黃土狀粉土擊實過程中土底壓應(yīng)力規(guī)律研究

李 婕，馬富麗，白曉紅，b

(太原理工大學(xué) a.土木工程學(xué)院，b.巖土與地下工程山西省重點實驗室，太原 030024)

隨著我國建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，建設(shè)用地緊張這一特殊性問題日益突出。 “西部開發(fā)”和“中部崛起”發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)一步加速了我國中西部地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)力度。山西省、陜西省等作為我國中西部黃土高原區(qū)域的主要省份，為解決建設(shè)用地緊張問題都采取了“挖山填溝”“上山建城”等手段。這些地區(qū)廣泛分布的黃土，常常被用作地基、路堤和機(jī)場等建筑場地的回填材料[1]。黃土作為典型的特殊土之一，工程性質(zhì)復(fù)雜。工程建設(shè)中所使用的重塑黃土，改變了天然黃土原有的結(jié)構(gòu)以及物理力學(xué)特征[2-3]。在大量的填挖方工程中，由于建筑面積和工程量巨大，要保證黃土的填筑壓實質(zhì)量實屬不易。而在擊實過程中，含水量的控制常常會影響填土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。目前已有的報道大多是針對含水量對填土壓縮特性、抗剪強(qiáng)度或土水特征影響的研究[4-6]。但在室內(nèi)擊實試驗時，不同的擊實條件影響了土體能量傳遞的效果，含水量的變化影響更不容忽視。通過土中壓力測試，從應(yīng)力傳遞的角度對土體的壓實特性進(jìn)行評價的概念雖然已在路基、壩體等工程中得到了應(yīng)用[7]，但國內(nèi)外學(xué)者針對擊實過程中壓力測試的研究還很少。因此有必要從該角度出發(fā)探究擊實能累加過程，在不同擊實條件下土中應(yīng)力的傳遞規(guī)律，為控制填土工程質(zhì)量提供指導(dǎo)。

綜上，本文選取山西省某工地黃土狀粉土(典型黃土地質(zhì)區(qū)域的粉土)進(jìn)行室內(nèi)擊實試驗，研究在不同擊實含水量和擊實能條件下的土底壓應(yīng)力變化規(guī)律，以期為今后黃土地區(qū)填土工程質(zhì)量評價提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗用土

本文土樣取自山西省忻州市某工地，將其自然風(fēng)干，依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999)》[8]進(jìn)行土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)測試，結(jié)果列于表1.按規(guī)范可定名為粉土[9]。

表1 試驗用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Indexes of basic physical properties of soil used in the test

2 室內(nèi)擊實試驗

2.1 試驗方法

依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999)》[8]規(guī)定的室內(nèi)擊實試驗方法進(jìn)行擊實試驗，試驗選取三種擊實能(E)即：1 208.2 kJ/m3，2 013.7 kJ/m3和2 684.9 kJ/m3，每種擊實能下依據(jù)土樣塑限預(yù)估含水量配置設(shè)置5個不同的擊實含水量，相鄰兩種含水量的差值為2%左右。分三層進(jìn)行擊實，每層最終擊實厚度約為38 mm.

2.2 試驗結(jié)果及分析

圖1給出了本次試驗工況下不同擊實能條件下的擊實曲線，由此獲得不同擊實能所對應(yīng)的最大干密度與最優(yōu)含水量列于表2.

從圖1與表2可以看出不同擊實能條件下，土樣干密度隨擊實含水量的增加先增加后減小。峰值所對應(yīng)的擊實含水量為最優(yōu)含水量(wop)，此時的干密度為最大干密度(ρd).且擊實能越大其最優(yōu)含水

圖1 不同擊實能下的擊實曲線Fig.1 Curves of compaction under different compaction energy

表2 不同擊實能下的最優(yōu)含水量與最大干密度Table 2 Optimal water content and maximum dry density under different compaction energy

