含水率對粉土沖擊壓實效果影響的試驗研究

陳忠清　徐東陽　高　鑫　謝湘平

(1.紹興文理學(xué)院　土木工程學(xué)院，浙江　紹興312000;2.紹興文理學(xué)院　巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害實驗中心，浙江　紹興312000；3.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川　成都610041)

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含水率對粉土沖擊壓實效果影響的試驗研究

陳忠清1,2徐東陽1高鑫1謝湘平3

(1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，浙江紹興312000;2.紹興文理學(xué)院巖石力學(xué)與地質(zhì)災(zāi)害實驗中心，浙江紹興312000；3.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川成都610041)

摘要：沖擊碾壓法具有施工快速、造價經(jīng)濟等特點，已在國內(nèi)外公路、鐵路、機場及港口等工程中得到廣泛應(yīng)用.采用室內(nèi)擊實試驗?zāi)M沖擊碾壓過程中的沖擊作用，通過對擊實后的粉土試樣進行壓縮試驗和直剪試驗，從土的壓縮變形和抗剪強度變化的角度，研究了土中含水率對粉土沖擊壓實效果的影響.結(jié)果表明，粉土的最優(yōu)含水率在23%～24%范圍內(nèi)；粉土在低于最優(yōu)含水率情況下的沖擊壓實效果好于在高于最優(yōu)含水率情況下的沖擊壓實效果.

關(guān)鍵詞：沖擊碾壓；含水率；擊實試驗；粉土

沖擊碾壓法是20世紀(jì)80年代成形的地基處理方法，具有如下一些特點：①利用沖擊壓路機的非圓形沖擊輪對地基土進行連續(xù)滾動沖擊、靜壓和揉搓；②適合加固多種類型地基土，且加固深度可達1m以上，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的靜力壓實與振動壓實[1-4]；③施工快速，造價經(jīng)濟，且施工振動影響相對較小，在淺層地基加固方面明顯優(yōu)于強夯法[5-8].徐超等(2011)采用沖擊碾壓法加固淮安漣水機場飛行區(qū)粉土地基的現(xiàn)場試驗研究中，得到土體的含水率對粉土地基的沖擊碾壓加固效果有明顯影響[9].目前，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)以及《公路沖擊碾壓應(yīng)用技術(shù)指南》均沒有對沖擊碾壓加固粉土的最優(yōu)含水率或有利于粉土沖擊碾壓加固效果的含水率變化范圍作出明確規(guī)定[10-11].

本文通過擊實試驗?zāi)M沖擊碾壓過程中的沖擊作用，得出不同含水率下粉土試樣的干密度指標(biāo)，并對擊實后的粉土試樣分別進行壓縮試驗和直剪試驗，獲得其壓縮模量指標(biāo)和抗剪強度指標(biāo)，從土的壓縮變形和抗剪強度變化的角度，研究含水率對粉土沖擊壓實效果的影響.

1試驗材料及方案

1.1試驗材料

以取自江蘇淮安地區(qū)的粉土作為試驗材料，顆粒級配曲線如圖1所示.由圖1可知，本次試驗土樣的粉土顆粒占84.0%，細砂顆粒占13.0%，黏土顆粒3.0%，土樣的不均勻系數(shù)Cu為2.75，曲率系數(shù)Cc為1.84，顆粒組成較均勻.

1.2試驗方案

1.2.1擊實試驗方案

采用JDS-3型標(biāo)準(zhǔn)手提擊實儀進行擊實試驗，如圖2所示.具體試驗過程如下：

(1)采用干法制樣，先將粉土風(fēng)干，測其風(fēng)干含水率w0，土樣經(jīng)處理后重復(fù)使用.

(2)據(jù)勘察報告，粉土塑限最大值為25.1%，最小值為22.3%，平均值為23.8%，預(yù)估需制備試樣的含水率w分別為20%、22%、24%、26%及28%.按此含水率從低到高制樣，共進行五次擊實試驗.

(3)一次擊實試驗取風(fēng)干土樣4～5kg，平鋪于不吸水的平板上，噴灑所需的加水量，充分拌和，裝入塑料袋，靜置24h.加水量Δmw按下式計算：

(1)

式(1)中：m0為風(fēng)干土樣質(zhì)量(g)，w0為風(fēng)干含水率(%)，w為預(yù)估含水率(%).

(4)在擊實筒內(nèi)壁涂一薄層潤滑油，裝入土樣，分5層擊實，每層54擊，并在兩層接觸面進行刨毛處理，避免出現(xiàn)明顯的分層界面.

(5)取粉土試樣：①從土樣中心處取2份15-30g的試樣，測定其含水率wi，二者的差值應(yīng)不大于1%；②采用環(huán)刀，從上至下分四層取8個試樣，每層并排取2個(如圖3所示)，其中5個試樣用于直剪試驗，3個試樣用于壓縮試驗.

1.2.2壓縮試驗方案

采用快速固結(jié)法進行壓縮試驗，以獲取粉土擊實后的壓縮模量指標(biāo).荷載等級為50KPa、100KPa、200KPa、400KPa，每級荷載施加后1h讀數(shù)，最后一級1h和24h后分別讀數(shù).

