不同擊實(shí)能作用下填方場地重塑黃土強(qiáng)度試驗(yàn)研究

樊育豪，錢思眾，李金華

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710000； 2.西安科技大學(xué)，陜西 西安 710054)

陜北黃土高原溝壑縱橫，地下煤炭儲量豐富，是我國重要的煤炭生產(chǎn)基地。煤礦建設(shè)過程中往往面臨用地緊張問題，導(dǎo)致黃土填方場地大量出現(xiàn)。填方工程可以有效解決山區(qū)煤礦建設(shè)用地緊張問題，但填方工程的地基穩(wěn)定性已成為威脅煤礦正常建設(shè)和安全生產(chǎn)的重要因素之一。重塑黃土(填方土體)不同于一般的原狀黃土或天然黃土，其在具體施工過程中改變了黃土的原有結(jié)構(gòu)，從而引起黃土的物理和力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。過去由于人們對重塑黃土的力學(xué)特性缺乏有效、系統(tǒng)的認(rèn)識，從而引發(fā)了一系列的填方場地事故，嚴(yán)重影響了煤礦正常的建設(shè)和生產(chǎn)安全。

近年來，一些學(xué)者通過試驗(yàn)和理論分析對重塑黃土的物理力學(xué)特性展開了研究。黃茂松等[1]研究了各類土的力學(xué)特性和強(qiáng)度理論，并對這兩方面的內(nèi)容做了深入闡述；王娟娟等[2]針對西安地區(qū)壓實(shí)黃土進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明當(dāng)土樣的干密度一定時，其壓實(shí)黃土的強(qiáng)度指標(biāo)都隨著含水率的增大而明顯減??；郭江濤[3]對新疆地區(qū)重塑黃土進(jìn)行了直剪試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)度指標(biāo)隨土樣物理性質(zhì)變化的規(guī)律；黃澤等[4]通過對延安新區(qū)重塑黃土的直剪試驗(yàn)，得出含水率和干密度是影響黃土試樣抗剪強(qiáng)度的重要因素；楊晶等[5]進(jìn)行了不同擊實(shí)能的擊實(shí)試驗(yàn)研究，得出了壓實(shí)黃土強(qiáng)度與含水率、擊實(shí)能之間的變化規(guī)律；王林浩等[6]開展了直剪試驗(yàn)研究，結(jié)合對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理，得到了抗剪強(qiáng)度與各影響因素之間的關(guān)系；張志權(quán)等[7]以3個不同地區(qū)的黃土為試驗(yàn)對象，進(jìn)行了室內(nèi)直剪試驗(yàn)研究，得出了各個地區(qū)黃土試樣的強(qiáng)度特性；吳起星[8]結(jié)合室內(nèi)直剪試驗(yàn)和原位試驗(yàn)對高填方填筑土進(jìn)行了研究，綜合對比分析，得出抗剪強(qiáng)度與含水率之間的變化規(guī)律；方華強(qiáng)[9]以延安某高填方項(xiàng)目的填筑體為研究對象，著重研究了其在高應(yīng)力條件下重塑黃土的變形特性；李柯君[10]從單擊功的角度出發(fā)，討論了擊實(shí)能對土體密實(shí)度的影響規(guī)律。但是，上述研究均沒有考慮現(xiàn)場的施工工藝(不同擊實(shí)能作用下)對重塑黃土的物理力學(xué)性質(zhì)的影響?；诖?，筆者主要從不同擊實(shí)能的角度出發(fā)，通過針對重塑黃土的室內(nèi)直剪試驗(yàn)，研究在不同擊實(shí)能作用下含水率對重塑黃土物理性質(zhì)和抗剪強(qiáng)度的影響。

1 土樣的基本物理性質(zhì)

以延安地區(qū)黃土為試樣，取土深度為8.2～12.5 m。根據(jù)鉆探及室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可知，勘探深度內(nèi)地層為第四紀(jì)全新統(tǒng)風(fēng)積黃土(Q4eol)。土樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)

2 試驗(yàn)方案及過程

2.1 試驗(yàn)方案

采用正交試驗(yàn)的方法，即選取4種不同的擊實(shí)能(分別為592.2、1 342.4、1 820.2、2 684.9 kJ/m3)進(jìn)行試驗(yàn)。每一種擊實(shí)能均分別對應(yīng)4種不同初始含水率的土樣，含水率分別為10%、12%、14%、16%。

