紅砂巖風(fēng)化土室內(nèi)沖擊試驗研究

楊建永，甘芳芳，盧凱，郭志柳

(1.江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.北京建達道橋咨詢有限公司福建分公司，福建廈門361000)

紅砂巖風(fēng)化土室內(nèi)沖擊試驗研究

楊建永1，甘芳芳1，盧凱1，郭志柳2

(1.江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州341000；2.北京建達道橋咨詢有限公司福建分公司，福建廈門361000)

通過改變錘重和土柱高度兩個因素來設(shè)計擊實試驗方案，研究紅砂巖風(fēng)化土在不同方案下，單位面積沖擊能與沖沉量、土體干密度的關(guān)系；錘擊數(shù)N與抗剪強度的關(guān)系.根據(jù)試驗得出的沖擊荷載作用下紅砂巖風(fēng)化土的加固作用效應(yīng)，來探討紅砂巖風(fēng)化土沖擊加固規(guī)律.試驗結(jié)果表明：單位面積沖擊能與平均沖沉量之間基本符合公式y(tǒng)=Aln（x）+B的關(guān)系；填土的高度直接影響著土體的最終沖沉量值；隨著單位面積沖擊能的增加，土體的干密度增加；增加錘重比減少土柱高度對于抗剪強度增加的影響要大些.這些試驗成果可為以后研究沖擊荷載在紅砂巖填土地基上的加固作用效應(yīng)提供參考.

紅砂巖風(fēng)化土；單位面積沖擊能；加固作用效應(yīng)；沖擊加固規(guī)律

0 引言

沖擊荷載作用下土體的物理和力學(xué)性能的變化情況一直是研究者關(guān)注的重要問題，實際工程中用的比較多的就是利用強夯[1]加固土體的方法來提高地基土的強度以及土層的均勻程度、降低土的壓縮性，從而改善地基的性能.目前對紅砂巖填土，中南大學(xué)在常吉高速公路做了大型的現(xiàn)場試驗，著重研究了強夯作用下土中動應(yīng)力分布特征及其衰減規(guī)律[2-4]；論證了紅砂巖填土的強夯加固理論并對其進行試驗研究[5].對紅砂巖風(fēng)化土室內(nèi)沖擊荷載作用下物理力學(xué)性能的變化情況的研究相對還是比較少.研究沖擊荷載作用下紅砂巖風(fēng)化土的加固作用效應(yīng)，探討紅砂巖風(fēng)化土沖擊加固規(guī)律有其必要性.

紅砂巖因黏土礦物成分、含量和膠結(jié)物質(zhì)的差異其強度變化很大，并且在大氣環(huán)境或干濕循環(huán)作用下具有水活性，即巖塊吸水膨脹、崩解破裂，顆粒組成發(fā)生變化，軟化成土，甚至泥化，其強度降低，工程性質(zhì)很差[6-7].

筆者在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，考慮對紅砂巖風(fēng)化土的加固作用效應(yīng)影響較大的兩個因素：錘重和填土高度，設(shè)計試驗方案.得到的試驗成果可為以后研究沖擊荷載在紅砂巖填土地基上的加固作用效應(yīng)提供參考.

1 試驗方案

實驗室現(xiàn)有電動擊實儀的主要技術(shù)參數(shù)如下：①擊實錘重:4.5 kg(重型擊實)、2.5 kg(輕型擊實)；②擊錘落高:450 mm；③擊實錘面直徑:50 mm；④試筒規(guī)格:Φ152 mm×170 mm、套筒Φ152 mm×50 mm、墊塊Φ152 mm×50 mm.

根據(jù)錘重和土柱高度兩個因素的改變設(shè)計試驗，方案分別為：①錘重2.5 kg，土柱高度170 mm；②錘重2.5 kg，土柱高度120 mm；③錘重4.5 kg，土柱高度170 mm；④錘重4.5 kg，土柱高度120 mm.在不同的方案下對紅砂巖風(fēng)化土的單位面積沖擊能（即總沖擊能量除以土柱的面積）、沖沉量、上層、中層、下層土干密度和抗剪強度進行測定.試驗前土樣的含水量為最優(yōu)含水率.

試驗前對紅砂巖風(fēng)化土進行了土工試驗，液限和塑限的測定是采用液塑限聯(lián)合測定儀，最優(yōu)含水率和最大干密度的測定是采用標(biāo)準(zhǔn)重型擊實試驗.其主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1.

