红砂岩风化土室内冲击试验研究

杨建永，甘芳芳，卢凯，郭志柳

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.北京建达道桥咨询有限公司福建分公司，福建厦门361000)

红砂岩风化土室内冲击试验研究

杨建永1，甘芳芳1，卢凯1，郭志柳2

(1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西赣州341000；2.北京建达道桥咨询有限公司福建分公司，福建厦门361000)

通过改变锤重和土柱高度两个因素来设计击实试验方案，研究红砂岩风化土在不同方案下，单位面积冲击能与冲沉量、土体干密度的关系；锤击数N与抗剪强度的关系.根据试验得出的冲击荷载作用下红砂岩风化土的加固作用效应，来探讨红砂岩风化土冲击加固规律.试验结果表明：单位面积冲击能与平均冲沉量之间基本符合公式y=Aln（x）+B的关系；填土的高度直接影响着土体的最终冲沉量值；随着单位面积冲击能的增加，土体的干密度增加；增加锤重比减少土柱高度对于抗剪强度增加的影响要大些.这些试验成果可为以后研究冲击荷载在红砂岩填土地基上的加固作用效应提供参考.

红砂岩风化土；单位面积冲击能；加固作用效应；冲击加固规律

0 引言

冲击荷载作用下土体的物理和力学性能的变化情况一直是研究者关注的重要问题，实际工程中用的比较多的就是利用强夯[1]加固土体的方法来提高地基土的强度以及土层的均匀程度、降低土的压缩性，从而改善地基的性能.目前对红砂岩填土，中南大学在常吉高速公路做了大型的现场试验，着重研究了强夯作用下土中动应力分布特征及其衰减规律[2-4]；论证了红砂岩填土的强夯加固理论并对其进行试验研究[5].对红砂岩风化土室内冲击荷载作用下物理力学性能的变化情况的研究相对还是比较少.研究冲击荷载作用下红砂岩风化土的加固作用效应，探讨红砂岩风化土冲击加固规律有其必要性.

红砂岩因黏土矿物成分、含量和胶结物质的差异其强度变化很大，并且在大气环境或干湿循环作用下具有水活性，即岩块吸水膨胀、崩解破裂，颗粒组成发生变化，软化成土，甚至泥化，其强度降低，工程性质很差[6-7].

笔者在总结前人研究成果的基础上，考虑对红砂岩风化土的加固作用效应影响较大的两个因素：锤重和填土高度，设计试验方案.得到的试验成果可为以后研究冲击荷载在红砂岩填土地基上的加固作用效应提供参考.

1 试验方案

实验室现有电动击实仪的主要技术参数如下：①击实锤重:4.5 kg(重型击实)、2.5 kg(轻型击实)；②击锤落高:450 mm；③击实锤面直径:50 mm；④试筒规格:Φ152 mm×170 mm、套筒Φ152 mm×50 mm、垫块Φ152 mm×50 mm.

根据锤重和土柱高度两个因素的改变设计试验，方案分别为：①锤重2.5 kg，土柱高度170 mm；②锤重2.5 kg，土柱高度120 mm；③锤重4.5 kg，土柱高度170 mm；④锤重4.5 kg，土柱高度120 mm.在不同的方案下对红砂岩风化土的单位面积冲击能（即总冲击能量除以土柱的面积）、冲沉量、上层、中层、下层土干密度和抗剪强度进行测定.试验前土样的含水量为最优含水率.

试验前对红砂岩风化土进行了土工试验，液限和塑限的测定是采用液塑限联合测定仪，最优含水率和最大干密度的测定是采用标准重型击实试验.其主要物理力学指标见表1.

表1 红砂岩风化土物性指标表

2 试验结果与分析

2.1 单位面积冲击能与平均冲沉量的关系

冲击作用下土体的变形特点和平均冲沉量是冲击效果的一种间接指示[8].冲沉量是土体冲击作用下竖向塑性变形的反应，其大小反映着土体在冲击作用下的加固效果.平均冲沉量为在各个单位面积冲击能下重复试验三个土样的冲沉量平均值.

对各个方案下土体的单位面积冲击能与平均冲沉量进行测定，结果如图1所示.各方案下土体的单位面积冲击能与平均冲沉量的关系曲线为：

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.

