沖擊作用下飽和土性狀的試驗研究

羅嗣海，傅軍健

（1.江西理工大學(xué)建筑與測繪工程學(xué)院，江西贛州 341000；2.江西省吉安市公路勘察設(shè)計院，江西吉安 343000）

0 引 言

為研究強夯的加固機理和進行強夯的數(shù)值分析，前人開展了一些室內(nèi)沖擊試驗［1－2］。如錢家歡等開展了側(cè)限條件下的沖擊試驗，研究了飽和砂土和黏土沖擊時的孔隙水壓力和動應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系［3］；韓文喜等研究了三軸條件下飽和砂土沖擊時的應(yīng)力、變形和應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系［4］；白冰等研究了三軸條件下飽和軟黏土的沖擊響應(yīng)及沖擊后再固結(jié)性狀，并提出了沉降和強度計算方法［5－7］；孟慶山等模擬強夯的動力排水固結(jié)法，研究了三軸條件下淤泥質(zhì)飽和軟黏土在沖擊時孔隙水壓力、軸向變形、應(yīng)力等發(fā)展規(guī)律［8－10］；羅嗣海等分別研究了側(cè)限條件與三軸不排水條件下沖擊后土的壓縮與強度性狀及其與沖擊能量的關(guān)系［11－14］。這些研究大多只針對砂土或黏土單一土壤類型，探討在不排水沖擊作用下的沖擊階段的動力響應(yīng)，建立沖擊階段的變形、孔隙水壓力及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，并用于數(shù)值分析；而對比研究砂土和黏土以及沖擊后的土性狀較少?；诖耍P者以飽和砂土和黏土為研究對象，對比研究排水和不排水沖擊時2類土沖擊時及沖擊后再固結(jié)性狀，探討土的滲透性、沖擊時的排水條件對沖擊響應(yīng)及沖擊后再固結(jié)性狀的影響，深化對土在沖擊作用下性狀的認(rèn)識，為深入探討飽和土強夯加固機理提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗儀器

試驗采用STSZ－ZD型全自動應(yīng)變控制三軸儀并加裝沖擊裝置，沖擊裝置包括落錘、承載板、落錘導(dǎo)桿和位移測量部件4部分。落錘為重5N的空心錘，落距依沖擊能的不同分別采用10、15、20cm；承載板承受落錘的沖擊，并將沖擊能量傳遞給試樣的載體，其自身重量不僅可以平衡三軸壓力室傳力柱與壓力室上端頂蓋間的摩擦力以及三軸儀系統(tǒng)圍壓，而且還能起到對試樣施加靜力荷載的作用。承載板上墊一塊橡膠墊，保證沖擊作用無“反彈”，使沖擊力的形式為單脈沖形式。

1.2 試樣制備和飽和

試驗所用砂土為采集于江西贛州貢江岸邊中砂，粒徑大于0.3mm的顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為86%，滲透系數(shù)為2.2×10－3cm·s－1。試樣采用濕搗法［15］制備，試樣的飽和分3步［16－17］：CO2飽和、水頭飽和以及反壓力飽和，讓試樣的飽和度（Sr）達到99%，初始孔隙比（e）為0.83。

試驗用的黏土為采集于江西贛州濱江建筑工地上距地面2～3m處所挖出來的地基土，天然體積含水率26.9%，塑限（wp）為25.3%、液限（wL）為48.4%、塑性指數(shù)（Ip）為23.3。天然風(fēng)干紅黏土取回實驗室后再次風(fēng)干，人工碾碎，用粒徑0.075mm的分樣篩進行篩分，采用抽氣飽和和反壓飽和聯(lián)合法進行飽和，讓其Sr大于95%，e為0.95。

1.3 試驗方案

將制備好的試樣裝入壓力室內(nèi)，先施加50kPa圍壓讓其初始固結(jié)，固結(jié)完畢后分別在排水和不排水兩種情形下施加3種不同的能量進行沖擊，測量沖擊時的軸向變形、孔隙水壓力、試樣體變和排水量；沖擊后測量孔隙水壓力的消散和伴隨的再固結(jié)體變和排水量。沖擊擊數(shù)均為24次，試驗方案見表1。

2 結(jié)果分析

2.1 沖擊階段的孔隙水壓力

圖1為沖擊能量50N·cm、不同排水條件下飽和砂土和黏土沖擊階段的孔隙水壓力與沖擊擊數(shù)關(guān)系。由圖1可知，沖擊孔隙水壓力與排水條件、土類型、沖擊擊數(shù)關(guān)系密切。砂土在排水條件下沖擊隨擊數(shù)增加不累積孔隙水壓力，而在不排水條件下沖擊隨沖擊擊數(shù)增加不斷累積孔隙水壓力直至趨于穩(wěn)定；黏土排水與不排水時均產(chǎn)生孔隙水壓力，在不排水條件下隨沖擊擊數(shù)增大不斷累積至穩(wěn)定值，且其值高于排水時的值，而在排水條件下先達到峰值然后有所下降，其排水與不排水沖擊的差別明顯小于砂土的差別。圖2、3分別為砂土和黏土在不同排水條件、不同沖擊能量沖擊階段孔隙水壓力與沖擊擊數(shù)關(guān)系。表2為不同排水條件下，砂土和黏土在沖擊結(jié)束時的孔隙水壓力。由圖2、3和表2可見，沖擊產(chǎn)生的孔隙水壓力隨沖擊能量增大而增大，不排水條件下的表現(xiàn)更明顯，且不排水時的砂土較黏土更明顯。在不排水條件下，沖擊能量100N·cm的砂土試樣孔隙水壓力達到圍壓值，產(chǎn)生液化。