表1 紅砂巖風(fēng)化土物性指標(biāo)表

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單位面積沖擊能與平均沖沉量的關(guān)系

沖擊作用下土體的變形特點和平均沖沉量是沖擊效果的一種間接指示[8].沖沉量是土體沖擊作用下豎向塑性變形的反應(yīng)，其大小反映著土體在沖擊作用下的加固效果.平均沖沉量為在各個單位面積沖擊能下重復(fù)試驗三個土樣的沖沉量平均值.

對各個方案下土體的單位面積沖擊能與平均沖沉量進行測定，結(jié)果如圖1所示.各方案下土體的單位面積沖擊能與平均沖沉量的關(guān)系曲線為：

方案①，y=1.0073ln（x）+1.5615，R2=0.9185；

方案②，y=0.6969ln（x）+1.0865，R2=0.952；

方案③，y=0.9716ln（x）+1.4134，R2=0.949；

方案④，y=0.6711ln（x）+1.1731，R2=0.9182.

圖1 土體單位面積沖擊能-平均沖沉量的關(guān)系

根據(jù)圖1土體單位面積沖擊能與平均沖沉量之間的關(guān)系可以得出：

（1）各方案下土柱平均沖沉量隨單位面積沖擊能開始增加較快，慢慢的趨于穩(wěn)定，最后平均沖沉量基本保持不變[9].單位面積沖擊能與土柱平均沖沉量之間基本符合公式y(tǒng)=Aln（x）+B的關(guān)系，且決定系數(shù)R2都在90%以上.（決定系數(shù)R2的取值范圍為0～1，R2越接近于1時，其擬合程度越高.）

（2）在土柱高170 mm的情況下，無論沖擊錘的重量為2.5 kg還是4.5 kg，平均沖沉量最終都能達到6.2 cm左右，占總高度的36.5%.而土柱高120 mm的情況下，平均沖沉量最大只能達到4.4 cm，也占總高度的36.5%，從中可以看出，試驗過程中填土的高度直接影響著土體的最終沖沉量值，填土越高土體的最終沖沉量值也越大，且最終沖沉量值約為土柱總高度的36.5%.

（3）比較兩種土柱高170 mm方案下土柱的平均沖沉量隨單位面積沖擊能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)同一單位面積沖擊能下，錘的重量越小，土柱的平均沖沉量值越大，但兩種方案下隨著能量的增加最終沖沉量值是幾乎相等，在6.2 cm左右.這是因為在相同單位面積沖擊能下，輕錘的沖擊遍數(shù)幾乎是重錘的兩倍，沖擊遍數(shù)亦是影響沖沉量的重要因素之一.

（4）比較兩種土柱高120 mm方案下土柱的平均沖沉量隨單位面積沖擊能的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)同一單位面積沖擊能下，錘的重量越小（即沖擊遍數(shù)越多），土柱的平均沖沉量值稍微大些，兩種情況下的擬合曲線近乎重合.即當(dāng)土柱小于一定高度時，對于同一單位面積沖擊能，土柱的平均沖沉量值并不受錘重或沖擊遍數(shù)的影響；而只隨單位面積沖擊能的增加而增加[10].

2.2 單位面積沖擊能與平均干密度的關(guān)系

干密度反映了土的孔隙比，在工程上常把干密度作為評定土體緊密程度的標(biāo)準(zhǔn)，以控制填土工程的施工質(zhì)量.在土方填筑時，也常以土的干密度來控制土的夯實標(biāo)準(zhǔn).

對各個方案下錘底的單位面積沖擊能與上、中、下層土的平均干密度進行測定.土層平均干密度為各個單位面積沖擊能作用下重復(fù)試驗三個土樣的同一層處的算術(shù)平均.土柱高度為120 mm時，考慮夯擊后土柱比較薄，只取上、下層土進行平均干密度測定，結(jié)果如圖2、圖3所示.

圖2 土柱高170 mm單位面積沖擊能與平均干密度關(guān)系

圖3 土柱高120 mm單位面積沖擊能與平均干密度關(guān)系

比較圖2、圖3土體單位面積沖擊能與平均干密度之間的關(guān)系可以得出：

（1）各方案下，土體平均干密度隨著土層深度的增加而減小；同方案下，同一土層的干密度隨單位面積沖擊能的增加而增加.結(jié)合圖1可知，對于土柱高度相同的情況下，同一單位面積沖擊能時，錘的重量越小則土柱的平均沖沉量越大，而錘的重量越大則土層的干密度越大，重錘的加固效果優(yōu)于輕錘.

