不同厚度紅砂巖填土中夯擊能量的消耗規(guī)律研究

潘澤真,陽 丹,管升軍

(江西科技學(xué)院土木工程學(xué)院,江西 南昌 330098)

0 引言

紅砂巖在我國廣泛分布,常被大量開采形成紅砂巖填土,其土層松散、工程性質(zhì)很差,工程實(shí)際中多用強(qiáng)夯[1]加以處理,效果顯著。

針對紅砂巖填土,前人已做了不少研究工作[2-5],但多數(shù)集中在夯擊能量作用下紅砂巖填土的密度和位移等作用效應(yīng)方面的研究,而對于填土中夯擊能量的傳遞及消耗規(guī)律方面的研究則相對較少。彭勃等[6]利用自制裝置在萬能試驗機(jī)上進(jìn)行靜力壓實(shí)試驗,研究了粗粒含量和壓實(shí)厚度對紅砂巖土中壓實(shí)能量消耗規(guī)律的影響,研究成果對工程實(shí)踐具有一定的理論指導(dǎo)意義；楊建永等[7]通過設(shè)計室內(nèi)靜力壓密試驗,分析得出了紅砂巖土的能量-密度關(guān)系式,量化分析了能量的消耗規(guī)律；王彤等[8]以公路路基紅砂巖土為研究對象,利用動靜組合加載試驗裝置,研究了土體中能量的消耗與擊數(shù)和干密度之間的關(guān)系,研究成果可為工程施工提供理論參考。

由上可知,針對紅砂巖填土中能量的消耗問題已取得一些研究成果,但大都基于室內(nèi)靜力壓密試驗,相關(guān)結(jié)論具有一定的局限性,不能為實(shí)際強(qiáng)夯施工提供有效參考。本文以贛南地區(qū)紅砂巖填土為研究對象,利用室內(nèi)單點(diǎn)沖擊試驗,研究土層厚度和擊數(shù)對土體中夯擊能量消耗的影響。

1 試驗方案

通過篩分析實(shí)驗,嚴(yán)格控制土樣顆粒粒徑范圍,確保組分均勻；依據(jù)土樣的塑限設(shè)計分組試驗,測試其最大干密度及最優(yōu)含水率；試驗前對土樣配水,使其為最優(yōu)含水率狀態(tài)。

試驗儀器：①室內(nèi)擊實(shí)儀：錘重4.5Kg,擊錘落距450mm,擊錘底面直徑50mm；②擊實(shí)筒φ152mmx170mm,套筒φ152mmx50mm；③自制小環(huán)刀：內(nèi)徑2.5cm,高2cm。

擬定試驗方案：①土層厚度為H/3；②土層厚度為2H/3；③土層厚度為H；3種方案下的錘重均為4.5Kg,落距均為0.450m,能量同為20N·m,擊數(shù)均設(shè)置為5、10、15、20、25擊；試驗過程中只加套筒不加墊塊。其中H為擊實(shí)筒高度與套筒高度之和。

密度測點(diǎn)布置：垂直方向第一層測點(diǎn)位于坑底中心處,最后一層測點(diǎn)距離筒底2.0cm,從上到下其余各層測點(diǎn)間距3.5cm；水平方向從擊實(shí)筒軸心線處沿徑向每隔3.0cm布置一個測點(diǎn),共3個測點(diǎn)。采用自制小環(huán)刀(內(nèi)徑2.5cm,高2cm)取土測試不同位置土體的密度。

圖1 密度測點(diǎn)布置圖

抗剪強(qiáng)度測點(diǎn)布置：垂直方向第一層為夯坑底面,最后一層測點(diǎn)距離筒底2.5cm,從上到下其余各層測點(diǎn)間距4.0cm；水平方向只在擊實(shí)筒軸心線處布置測點(diǎn),通過直接剪切試驗測定土體的抗剪強(qiáng)度。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 土體沉降變形分析

土體沉降量隨夯擊能的變化主要表現(xiàn)在：

(1)不同厚度的土體第1擊的單擊夯沉量均最大,夯擊能的利用率最高。各方案下土體的累計夯沉量隨夯擊能基本呈三階段變化,即先快速增加、后緩慢增加、最后趨于穩(wěn)定,夯擊能的有效利用率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,這是土體表面形成硬殼層,夯擊能以其他形式向外發(fā)散所致。

(2)對各方案下的累計夯沉量隨累計夯擊能的變化進(jìn)行擬合：

由此可知,各方案下土體的累計夯沉量與累計夯擊能基本符合y=Ax/1+Bx的關(guān)系,且相關(guān)系數(shù)R2都達(dá)到96%以上。

(3)不同厚度土體的最佳夯擊能分別為100N·m、120N·m和140N·m,對應(yīng)土體的夯沉量分別為18mm、32mm、53mm,均約占相應(yīng)總夯沉量的二分之一,由此可知,土層厚度直接影響夯擊能的有效利用。

2.2 土體密度變化分析

不同土層厚度時不同夯擊能下各測點(diǎn)的密度變化主要表現(xiàn)在：對于相同土層厚度的土體,擊實(shí)筒中心線處各測點(diǎn)的密度隨著夯擊能的增加而增大,也隨著測點(diǎn)土體高度的增加而增大；沿徑向各測點(diǎn)土體的密度隨著測點(diǎn)土體高度的增加先增大后減小,第一層兩測點(diǎn)的密度隨著夯擊能的增加反而越來越小。由此可知,夯擊能以豎向作用為主、水平影響為輔,且存在一定的影響范圍,持續(xù)增加夯擊能無益于加固程度的提高,多余的能量以其他形式向外傳遞。

對于不同土層厚度的土體,相同夯擊能下,土層厚度越大,坑底中心土體的密度也越大；相同測點(diǎn)土體高度處各測點(diǎn)的密度隨著土層厚度的增加而減小。由此可知,土層厚度越大,要達(dá)到相同的加固程度,所需消耗的能量越多。

2.3 土體抗剪強(qiáng)度分析

各層測點(diǎn)土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角的變化情況主要表現(xiàn)在：對于相同土層厚度的土體,土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨夯擊能的增加而增大且粘聚力的增長幅度明顯大于內(nèi)摩擦角的增長幅度；相同夯擊能作用下,土體粘聚力和內(nèi)摩擦角都隨著測點(diǎn)土體高度的增加而增大。

對于不同土層厚度的土體,相同夯擊能作用下,土層厚度越大,則同一測點(diǎn)土體高度處測點(diǎn)的粘聚力和內(nèi)摩擦角越小。

3 結(jié)論

本章主要研究不同厚度紅砂巖填土中夯擊能量的消耗規(guī)律,得出以下主要結(jié)論：(1)各方案下土體的累計夯沉量隨夯擊能基本呈三階段變化,即先快速增加、后緩慢增加、最后趨于穩(wěn)定,夯擊能的有效利用率呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。(2)不同土層厚度時土體的最佳夯擊能分別為100N·m、120N·m和140N·m,對應(yīng)土體的夯沉量分別為18mm、32mm、53mm,均約占相應(yīng)總夯沉量的二分之一,土層厚度直接影響夯擊能的有效利用,要達(dá)到相同的加固效果,土層厚度越大,所需夯擊能越多。(3)綜合土體的夯沉量、密度和抗剪強(qiáng)度的變化情況,夯擊能以豎向作用為主、水平影響為輔,且存在一定的影響范圍,持續(xù)增加夯擊能無益于加固程度的提高,多余的能量以其他形式向外傳遞。