表1 試驗方案Tab.1 Test Schemes

圖1 沖擊階段孔隙水壓力與沖擊擊數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relationship Between Pore Water Pressure and Blow Number During Impact

圖2 沖擊階段砂土孔隙水壓力與沖擊擊數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relationship Between Pore Water Pressure and Blow Number for Sand During Impact

圖3 沖擊階段黏土孔隙水壓力與沖擊擊數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relationship Between Pore Water Pressure and Blow Number for Clay During Impact

表2 沖擊結(jié)束時的孔隙水壓力Tab.2 Pore Water Pressure at the End of Impact

2.2 沖擊階段的軸向變形

圖4、5分別為砂土和黏土在沖擊能量50、100 N·cm以及不同排水條件下沖擊階段軸向應(yīng)變與沖擊擊數(shù)關(guān)系。由圖4、5可見：①黏土沖擊及砂土在排水沖擊時的軸向應(yīng)變-沖擊擊數(shù)關(guān)系近于二次曲線，而砂土不排水沖擊近于線性關(guān)系；②軸向應(yīng)變隨沖擊能量增加而增加，砂土中沖擊能量大到一定值時，因液化使軸向應(yīng)變急劇增大；③砂土中不排水沖擊的軸向應(yīng)變大于排水沖擊，黏土中不排水沖擊的軸向應(yīng)變小于排水沖擊；④能量相同時，排水沖擊的黏土軸向應(yīng)變大于砂土，而不排水沖擊的砂土軸向應(yīng)變一般大于黏土。

圖4 沖擊階段砂土軸向應(yīng)變與沖擊擊數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship Between Axial Strain and Blow Number for Sand During Impact

圖5 沖擊階段黏土軸向應(yīng)變與沖擊擊數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship Between Axial Strain and Blow Number for Clay During Impact

圖6、7分別為砂土和黏土在不同排水條件下沖擊階段的試樣最大軸向壓縮量與沖擊能量的關(guān)系。由圖6、7可見，最大軸向壓縮量都隨著沖擊能量增大而增大，近于線性關(guān)系。但在相同沖擊能量下，飽和砂土不排水沖擊的最大軸向壓縮量比排水沖擊明顯更大，這可解釋為不排水沖擊的孔隙水壓力增大的同時，土體的有效應(yīng)力不斷減小，土體趨向變軟；飽和黏土排水沖擊的最大軸向應(yīng)變比不排水沖擊的大，這是因為排水沖擊時，孔隙水流失加劇了土骨架的壓縮程度。

圖6 沖擊階段砂土最大軸向壓縮量與沖擊能量的關(guān)系Fig.6 Relationship Between Maximum Axial Deformation and Impact Energy for Sand During Impact

2.3 沖擊階段的排水和體變

不排水條件下，沖擊階段的飽和土試樣不產(chǎn)生排水和體變。排水條件下沖擊階段的體變、排水量與沖擊擊數(shù)的關(guān)系如圖8、9，沖擊結(jié)束時測得的排水量如表3。由圖8、9和表3可見，試驗測得的體變與排水量非常接近，說明試驗土處于近飽和狀態(tài)，體變（排水量）隨沖擊擊數(shù)增加而增大，砂土中體變與排水量隨沖擊能量增大而明顯增大，黏土中體變和排水量隨沖擊能量增加而增加不明顯，砂土的體變明顯大于黏土。

圖7 沖擊階段黏土最大軸向壓縮量與沖擊能量的關(guān)系Fig.7 Relationship Between Maximum Axial Deformation and Impact Energy for Clay During Impact

圖8 沖擊階段砂土排水量、體變與沖擊擊數(shù)關(guān)系Fig.8 Relationships of Drainage Discharge and Volumetric Change to Blow Number for Sand During Impact

圖9 沖擊階段黏土排水量、體變與沖擊擊數(shù)關(guān)系Fig.9 Relationships of Drainage Discharge and Volumetric Change to Blow Number for Clay During Impact

2.4 沖擊后再固結(jié)階段的孔隙水壓力與體變

圖10、11為沖擊能量50N·cm下沖擊后再固結(jié)階段的孔隙水壓力-時間關(guān)系曲線。從圖10、11可知，不排水沖擊后再固結(jié)階段，砂土的孔隙水壓力隨孔隙水迅速流失，并在1min內(nèi)迅速消散為0，體變也迅速增大至一定值，之后隨時間變化不大；而黏土的孔隙水壓力隨孔隙水緩慢排出而減小，最終在20min后消散為0，體變則因孔隙水不斷排出而隨時間緩慢增大。對比黏土不同排水條件下沖擊后的再固結(jié)過程可見，不排水條件下沖擊后的再固結(jié)體變明顯大于排水條件下。