（2）土柱高為170 mm時，對于錘重為2.5 kg、4.5 kg，上層土和下層土的平均干密度相差不大，而中層土的平均干密度相差較大，大概為0.7 g/cm3.土柱高為120 mm時，上層土的平均干密度相差不大，而下層土的平均干密度相差較大，大概為0.5 g/cm3.當(dāng)錘重較小時，即使單位面積沖擊能很大，加固深度也受到限制.錘重直接影響著土體的加固深度.

（3）土柱高為170 mm時，單位面積沖擊能很小時，4.5 kg的錘對于土體的加固效果差于2.5 kg的錘.隨著單位面積沖擊能的增加，重錘的加固效果明顯優(yōu)于輕錘.土柱高為120 mm時，對于錘重為2.5 kg，當(dāng)單位面積沖擊能達到90×102N·m/m2時，土層的干密度達到最大值，單位面積沖擊能再增加，土層的干密度不會增加反而減小，故此時的土體加固效果最好；對于錘重為4.5 kg，當(dāng)單位面積沖擊能達到110×102N·m/m2時，土體加固效果最好.因此，強夯施工過程中應(yīng)該通過試夯嚴(yán)格控制夯擊擊數(shù)（即一定的沖擊能），以免造成不必要的浪費[11].

（4）從圖2中還可以看出，隨著單位面積沖擊能的增加，上層土和中層土的平均干密度相差越來越接近，而中層土和下層土的平均干密度相差越來越大，即單位面積沖擊能在離錘底近處的土層中傳播的較多，遠處較少，單位面積沖擊能沿土層深度按非線性傳播.

2.3 錘擊數(shù)N與抗剪強度的關(guān)系

抗剪強度是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一，它是土的工程性質(zhì)中最主要的組成部分，與建筑物的穩(wěn)定和正常使用關(guān)系極為密切，其指標(biāo)被工程設(shè)計直接采用，是地基設(shè)計及改良不可缺少的資料.通過測定不同沖擊能作用下土體的抗剪強度，將能很好的反映沖擊能對土體的作用效果.

各方案下錘擊數(shù)N與抗剪強度的關(guān)系如圖4、圖5.垂直壓力為100 kPa和300 kPa時，錘擊數(shù)N與抗剪強度的關(guān)系與垂直壓力為200 kPa時的基本相同.

圖4 垂直壓力200 kPa時錘擊數(shù)與剪應(yīng)力的關(guān)系

圖5 垂直壓力400 kPa時錘擊數(shù)與剪應(yīng)力的關(guān)系

由圖4、5錘擊數(shù)N與剪應(yīng)力之間的關(guān)系可知：

（1）各方案下，隨著錘擊數(shù)N的增加，土體抗剪強度隨之增加.各垂直壓力下，各方案的錘擊數(shù)N與抗剪強度的關(guān)系所呈現(xiàn)的規(guī)律基本相同.垂直壓力為400 kPa，在錘擊數(shù)N接近100時，抗剪強度出現(xiàn)峰值，剪力為1.13 kN.

（2）垂直壓力為200 kPa時，錘擊數(shù)N在56以前，土體抗剪強度增加迅速，錘擊數(shù)N在80以后，強度增加緩慢，各方案下抗剪強度的峰值有所差別.垂直壓力為400 kPa時，隨著錘擊數(shù)N的增加，土體抗剪強度亦呈現(xiàn)出與壓力為200 kPa時相同的規(guī)律；只是各方案下抗剪強度的峰值幾乎達到同一值.

（3）無論是輕錘還是重錘條件下，荷載沖擊后土柱高120 mm的抗剪強度大于土柱高170 mm的.在土柱高度相同的條件下，重錘的加固效果優(yōu)于輕錘.由圖4、圖5可知，錘重增加比土柱高度減少對于抗剪強度增加的影響要大些.