量越小，最大干密度越大，符合一般細(xì)粒土的壓實特性[10]。在最優(yōu)含水量偏干側(cè)(wop減2%左右)及最優(yōu)含水量條件下土樣干密度先隨擊實能增大而增大，然后趨于平緩，表明了“經(jīng)濟(jì)擊實功”的存在[11]。而在最優(yōu)含水量濕側(cè)(wop加2%左右)干密度隨擊實能增加基本為緩慢增加，如圖2所示。無論擊實含水量是偏干還是偏濕，土樣干密度均隨擊實能增加而增大；但在最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)，這種增大趨勢逐漸變平緩，與楊晶等[12]的發(fā)現(xiàn)相一致，而最優(yōu)含水量濕側(cè)干密度隨擊實能增大變化持續(xù)增加。在一定含水量條件下，隨著含水量增大，水分在顆粒間起到潤滑作用，在擊實作用下土樣變密實，干密度變大。但當(dāng)含水量過大時，粉土顆粒與水膠結(jié)作用較差[13]，孔隙中充當(dāng)潤滑作用的水分出現(xiàn)剩余，擊實能部分被孔隙水消耗，從而無法有效擊實土體，因此繼續(xù)增加擊實能土體干密度變化不明顯[14]。同時過大的擊實能會破壞土體原本顆粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土顆粒破碎，破碎特征與擊實能的大小以及土顆粒的礦物質(zhì)成分等有關(guān)[15]。

圖2 不同含水量下?lián)魧嵞芘c干密度關(guān)系曲線Fig.2 Curves of compaction energy and dry density under different water content

3 土底壓應(yīng)力測試

3.1 試驗方法

為探討擊實過程中土中應(yīng)力傳遞規(guī)律，本文采用自主研發(fā)的土中應(yīng)力測試系統(tǒng)[16]對上述每組不同擊實能及含水量條件下的土樣在擊實過程中的土底壓應(yīng)力進(jìn)行了測試，測試系統(tǒng)如圖3.基于對測量結(jié)果精準(zhǔn)性及數(shù)據(jù)可靠性的要求，本文在進(jìn)行試驗設(shè)計時只對擊實試驗過程中土體底部中央處的壓應(yīng)力進(jìn)行了測試，即在擊實過程中，僅測讀當(dāng)擊實錘落于擊實桶正中央時(如圖3所示土壓力盒正上方時)的壓力盒讀數(shù)。不同擊實能下的測試次數(shù)列于表3.

3.2 土底壓應(yīng)力測試結(jié)果及分析

3.2.1土底壓應(yīng)力與擊實作用時間關(guān)系

不同擊實能條件下每層土中擊實作用時間與土體底部中央壓應(yīng)力(以下簡稱土底壓應(yīng)力)的關(guān)系極為類似，故以擊實能為1 208.2 kJ/m3，擊實含水量為7.5%的土樣擊實測試結(jié)果為例進(jìn)行分析。由于每層土中測試次數(shù)為3次，所以每層土有三條擊實作用時間與土底壓應(yīng)力的關(guān)系曲線(見圖4).由圖4可知，在同一層土中，隨著擊實次數(shù)的增加土底壓應(yīng)力增大，擊實作用時間變短。當(dāng)土底壓應(yīng)力達(dá)到最大時，擊實作用時間最短，此時土體為該條件下的最密實狀態(tài)。這是因為在同一層土中，擊實初期土顆粒較為疏松，介質(zhì)的連續(xù)性差，力的傳遞速度較慢，松散土體吸收能量，因此傳遞到土底的能量較小(如圖4中1-1曲線)。在土體逐漸密實的過程中，土體作為傳力介質(zhì)趨于穩(wěn)定，擊實能可以向土層深處傳遞，表層吸收能量減少[17]，土體剛度增大，力的傳遞速度加快，傳遞到土體底部的擊實沖擊力增大，因此土底壓應(yīng)力增大，作用時間減小(如圖4中1-3曲線)。

圖3 土底壓應(yīng)力測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of soil bottom pressure measuring system

表3 每層土底壓應(yīng)力測試次數(shù)Table 3 Measuring times of bottom pressure for each layer of soil

圖4 擊實作用時間與土底壓應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 Curves of compaction time and soil bottom pressure

3.2.2含水量對土底壓應(yīng)力的影響

相同擊實能不同含水量條件下，土底壓應(yīng)力傳遞規(guī)律有所不同。圖5為不同擊實能條件下土底壓應(yīng)力隨鋪土層數(shù)和擊實次數(shù)的變化曲線。為保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和分析過程的可比性，不同擊實條件下均取每次擊實過程中最大的土底壓應(yīng)力σmax進(jìn)行分析。

圖5 土底壓應(yīng)力隨鋪土層數(shù)及擊實次數(shù)的變化曲線Fig.5 Change curves of the bottom pressure with the number of layers and compaction times

表4 不同擊實能及含水量下土體空隙率一覽表Table 4 List of void fraction of soil under different compaction energy and water content