图1 土体单位面积冲击能-平均冲沉量的关系

根据图1土体单位面积冲击能与平均冲沉量之间的关系可以得出：

（1）各方案下土柱平均冲沉量随单位面积冲击能开始增加较快，慢慢的趋于稳定，最后平均冲沉量基本保持不变[9].单位面积冲击能与土柱平均冲沉量之间基本符合公式y=Aln（x）+B的关系，且决定系数R2都在90%以上.（决定系数R2的取值范围为0～1，R2越接近于1时，其拟合程度越高.）

（2）在土柱高170 mm的情况下，无论冲击锤的重量为2.5 kg还是4.5 kg，平均冲沉量最终都能达到6.2 cm左右，占总高度的36.5%.而土柱高120 mm的情况下，平均冲沉量最大只能达到4.4 cm，也占总高度的36.5%，从中可以看出，试验过程中填土的高度直接影响着土体的最终冲沉量值，填土越高土体的最终冲沉量值也越大，且最终冲沉量值约为土柱总高度的36.5%.

（3）比较两种土柱高170 mm方案下土柱的平均冲沉量随单位面积冲击能的变化规律，发现同一单位面积冲击能下，锤的重量越小，土柱的平均冲沉量值越大，但两种方案下随着能量的增加最终冲沉量值是几乎相等，在6.2 cm左右.这是因为在相同单位面积冲击能下，轻锤的冲击遍数几乎是重锤的两倍，冲击遍数亦是影响冲沉量的重要因素之一.

（4）比较两种土柱高120 mm方案下土柱的平均冲沉量随单位面积冲击能的变化规律，发现同一单位面积冲击能下，锤的重量越小（即冲击遍数越多），土柱的平均冲沉量值稍微大些，两种情况下的拟合曲线近乎重合.即当土柱小于一定高度时，对于同一单位面积冲击能，土柱的平均冲沉量值并不受锤重或冲击遍数的影响；而只随单位面积冲击能的增加而增加[10].

2.2 单位面积冲击能与平均干密度的关系

干密度反映了土的孔隙比，在工程上常把干密度作为评定土体紧密程度的标准，以控制填土工程的施工质量.在土方填筑时，也常以土的干密度来控制土的夯实标准.

对各个方案下锤底的单位面积冲击能与上、中、下层土的平均干密度进行测定.土层平均干密度为各个单位面积冲击能作用下重复试验三个土样的同一层处的算术平均.土柱高度为120 mm时，考虑夯击后土柱比较薄，只取上、下层土进行平均干密度测定，结果如图2、图3所示.

图2 土柱高170 mm单位面积冲击能与平均干密度关系

图3 土柱高120 mm单位面积冲击能与平均干密度关系

比较图2、图3土体单位面积冲击能与平均干密度之间的关系可以得出：

（1）各方案下，土体平均干密度随着土层深度的增加而减小；同方案下，同一土层的干密度随单位面积冲击能的增加而增加.结合图1可知，对于土柱高度相同的情况下，同一单位面积冲击能时，锤的重量越小则土柱的平均冲沉量越大，而锤的重量越大则土层的干密度越大，重锤的加固效果优于轻锤.

（2）土柱高为170 mm时，对于锤重为2.5 kg、4.5 kg，上层土和下层土的平均干密度相差不大，而中层土的平均干密度相差较大，大概为0.7 g/cm3.土柱高为120 mm时，上层土的平均干密度相差不大，而下层土的平均干密度相差较大，大概为0.5 g/cm3.当锤重较小时，即使单位面积冲击能很大，加固深度也受到限制.锤重直接影响着土体的加固深度.

（3）土柱高为170 mm时，单位面积冲击能很小时，4.5 kg的锤对于土体的加固效果差于2.5 kg的锤.随着单位面积冲击能的增加，重锤的加固效果明显优于轻锤.土柱高为120 mm时，对于锤重为2.5 kg，当单位面积冲击能达到90×102N·m/m2时，土层的干密度达到最大值，单位面积冲击能再增加，土层的干密度不会增加反而减小，故此时的土体加固效果最好；对于锤重为4.5 kg，当单位面积冲击能达到110×102N·m/m2时，土体加固效果最好.因此，强夯施工过程中应该通过试夯严格控制夯击击数（即一定的冲击能），以免造成不必要的浪费[11].

（4）从图2中还可以看出，随着单位面积冲击能的增加，上层土和中层土的平均干密度相差越来越接近，而中层土和下层土的平均干密度相差越来越大，即单位面积冲击能在离锤底近处的土层中传播的较多，远处较少，单位面积冲击能沿土层深度按非线性传播.

2.3 锤击数N与抗剪强度的关系

抗剪强度是土的重要力学性质之一，它是土的工程性质中最主要的组成部分，与建筑物的稳定和正常使用关系极为密切，其指标被工程设计直接采用，是地基设计及改良不可缺少的资料.通过测定不同冲击能作用下土体的抗剪强度，将能很好的反映冲击能对土体的作用效果.