3 結(jié)論

通過分析細顆粒紅砂巖風(fēng)化土在不同的試驗方案下土體的單位面積沖擊能與沖沉量、上層、中層、下層土干密度和抗剪強度的關(guān)系可以得出以下結(jié)論：

（1）各方案下，平均沖沉量隨單位面積沖擊能的增加，開始增加較快，慢慢的趨于穩(wěn)定，最后沖沉量基本保持不變，單位面積沖擊能與平均沖沉量之間基本符合公式y(tǒng)=Aln（x）+B的關(guān)系，且決定系數(shù)R2都在90%以上.填土的高度直接影響著土體的最終沖沉量值，填土越高土體的最終沖沉量值也越大.當(dāng)土柱小于一定高度時，對于同一單位面積沖擊能，土柱的平均沖沉量值并不受錘重或沖擊遍數(shù)的影響；而只隨單位面積沖擊能的增加而增加.

（2）各方案下，土體平均干密度隨著土層深度的增加而減小；同方案下，同一土層的干密度隨單位面積沖擊能的增加而增加.當(dāng)錘重較小時，即使單位面積沖擊能很大，加固深度也受到限制.沖擊錘的重量直接影響著土體的最終加固深度.沖擊能在離錘底近處的土層中傳播的較多，在離錘底遠處傳播的較少，沖擊能沿土層深度按非線性傳播.

（3）各方案下，隨著錘擊數(shù)N的增加，土體抗剪強度隨之增加.各垂直壓力下，各方案的錘擊數(shù)N與抗剪強度的關(guān)系所呈現(xiàn)的規(guī)律基本相同.無論是輕錘還是重錘，荷載沖擊后土柱高度小的抗剪強度大于土柱高度大的.在土柱高度相同的條件下，重錘的加固效果優(yōu)于輕錘.錘重增加比土柱高度減少對于抗剪強度增加的影響要大些.

[1]JGJ79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[2]何長明，鄒金鋒，李亮.強夯動應(yīng)力的量測及現(xiàn)場試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2007，29(4):628-632.

[3]羅恒，鄒金鋒，李亮，等.紅砂巖碎石土高填方路基強夯加固時的動應(yīng)力擴散及土體變形試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（S1）:2701-2706.

[4]曾中林，李亮.紅砂巖強夯特性試驗研究[J].路基工程，2007(2):91-93.

[5]郭乃正，鄒金鋒，李亮，等.大顆粒紅砂巖高填方路基強夯加固理論與試驗研究[J].中南大學(xué)學(xué)報，2008，39(1):185-189.

[6]張劍鋒，岳國生．紅砂巖修筑漿砌石壩的巖土工程研究[J]．上海地質(zhì)，1989，30(2)：1-6．

[7]武明．土石混合非均質(zhì)填料壓實特性試驗研究[J].公路，l996，41(5)：33-38．

[8]羅嗣海,楊澤平,龔曉南.強夯的地面變形規(guī)律初探[J].地質(zhì)科技情報，2000(4):92-96.

[9]楊建華，胡振南.紅砂巖填石路基強夯處理的試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報，2008(3):90-94.

[10]郭志柳.細顆粒紅砂巖風(fēng)化土沖擊加固研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2012.

[11]湯慶榮，楊建永.強夯法加固地基的設(shè)計理論及數(shù)值模擬的研究[J].江西理工大學(xué)學(xué)報，2008，29(6):38-41.

Study on the indoor impact test of red sandstone weathering soil

YANG Jian-yong1，GAN Fang-fang1，LU Kai1，GUO Zhi-liu2

(1.School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering,Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China；2.Fujian Branch of Beijing JianDa Road and Bridge Consulting Co.,Ltd.,，Xiamen 361000，China)

Through changing two factors(hammer weight and soil column height),different impact test schemes are designed.The relationship between impact energy per unit area and settlement with dry density,and the relationship between hammer number and the shear strength for red sandstone weathering soil are researched.According to the reinforcement effect on red sandstone weathering soil in the test,the impact strengthening rule is studied.The test results show that the relationship of the impact energy per unit area and average settlement is in compliance with y=Aln（x）+B；the height of the soil affects directly the final impact sink amount；and the soil dry density increases with the increase of impact energy per unit area.For the influence degree of shear strength increasing,increasing the hammer weight is better than reducing soil column height.These test results provide reference for studying the reinforcement effect on red sandstone fill ground in impact tests.

red sandstone weathering soil；impact energy per unit area；the reinforcement effect；the impact strengthening rule

U416.1

A

2012-08-28

國家自然科學(xué)基金資助項目（50869002）；江西省教育廳資助項目（GJJ08290）

楊建永（1963-），男，博士，教授，主要從事地基處理等方面的研究，E-mail:xgjy123@163.com.

2095-3046（2012）05-0017-04