從圖5中可以看出，三種擊實能條件下的土底壓應(yīng)力σmax隨鋪土層數(shù)和擊實次數(shù)的變化規(guī)律基本相同。在同一擊實能下，對于第一層鋪土，當(dāng)擊實含水量≤wop時，σmax隨擊實次數(shù)的增大而提高。當(dāng)擊實含水量>wop時，σmax隨擊實次數(shù)的增加先提高后降低，并且在數(shù)值上明顯小于擊實含水量≤wop時的σmax值。對于第二、三層鋪土，當(dāng)擊實含水量≤wop時，σmax在前三擊時隨擊實次數(shù)的增加而提高，之后基本保持不變；當(dāng)擊實含水量>wop時，σmax值隨擊實次數(shù)的變化不明顯。同時，無論擊實含水量如何變化，σmax的值隨著鋪土層數(shù)的增加而減小，且第一層鋪土條件下的σmax明顯大于第二層鋪土的σmax值。

室內(nèi)擊實過程中，土體中的水分不易排出，擊實能作用于土體，排出孔隙間的氣體使土體變密實[17]。給定擊實能下，當(dāng)擊實含水量≤wop時，土中孔隙氣和孔隙水均處于開敞狀態(tài)，對于第一層鋪土，每一次擊實都可將土中的氣體排出，使土體密實，故而σmax隨擊實次數(shù)的增加而提高。當(dāng)擊實含水量>wop時，土中孔隙水屬于開敞狀態(tài)，但孔隙氣處于封閉，空隙率極小(不同擊實能及含水量條件下的空隙率見表4)，擊實作用下無法排出更多的土中氣，而孔隙中的水不可壓縮，擊實能大多被孔隙水消耗，故σmax的值遠(yuǎn)小于同一條件下?lián)魧嵑俊躻op時的值，且隨著擊實次數(shù)的變化不明顯[18]。第一層鋪土?xí)r，土層厚度較薄，擊實錘下落后與土壓力盒距離較近，土體吸收的能量較少，因此第一層的σmax值較大。但是當(dāng)繼續(xù)加大鋪土層數(shù)后，擊實次數(shù)大于一定值后(本試驗為3～4擊)，在擊實能為2 684.9 kJ/m3條件下，第一層土擊實時得到的土底壓應(yīng)力隨擊實次數(shù)的增加而提高，但是當(dāng)擊實次數(shù)為3～4擊后，土底壓應(yīng)力趨于平緩。該擊實能下所得到的最大干密度為1.97 g/cm3，與2 013.7 kJ/m3擊實能下所得到的最大干密度1.95 g/cm3相差無幾，所以當(dāng)土體密實度達(dá)到一定程度，再增加擊實次數(shù)時，孔隙中氣體的排出量減小，土體密實程度提高緩慢，σmax值變化不明顯。且鋪土層數(shù)增大，擊實錘作用面與土底壓力盒的距離增加，力的傳遞路徑變長，擊實能被土體消耗，故作用于土底的壓應(yīng)力隨鋪土厚度的增加而減小。標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗中的擊實能為單位體積累積能量(即通過改變錘擊數(shù)來改變能量大小)，在含水量不變的條件下，使土顆粒變密實所需能量一定(與該條件下粒間阻力相匹配)，當(dāng)達(dá)到一定擊實次數(shù)后，累積的擊實能剛好可以使土體形成該條件下穩(wěn)定的傳力介質(zhì)，因此σmax值隨擊實次數(shù)的增加總體變化不明顯。此時土體吸收能量極少，繼續(xù)增加錘擊數(shù)會造成能量浪費。

3.3 土底壓應(yīng)力與壓實度關(guān)系

為研究不同含水量條件下土底壓應(yīng)力與壓實效果的關(guān)系，將不同擊實能與含水量條件下的σmax值與其對應(yīng)的壓實度進(jìn)行分析。為了減少由于可能存在的土顆粒對壓力盒產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象影響，以第二層擊實數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。依據(jù)試驗所得ρdmax計算每組工況下土樣壓實度，表5為不同擊實能及含水量下土體壓實度與σmax一覽表。

表5 不同擊實能及含水量下土體壓實度與σmax一覽表(以第二層擊實數(shù)據(jù)為例)Table 5 List of degree of compaction and σmax of soil under different compaction energy and water content

從表5可以看出，當(dāng)壓實度為1時，σmax值隨擊實能的增加而增大，但變化幅度并不明顯。由于土的多相性，其密實過程中，主要是孔隙體積減小和孔隙形態(tài)的變化起主導(dǎo)作用，當(dāng)土體形成穩(wěn)定的傳力介質(zhì)后不再吸收能量，而擊實能為累積體積能，故增加擊實次數(shù)不能有效提高土體密實程度。