1.2.3直剪實驗方案

每次擊實試驗后，用環(huán)刀從擊實筒中取1個試樣，進行直接剪切試驗，以獲取粉土擊實后的抗剪強度指標(biāo).采用快剪試驗方法，試驗時垂直壓力的加載等級分別為50kPa、100kPa、150KPa、200KPa、300KPa.

圖1　試樣的顆粒級配曲線

圖2　JDS-3型標(biāo)準(zhǔn)手提擊實儀

圖3　擊實后粉土試樣的取樣過程照片

2試驗結(jié)果分析

2.1擊實試驗

粉土的擊實試驗的結(jié)果如圖4所示.由圖4分析可得：粉土的最優(yōu)含水率為23%～24%范圍內(nèi)，其最大干密度為1.63 g/cm3；當(dāng)試樣含水率為20%、22%和24%時，擊實后干密度明顯大于含水率為26%和28%試樣擊實后的干密度.可見，當(dāng)含水率低于24%時，粉土的沖擊壓實效果好于含水率高于24%時粉土的沖擊壓實效果.

圖4　粉土的擊實曲線

2.2壓縮試驗

不同含水率情況下，擊實后粉土試樣的壓縮試驗結(jié)果如表1和圖5所示.由表1和圖5可得：

粉土的壓縮模量隨含水率的變化趨勢與干密度隨含水率的變化趨勢呈一致性，其中含水率為24%的粉土試樣對應(yīng)的壓縮模量最大，達到8.22MPa；當(dāng)粉土試樣的含水率小于最優(yōu)含水率時，對應(yīng)的壓縮模量大于含水率超過最優(yōu)含水率的試樣所對應(yīng)的壓縮模量.可見，從土的壓縮變形角度來看，粉土在低于最優(yōu)含水率情況下的沖擊壓實效果好于在高于最優(yōu)含水率情況下的沖擊壓實效果.

表1不同含水率試樣經(jīng)擊實后的壓縮模量

擊實試驗No.1No.2No.3No.4No.5含水率(%)19.9921.6824.2425.9427.86壓縮系數(shù)0.200.220.200.240.25壓縮模量(MPa)7.607.368.226.816.41

圖5　擊實后含水率與壓縮模量關(guān)系曲線

2.3直剪試驗

不同含水率情況下，擊實后粉土試樣的直剪試驗結(jié)果如表2和圖5所示.由表2和圖5可以得到：在不同含水率條件下，粉土的內(nèi)摩擦角φ在30.4°～32.5°范圍內(nèi)變化，其中當(dāng)含水率在20%～24%之間變化時φ值大于當(dāng)含水率在26%～28%之間變化時的φ值，而粘聚力在0.37KPa～2.30KPa范圍內(nèi)變化，其中當(dāng)含水率在22%～24%之間變化時c值最大.可見，從土的抗剪強度指標(biāo)的角度來看，粉土在低于最優(yōu)含水率情況下的沖擊壓實效果也要好于在高于最優(yōu)含水率情況下的沖擊壓實效果.

表2直剪試驗結(jié)果

擊實試驗No.1No.2No.3No.4No.5含水率(%)19.9921.6824.2425.9427.86c(kPa)0.372.302.291.701.14φ(°)32.5032.1032.0030.4030.80

(a)含水率為20%

(b)含水率為22%

(c)含水率為24%

(d)含水率為26%

(e)含水率為28%

3結(jié)論

本文主要通過室內(nèi)土工試驗，從土的壓縮變形和抗剪強度指標(biāo)的角度，探討了含水率對粉土沖擊壓實效果的影響，得到如下一些結(jié)論：a.粉土的最優(yōu)含水率在23%～24%范圍內(nèi)，其最大干密度為1.63 g/cm3；b.從土的壓縮變形和抗剪強度指標(biāo)的角度來看，粉土在低于最優(yōu)含水率情況下的沖擊壓實效果好于在高于最優(yōu)含水率情況下的沖擊壓實效果.由于最優(yōu)含水率與沖擊能量直接相關(guān)，當(dāng)沖擊能量增加時可適當(dāng)減小含水率的范圍，以達到最佳的壓實效果.

參考文獻:

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(責(zé)任編輯魯越青)

TestResearch of Influence of Water Content on Effect of Silt Subjected to Impact Roller Compaction

Chen Zhongqing1, 2Xu Dongyang1Gao Xin1Xie Xiangping3

(1. School of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000;2. Centre of Rock Mechanics and Geological Disaster, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000;3. Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Conservancy, Chengdu, Sichuan 610041)

Abstract：The impact roller (IR) compaction method, widely used in engineering of highway, railway, airport and port at home and abroad, has the advantages of high efficiency of construction and cost saving. Compaction test was used to simulate the impact process of IR compaction. Compression tests and direction shear tests were carried out on the silt samples adopted from silt after the compaction to investigate the influence of water content on the effect of silt subjected to IR compaction. The results show that the optimal water content of silt ranges from 23% to 24% and the improvement effect of silt with lower water content than optimal water content is better than that of silt with higher water content than optimal water content.

Key words：impact roller compaction; water content; compaction test; silt

收稿日期：2016-03-24基金項目：紹興文理學(xué)院科研啟動項目(No.20155010；No.20145013)；紹興市公益技術(shù)研究項目(No.2015B70034).

作者簡介：陳忠清(1984-)，男，浙江永康人，博士，講師，主要研究方向：巖土工程.

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.07.02

中圖分類號：TU44

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1008-293X(2016)07-0008-04