2.2 試驗(yàn)過程

按照試驗(yàn)方案，制備不同初始含水率的土樣，并使用JDS-1型電動數(shù)控?fù)魧?shí)儀制備不同擊實(shí)能的擊實(shí)樣。試驗(yàn)過程中使用內(nèi)徑為61.8 mm、高度為 20 mm 的環(huán)刀在擊實(shí)樣中取環(huán)刀樣，如圖1所示。所采用試驗(yàn)方式均為快剪，剪切速率為0.8 mm/min，分別在100、200、300、400 kPa的垂直壓力下進(jìn)行直剪試驗(yàn)。

圖1 環(huán)刀取樣

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 擊實(shí)能與各土樣物理參數(shù)之間的關(guān)系

土樣各含水率下干密度(ρd)、最優(yōu)含水率(wop)、最大干密度(ρdmax)與擊實(shí)能(E)的關(guān)系曲線，如圖2～4所示；最大干密度與最優(yōu)含水率的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖2 土樣干密度與擊實(shí)能關(guān)系曲線

圖3 土樣最優(yōu)含水率與擊實(shí)能關(guān)系曲線

圖4 土樣最大干密度與擊實(shí)能關(guān)系曲線

圖5 土樣最大干密度與最優(yōu)含水率關(guān)系曲線

由圖2可見，土樣干密度隨著擊實(shí)能的增大總體上呈現(xiàn)出遞增趨勢。從圖3可以看出,土樣最優(yōu)含水率隨著擊實(shí)能的增大而減小，呈冪函數(shù)關(guān)系。從圖4可以看出，土樣的最大干密度隨著擊實(shí)能的增大而增大，在擊實(shí)能較小時，如當(dāng)擊實(shí)能小于2 000 kJ/m3時，最大干密度隨擊實(shí)能的增大其變化較快；在擊實(shí)能較大時，如當(dāng)擊實(shí)能大于2 000 kJ/m3時，最大干密度隨擊實(shí)能的增大其變化較為緩慢。從圖5可知，土樣最大干密度隨著最優(yōu)含水率的增高而降低。綜上可見，在進(jìn)行高填方項(xiàng)目工程填筑施工時，一味地增大擊實(shí)能，土體干密度增加有限，土體很難再進(jìn)一步大幅度地提高其密實(shí)度。因此應(yīng)注意選擇施加經(jīng)濟(jì)合理的擊實(shí)能，從而達(dá)到高填方項(xiàng)目的最大效益。

3.2 擊實(shí)能對抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律

土樣在各含水率條件下抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系曲線如圖6所示。

(a)含水率10%

由圖6可知，土樣各抗剪強(qiáng)度與垂直壓力之間均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，抗剪強(qiáng)度均隨著垂直壓力的增大而線性增大。由圖6(a)和(b)可知，當(dāng)土樣的含水率為10%和12%時，抗剪強(qiáng)度隨擊實(shí)能的增大而增大。當(dāng)擊實(shí)能達(dá)到最大擊實(shí)能2 684.9 kJ/m3時，土樣抗剪強(qiáng)度達(dá)到其最大值。由圖6(c)和(d)可知，當(dāng)擊實(shí)能為1 820.2 kJ/m3和1 342.4 kJ/m3時，抗剪強(qiáng)度較其他擊實(shí)能條件下的抗剪強(qiáng)度大，這是由于擊實(shí)能為1 820.2 kJ/m3和1 342.4 kJ/m3時，最優(yōu)含水率分別為14.2%和13.3%，此時，在各擊實(shí)能條件下，土體更為密實(shí)，而當(dāng)擊實(shí)能達(dá)到最大值(2 084.9 kJ/m3)時，抗剪強(qiáng)度并沒達(dá)到最大值，說明在土樣擊實(shí)過程中，來自含水率的影響占主導(dǎo)地位，因此在高填方項(xiàng)目工程施工時，要注意應(yīng)將含水率控制在黃土的最優(yōu)含水率附近，即在相應(yīng)擊實(shí)能對應(yīng)的最優(yōu)含水率下的擊實(shí)土體，能夠使土體獲得更高的強(qiáng)度。

3.3 擊實(shí)能對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響規(guī)律

各含水率下土樣黏聚力與擊實(shí)能關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖7 土樣黏聚力與擊實(shí)能關(guān)系曲線