各方案下锤击数N与抗剪强度的关系如图4、图5.垂直压力为100 kPa和300 kPa时，锤击数N与抗剪强度的关系与垂直压力为200 kPa时的基本相同.

图4 垂直压力200 kPa时锤击数与剪应力的关系

图5 垂直压力400 kPa时锤击数与剪应力的关系

由图4、5锤击数N与剪应力之间的关系可知：

（1）各方案下，随着锤击数N的增加，土体抗剪强度随之增加.各垂直压力下，各方案的锤击数N与抗剪强度的关系所呈现的规律基本相同.垂直压力为400 kPa，在锤击数N接近100时，抗剪强度出现峰值，剪力为1.13 kN.

（2）垂直压力为200 kPa时，锤击数N在56以前，土体抗剪强度增加迅速，锤击数N在80以后，强度增加缓慢，各方案下抗剪强度的峰值有所差别.垂直压力为400 kPa时，随着锤击数N的增加，土体抗剪强度亦呈现出与压力为200 kPa时相同的规律；只是各方案下抗剪强度的峰值几乎达到同一值.

（3）无论是轻锤还是重锤条件下，荷载冲击后土柱高120 mm的抗剪强度大于土柱高170 mm的.在土柱高度相同的条件下，重锤的加固效果优于轻锤.由图4、图5可知，锤重增加比土柱高度减少对于抗剪强度增加的影响要大些.

3 结论

通过分析细颗粒红砂岩风化土在不同的试验方案下土体的单位面积冲击能与冲沉量、上层、中层、下层土干密度和抗剪强度的关系可以得出以下结论：

（1）各方案下，平均冲沉量随单位面积冲击能的增加，开始增加较快，慢慢的趋于稳定，最后冲沉量基本保持不变，单位面积冲击能与平均冲沉量之间基本符合公式y=Aln（x）+B的关系，且决定系数R2都在90%以上.填土的高度直接影响着土体的最终冲沉量值，填土越高土体的最终冲沉量值也越大.当土柱小于一定高度时，对于同一单位面积冲击能，土柱的平均冲沉量值并不受锤重或冲击遍数的影响；而只随单位面积冲击能的增加而增加.

（2）各方案下，土体平均干密度随着土层深度的增加而减小；同方案下，同一土层的干密度随单位面积冲击能的增加而增加.当锤重较小时，即使单位面积冲击能很大，加固深度也受到限制.冲击锤的重量直接影响着土体的最终加固深度.冲击能在离锤底近处的土层中传播的较多，在离锤底远处传播的较少，冲击能沿土层深度按非线性传播.

（3）各方案下，随着锤击数N的增加，土体抗剪强度随之增加.各垂直压力下，各方案的锤击数N与抗剪强度的关系所呈现的规律基本相同.无论是轻锤还是重锤，荷载冲击后土柱高度小的抗剪强度大于土柱高度大的.在土柱高度相同的条件下，重锤的加固效果优于轻锤.锤重增加比土柱高度减少对于抗剪强度增加的影响要大些.

[1]JGJ79-2002，建筑地基处理技术规范[S].

[2]何长明，邹金锋，李亮.强夯动应力的量测及现场试验研究[J].岩土工程学报，2007，29(4):628-632.

[3]罗恒，邹金锋，李亮，等.红砂岩碎石土高填方路基强夯加固时的动应力扩散及土体变形试验研究[J].岩石力学与工程学报，2007，26（S1）:2701-2706.

[4]曾中林，李亮.红砂岩强夯特性试验研究[J].路基工程，2007(2):91-93.

[5]郭乃正，邹金锋，李亮，等.大颗粒红砂岩高填方路基强夯加固理论与试验研究[J].中南大学学报，2008，39(1):185-189.

[6]张剑锋，岳国生．红砂岩修筑浆砌石坝的岩土工程研究[J]．上海地质，1989，30(2)：1-6．

[7]武明．土石混合非均质填料压实特性试验研究[J].公路，l996，41(5)：33-38．

[8]罗嗣海,杨泽平,龚晓南.强夯的地面变形规律初探[J].地质科技情报，2000(4):92-96.

[9]杨建华，胡振南.红砂岩填石路基强夯处理的试验研究[J].武汉理工大学学报，2008(3):90-94.

[10]郭志柳.细颗粒红砂岩风化土冲击加固研究[D].赣州：江西理工大学，2012.

[11]汤庆荣，杨建永.强夯法加固地基的设计理论及数值模拟的研究[J].江西理工大学学报，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

国家自然科学基金资助项目（50869002）；江西省教育厅资助项目（GJJ08290）

杨建永（1963-），男，博士，教授，主要从事地基处理等方面的研究，E-mail:xgjy123@163.com.

2095-3046（2012）05-0017-04