些土體顆粒掉入了夯坑．

因此土體受到?jīng)_擊能量愈多，其沉降量也愈大，且隨沖擊次數(shù)逐步增多，每單次擊打的沉降量慢慢減少并最終接近一個較小的數(shù)值，當夯擊到單擊引起的夯沉量非常小時，再增加沖擊擊數(shù)已經(jīng)沒有意義，存在最優(yōu)沖擊的擊數(shù)，沖擊總能量越大，最優(yōu)沖擊次數(shù)也相應靠后．兩點沖擊荷載作用下第一點受到的沖擊能量和第二點受到的沖擊能量會相互影響，各沖擊造成的剪切波會使得周圍的土顆粒受到擠密，變得密實，第二個擊打點最終沉降量小于第一個擊打點最終沉降量．

2.2 土體密度變化分析

在沖擊荷載作用下，隨著土體密實度改變，單位土體的體積也相應改變，測量其整體平均夯沉量的變化可計算出其單元土體體積變化．對于一般單元土體依據(jù)質量守恒定律，夯前與夯后的土體質量不會發(fā)生變化，意味著土體密度發(fā)生變化．單點高落距與兩點低落距的整體平均密度改變情況見圖4，從圖4可以看出：兩點低落距的20擊和25擊后的平均整體密度變化很小，可知多擊打的5擊并沒有起到更好的夯實效果，可能因為隨擊數(shù)增多，土樣外表造成硬殼現(xiàn)象，沖擊能傳遞不下去，能量的有效利用率故而減?。虼水敍_擊能量到達一定值時，已經(jīng)是最佳夯實效果，如果繼續(xù)夯擊只會造成浪費甚至破壞土體．

圖2 單點高落的擊打次數(shù)及其沉降量變形

圖3 兩點低落的擊打次數(shù)及其沉降量變形

平均整體密度一般隨沖擊次數(shù)增多而增加，壓實更加緊密．每增多5下?lián)舸虼螖?shù)，平均整體密度的增長量變緩．在總能量和夯擊擊數(shù)相同情況下，兩點低落距的土體密度增長幅度大于單點高落距土體密度增長幅度，較夯前提升百分比數(shù)兩點低落距是單點高落距的1.1-1.4倍，這可能是由于兩點夯擊產(chǎn)生了疊加加固效果，故而兩點低落距的平均整體密度大于單點高落距平均整體密度．因此兩點低落距整體夯擊效果比單點高落距整體夯擊效果更好，土體水平加固范圍更大，兩點低落距方案更佳．

2.3 土體抗剪強度改變情況

利用直接剪切實驗，得到未沖擊時該紅砂巖土體內摩擦角是26.13°，粘聚力是0 kpa．增加夯擊土體的擊數(shù)發(fā)現(xiàn)，擊數(shù)越多，土體顆粒間越緊密，其顆粒級配越好，試驗土樣被擊實得更加密實，且被擊實土體的粘聚力與內摩擦角均在提高．相同擊打次數(shù)時，土體離表層土體越遠，其內摩擦角與其粘聚力的增長量愈?。@兩種試驗方案的抗剪強度（粘聚力c和內摩擦角φ）隨擊打次數(shù)間的改變情況見表2和圖5．

表2 單點高落及兩點低落各抗剪強度(c、φ)改變情況

圖4 單點高落距和兩點低落距平均整體密度與夯擊數(shù)變化關系曲線

從表2和圖5可知，隨著夯擊次數(shù)增多，平均內摩擦角和平均粘聚力呈現(xiàn)增長趨勢．在這兩種試驗方案中，平均粘聚力從夯擊前的0 kpa最多增加到了26.86 kpa，平均內摩擦角從夯擊前的26.13°最多增加到了35.75°．平均粘聚力增加量比平均內摩擦角增加量大的多，因此可推測出粘聚力是影響紅砂巖土抗剪強度的重要要素，這也是紅砂巖土與眾不同的特性之一．

對于擊打次數(shù)、總能量均相同且其它條件一定的情況下，不論是平均粘聚力還是平均內摩擦角，均愈接近土層底部愈小，兩點低落距的平均粘聚力和平均內摩擦角均比單點高落距的大，兩點產(chǎn)生的疊加效應使得兩點低落距的抗剪強度更好．

3 結 論

本文研究了沖擊能量作用下，贛南紅砂巖土在單點高落距與兩點低落距荷載作用下的沉降量、土體密度和抗剪強度的改變情況，得到如下結論：

（1）第一擊的沖擊沉降量最多，占到最終沉降量的四分之一至五分之二，隨后每單次擊打引起的沉降量減少并接近一個定值，累積的沖擊沉降量依次增多．土體受到夯擊的沖擊能量越大，其夯沉量也越大，故單點高落距的最終沉降量大于兩點低落距的最終沉降量．兩點沖擊荷載作用下第一點受到的沖擊能量和第二點受到的沖擊能量會相互影響．

（2）當夯擊總沖擊能量達到一定值時，繼續(xù)進行夯擊則很難起到更好的加固效果，如果繼續(xù)夯擊只會浪費甚至破壞土體．平均整體密度一般隨沖擊次數(shù)增多而增加，土體變得更加密實．在總能量和夯擊擊數(shù)相同的情況下，兩點低落距的平均整體密度一般大于單點高落距的平均整體密度．兩點低落距的整體夯擊效果比單點高落距的整體夯擊效果更好，土體的水平加固范圍更大．

（3）通過抗剪強度測試可知，沖擊次數(shù)增多，紅砂巖土體的粘聚力及內摩擦角均增加，故其抗剪強度增加．對比沖擊前后的粘聚力與內摩擦角可以發(fā)現(xiàn)，粘聚力增加較多成為抗剪強度提升的重要原因．

（4）兩點低落距與單點高落距這種兩方案相比較，兩點低落距方案更優(yōu)．其原因可能在于兩點低落距會產(chǎn)生疊加效果，使得土體密度更大、抗剪強度更高，夯實效果更好．

圖5 內摩擦角與均勻粘聚力隨著擊打次數(shù)的改變情況

[1] 地基處理手冊(第三版)編寫委員會. 地基處理手冊[M]. 第三版. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2008: 1-40.

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Effect Comparative Study on Impact Load of Single-point with High Drop Distance and Dual-points with Low Drop Distance—— Take the Red Sandstone in South Jiangxi as an Example

AI Peng, YANG Jianyong, YE Shengjian, LI Hanbing
(School of Architectural and Surveying & Mapping Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou, China 341000)

Through the refitted manual compaction instrument, the experiment on the impact load with single-point high drop distance and dual- points low drop distance is made for the red sandstone in Ganzhou Economic Development Zone in Jiangxi province. The purpose of such an experiment is to compare the compaction effect of these two programs that designed in the same situation of total impact energy. The result of experiment turns out that the more impact energy is given, the more settling volumes turn out and the denser of the soil mass. The shear strength of soil mass is promoted mainly by cohensive force. The impact load between such two points generates superposition efect. Hence, the reinforcement effect of dual-point low drop distance will be better than single-point high drop distance.

Red Sandstone Soil; Single-point Impact Loading; Dual-point Impact loading

TU411

A

1674-3563(2015)03-0057-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.03.008 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：封毅)

2014-12-28

國家自然科學基金項目(50869002)；江西省教育廳項目(GJJ08290)

艾鵬(1991- )，男，江西東鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向：地基處理