圖6給出了不同擊實能和含水量條件下，土底最大壓應(yīng)力σmax值的變化(以第二層的擊實數(shù)據(jù)為例)。由圖可見，當(dāng)擊實含水量wop時，σmax隨擊實能變化較為平緩。以上現(xiàn)象說明擊實含水量偏大時，增加的擊實能大部分被孔隙水消耗，傳遞到土體深處的能量減少[19]。當(dāng)擊實能達(dá)到一定值后，擊實作用可將土顆粒破裂，土樣密實程度將有所增加，導(dǎo)致土底壓應(yīng)力增大，但σmax的最大值不會超過最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)值。而在擊實含水量偏干側(cè)與最優(yōu)含水量條件下，土中沒有過多的自由水，擊實能幾乎全部用來改變顆粒排列結(jié)構(gòu)，因此使土體更加密實，σmax較大。

圖6 不同含水量下?lián)魧嵞芘cσmax關(guān)系曲線 (以第二層擊實數(shù)據(jù)為例)Fig.6 Curves of compaction energy and σmax with different water content

不論擊實能為多大，在同一擊實能下，隨著擊實含水量的增加，最大的土底壓應(yīng)力在偏干側(cè)出現(xiàn)，而最大土底壓應(yīng)力在偏濕側(cè)出現(xiàn)陡降，如圖7(以第二層擊實數(shù)據(jù)為例)。但壓實度在偏干側(cè)與偏濕側(cè)變化幅度并不明顯(見表5).

圖7 不同擊實能下含水量與σmax關(guān)系曲線 (以第二層擊實數(shù)據(jù)為例)Fig.7 Curves of water content and σmax with different compaction energy

在土體密實過程中擊實錘需要克服土顆粒間的內(nèi)摩阻力與顆粒間粘結(jié)力做功，而這兩種力都是隨壓實度的增加而增大的[20]。但從上述試驗現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，雖然壓實度接近，但土底壓應(yīng)力變化有明顯陡降。說明在含水量適宜范圍內(nèi)(最優(yōu)含水量及其偏干側(cè))擊實過程中的能量大部分均用作克服粒間阻力，使土體變密實，表層逐漸密實后再向土體更深處傳遞擊實能，因此土底壓應(yīng)力變化幅度不大。但當(dāng)含水量超出合適的范圍(最優(yōu)含水量濕側(cè))，土顆粒間充斥大量孔隙水且無法壓縮，在室內(nèi)擊實過程中無法排出，在擊實過程中形成反向阻力，消耗大部分沖擊能量，使作用到土顆粒之間的力減小，顆粒排列無法更緊密，土體所形成的力的傳遞介質(zhì)相對疏松，傳遞到土底的壓強(qiáng)也隨之減小，因此土底壓應(yīng)力出現(xiàn)陡降。以上分析從能量傳遞的角度進(jìn)一步解釋了細(xì)粒土擊實原則。

4 結(jié)論與建議

本文通過測試不同擊實能和含水量條件下?lián)魧嵾^程中土底壓強(qiáng)值的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1) 土體越松散，擊實沖擊力在土中作用時間越長，土底壓應(yīng)力越小。反之土樣越密實，沖擊力作用時間變短，土底壓應(yīng)力增大。當(dāng)土體達(dá)到該條件下最密實狀態(tài)時，土底壓應(yīng)力達(dá)到最大值，作用時間最短。因此，土底壓應(yīng)力值也可以評判土樣的密實程度。

2) 土體吸收能量達(dá)到所需克服的粒間阻力后，形成穩(wěn)定傳力介質(zhì)，不再吸收能量，因此對于累積擊實次數(shù)來獲得更大擊實能的擊實過程中不斷提高擊實次數(shù)獲取更大擊實能會造成能量浪費。說明，對于給定的土體，存在一個最優(yōu)的擊實能。

3) 相同擊實能條件下，擊實含水量大小對能量傳遞效果影響顯著。最優(yōu)含水量偏干側(cè)能量傳遞穩(wěn)定，最優(yōu)含水量偏濕側(cè)出現(xiàn)陡降段，壓實效果變差。

4) 相同擊實能和含水量條件下，土底壓強(qiáng)隨鋪土厚度增加而變小，說明在對土體進(jìn)行擊實處理時，存在最優(yōu)的鋪土厚度，可以使擊實能的效率發(fā)揮到最高。