由圖7可看出，擊實(shí)能的變化對土樣黏聚力有一定的影響，但是其規(guī)律性不強(qiáng)。當(dāng)含水率為10%時，土樣的黏聚力隨擊實(shí)能的增大而增大；在含水率為12%時，土樣的黏聚力隨擊實(shí)能的增大而增大，當(dāng)擊實(shí)能超過2 000 kJ/m3時，其值略有減??；當(dāng)含水率為14%時，土樣的黏聚力隨著擊實(shí)能的增大而增大，當(dāng)擊實(shí)能超過1 500 kJ/m3時，黏聚力又有所降低；當(dāng)含水率為16%時，土樣黏聚力隨含水率的增加反而有所減小，當(dāng)擊實(shí)能超過1500 kJ/m3時，黏聚力又有所增大。這樣的變化可以通過最優(yōu)含水率來解釋，即各擊實(shí)能條件下，在最優(yōu)含水率的干側(cè)，土樣黏聚力隨初始含水率的增加而增大；當(dāng)土樣的含水率超過其最優(yōu)含水率時，即在土樣最優(yōu)含水率的濕側(cè)，黏聚力隨著含水率的增加反而減小。在其最優(yōu)含水率處，土樣的黏聚力達(dá)到最大值。

各含水率下土樣內(nèi)摩擦角與擊實(shí)能關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 土樣內(nèi)摩擦角與擊實(shí)能關(guān)系曲線

由圖8可知，隨著擊實(shí)能的增大，土樣的內(nèi)摩擦角整體上呈現(xiàn)出單調(diào)遞增的變化趨勢，這是由于土樣隨著擊實(shí)能的不斷增大，土顆粒之間的接觸變得更加緊密，相對運(yùn)動時土顆粒之間的摩擦力也變得更大。當(dāng)含水率較低時(如含水率為10%和12%)，土樣的內(nèi)摩擦角隨擊實(shí)能的增大而明顯增大；當(dāng)含水率較高時(如含水率為14%和16%)，土樣的內(nèi)摩擦角反而隨擊實(shí)能的增大先呈現(xiàn)出增大的趨勢，隨后明顯減小。當(dāng)含水率一定時，土樣所加的擊實(shí)能愈大，內(nèi)摩擦角也就愈大。高擊實(shí)能時，在最優(yōu)含水率的右側(cè)，土樣的內(nèi)摩擦角隨含水率的增高反而有較大程度的降低。這是由于在高擊實(shí)能作用下形成的密實(shí)土體，在巨大的擊實(shí)能作用下土體發(fā)生破壞，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角降低所引起的。

4 結(jié)論

以延安地區(qū)Q4黃土為研究對象，開展了直剪試驗(yàn)，從不同擊實(shí)能的角度出發(fā)，對重塑黃土的強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，得到的主要結(jié)論如下：

1)各抗剪強(qiáng)度與垂直壓力之間均呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系，在不同擊實(shí)能作用下重塑黃土抗剪強(qiáng)度均與垂直壓力成正比，在研究擊實(shí)能對壓實(shí)黃土抗剪強(qiáng)度的影響時還應(yīng)考慮最優(yōu)含水率，在相應(yīng)擊實(shí)能對應(yīng)的最優(yōu)含水率下?lián)魧?shí)的土體，能夠使土體獲得更高的強(qiáng)度。

2)擊實(shí)能的變化對土樣黏聚力有一定的影響，但其規(guī)律性不強(qiáng)。不過當(dāng)土樣的含水率較低時，隨擊實(shí)能的增大，其黏聚力整體上呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢。對于內(nèi)摩擦角而言，隨著擊實(shí)能的增大，土樣的內(nèi)摩擦角基本上呈現(xiàn)出單調(diào)增大的趨勢。

3)對于填筑土體，所施加的擊實(shí)能不同，得到的填筑體的密實(shí)程度就會不同。土體在能量的作用下會變得密實(shí)，當(dāng)再施加過多的能量時，土體已經(jīng)形成的致密結(jié)構(gòu)就會被破壞，土顆粒就會產(chǎn)生滑移、滾動，土體甚至?xí)a(chǎn)生鼓脹、剪切破壞或者產(chǎn)生較大的水平變形。

4)在煤礦建設(shè)進(jìn)行填方施工前，應(yīng)考慮擊實(shí)能對填方黃土力學(xué)特性的影響，選擇經(jīng)濟(jì)合理的施工工藝，以保證填方地基的穩(wěn)定性。