表3 沖擊階段的排水量Tab.3 Drainage Discharge During Impact

圖10 沖擊后再固結(jié)階段孔隙水壓力與時間的關(guān)系Fig.10 Relationship of Pore Water Pressure to Time During Reconsolidation After Impact

圖11 沖擊后再固結(jié)階段體變與時間的關(guān)系Fig.11 Relationship of Volumetric Change to Time During Reconsolidation After Impact

表4是不同排水條件下砂土和黏土在沖擊后再固結(jié)階段穩(wěn)定后的體變。從表4可見，在其余條件相同情況下，不排水沖擊后再固結(jié)階段的體變大于排水條件下的體變，沖擊后再固結(jié)階段的體變與沖擊能量呈正相關(guān)關(guān)系。

表4 沖擊后再固結(jié)階段體變Tab.4 Volumetric Change During Reconsolidation After Impact

2.5 沖擊總體變及其組成

沖擊總體變包括沖擊階段與沖擊后再固結(jié)階段產(chǎn)生的體變。不排水沖擊試驗的沖擊過程無排水、無體變，排水和體變只發(fā)生在沖擊后再固結(jié)階段，總體變等于沖擊后再固結(jié)階段的體變；排水沖擊試驗的總體變等于沖擊階段與沖擊后再固結(jié)階段的體變之和。

表5是各試驗方案的總體變及沖擊階段、沖擊后再固結(jié)階段的體變及其所占比例，圖12是總體變隨沖擊能量的變化曲線。

表5 總體變及其組成Tab.5 Total Volumetric Changes and Their Components

從圖12和表5可見：①不排水沖擊飽和土（砂土和黏土）的體變?nèi)縼碜詻_擊后再固結(jié)階段；排水沖擊時，飽和砂土體變?nèi)堪l(fā)生于沖擊階段，而飽和黏土體變則來自沖擊階段與沖擊后再固結(jié)階段體變之和，沖擊階段產(chǎn)生的體變占沖擊引起總體變的39%～49%，沖擊后再固結(jié)階段產(chǎn)生的體變則占51%～61%；②沖擊產(chǎn)生的總體變受沖擊能量和沖擊時的排水條件影響。從沖擊能量看，隨沖擊能量的增加，砂土（尤其是排水沖擊時）總體變明顯增大，而飽和黏土則與沖擊能量相關(guān)性不明顯，說明砂土中加大沖擊能量效果明顯，飽和黏土則不一定有明顯成效；從沖擊時的排水條件看，排水沖擊產(chǎn)生的總體變較不排水沖擊明顯增大，說明無論飽和砂土還是飽和黏土，改進沖擊時的排水條件確可改善加固效果。

3 結(jié) 語

（1）飽和黏土不排水沖擊時的孔隙水壓力持續(xù)升高后趨于穩(wěn)定，排水沖擊時則是先到達峰值然后有所下降。砂土不排水沖擊時的沖擊能量對沖擊產(chǎn)生的孔隙水壓力影響最為明顯。

川芎中總生物堿、總酚酸和總揮發(fā)油對大鼠離體子宮平滑肌收縮活動的抑制作用 ……………………… 劉 娟等（5）：621

（2）飽和黏土沖擊時及飽和砂土排水沖擊時的軸向應(yīng)變與沖擊擊數(shù)的關(guān)系近于二次曲線，而飽和砂土不排水沖擊時的軸向應(yīng)變與沖擊擊數(shù)的關(guān)系近于線性關(guān)系。飽和砂土不排水沖擊時的軸向應(yīng)變比排水沖擊時的大，而飽和黏土不排水沖擊時的軸向應(yīng)變比排水沖擊時的??；最大軸向壓縮量都隨沖擊能量增大而增大，呈近線性關(guān)系。

（3）飽和砂土不排水沖擊后再固結(jié)階段，孔隙水壓力立即消散為0，體變也同時迅速增大到一定值。飽和黏土在不同排水條件下沖擊后再固結(jié)階段均有體變和排水發(fā)生，孔隙水壓力在一定時間內(nèi)消散完畢，同時體變逐漸增大；同一沖擊能量下，不排水沖擊后再固結(jié)階段產(chǎn)生的排水量（體變）比排水條件下沖擊后再固結(jié)階段的大。

（4）不排水沖擊時飽和土的體變?nèi)縼碜詻_擊后再固結(jié)階段；飽和砂土排水沖擊時的體變幾乎全部發(fā)生于沖擊階段；飽和黏土排水沖擊時，沖擊階段產(chǎn)生的體變占沖擊引起總體變的39%～49%，沖擊后再固結(jié)階段的體變占51%～61%。

（5）總體變隨沖擊能量增大而增加，砂土表現(xiàn)更明顯；無論對飽和砂土還是飽和黏土，排水沖擊的總體變大于不排水沖擊，改進沖擊時的排水條件有利于提高加固效果。

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