静力压实不同含水率红砂岩粗粒土能耗规律试验研究

彭勃，　杨建永，　温树杰， 潘建平，　吴建奇（江西理工大学，.建筑与测绘工程学院；.资源与环境工程学院，江西 赣州341000）

静力压实不同含水率红砂岩粗粒土能耗规律试验研究

彭勃a，杨建永b，温树杰a， 潘建平a，吴建奇a
（江西理工大学，a.建筑与测绘工程学院；b.资源与环境工程学院，江西 赣州341000）

为研究静力压实不同含水率红砂岩粗粒土能量消耗规律，利用自制装置在电子万能试验机上进行静力压实试验，得到6种不同含水率红砂岩粗粒土静力压实试验的压力-位移关系，分析含水率和压实能量对红砂岩粗粒土压实特性的影响.结果表明：在相同的压实能量作用下，当含水率为8.3%时，土体产生的压实位移最大；土体干密度随单位体积静压功增大而增加，两者符合对数关系；土体静力压实的实质是挤出土中气体，而不是挤出土中水分；含水率偏大将对土体的压实产生不利影响.

红砂岩粗粒土；静力压实试验；能耗规律；含水率；单位体积静压功

0　引言

红砂岩在江西、湖南、广东、四川、贵州及云南等地区分布广泛，被大量开挖用于路堤填筑形成红砂岩填土路基，是山区公路建设中最常用的路堤填料.红砂岩填土被压实后，强度得到提高，然而过分压实土体也将产生负面影响，例如，路堤土体易吸水而产生较大的侧向位移；造成能量浪费、造价提高和工期延长；压实能量过大易使土体结构破坏，最终对土体压实产生不利影响.

国内外一些学者研究了土体在加固过程中的能量消耗情况，并取得了一些成果.英国人Head［1］提出 “适当压实土”的概念 （proper compaction of soil），认为只有将土体在适当的能量下压实，才能使土体达到最佳的工程效果；王钊等［2］研究了压实能量对土体压实效果的影响，分析了若采用较高压实度要求，压实能量将大幅增加的问题；庄艳峰等［3］推导了土体在压实过程所需施加的能量，同时进行了具体的计算分析和比较；许国安等［4］通过试验研究，对比研究了砂岩在加卸载试验条件下的能耗特征；张黎明等［5］通过试验研究，对比分析了不同应力路径下，灰岩变形过程的能量消耗特征；张志镇等［6］通过红砂岩能量演化试验，验证所建立的自我抑制演化模型适用于岩石变形破坏峰前阶段；杨建永等［7-8］通过击实试验，研究了冲击能量与土体冲沉量、干密度之间的关系，探讨了红砂岩土体冲击加固规律；罗嗣海等［9-10］通过室内单点夯击实验，实测了在4种夯击能作用下的地面变形情况.

分析以上成果，可知目前主要通过室内击实试验研究土体在加固过程中的能量消耗规律，但对于土体在静载条件下能量消耗规律的研究尚不够深入，如静力压实过程中土体的压力—位移关系、干密度增长特征以及压实能量消耗规律等还不清楚.为评估红砂岩粗粒土压实能耗的经济性，有必要进一步研究静力压实过程中土体含水率对压实能量消耗规律的影响.因此，本文利用电子万能试验机，对红砂岩粗粒土进行静力压实试验，得到不同含水率土体静力压实过程中的压力—位移关系，分析含水率、压实能量对土体压实效果的影响，为路基工程施工提供一定的指导.

1　试验概况

试验材料与试验仪器同参考文献［11］.根据试验方案，确定试验用土样的含水率分别为4.3%、6.3%、8.3%、10.3%、12.3%、14.3%，分别向压实试模内装入这6种含水率的土样.为确保各组试验的条件一致，每组试验均分3层加样，每层加样厚度均为30mm，土样初始高度均为90 mm；为确保每层所加土样颗粒级配的一致性，预先对所用土样进行筛分处理.

按照土样的风干含水率、试验用含水率、松散堆积密度以及代表性颗粒级配，计算一个分层加样试样所需各粒组的风干土样质量及达到试验用含水率的加水量，保证每层土样颗粒级配一致.将各粒组的风干土样称量好，平铺于搪瓷盘内，然后将所需水量均匀喷洒在土样上，用小铲拌合均匀.在圆筒内壁上均匀涂抹一薄层凡士林，以减小静力压实过程中土粒与筒壁间的摩擦力.采用落雨法在试样顶面30 mm处将土样徐徐倒入压实试模，让土样以自由落体落下，每层加样后均平整土样表面.装好土样后，用不透水塑料薄膜将压实试模覆盖，将土样密封润湿24 h.测定土样的湿密度为1.52 g/cm3，计算得干密度为1.36 g/cm3.

静力压实试验操作过程同参考文献［11］.

2　试验结果与分析

2.1不同含水率红砂岩粗粒土压实位移与压实能量的关系

静力压实试验中电子万能试验机自动量测并采集压头对土样的压力和土样的压实位移，将采集到的31321个连续数据点绘制成曲线，得到不同含水率土样所受压力与土样压实位移之间的关系曲线，如图1所示.

图1　不同含水率红砂岩粗粒土压力与压实位移关系曲线

本文采用“压实能量”来衡量不同条件下土体的静力压实耗能特性，压实能量的计算数值能够反映不同条件下土体静力压实过程中的能耗规律.其实试验机对土样所做的功就是静力压实过程所消耗的总压实能量［13］，则土样在产生压实位移si时试验机对土样所做功Wi可表示为

式（1）中：F为试验机对土样的压力，s为土样在静力压实过程中的压实位移.

分别对6种不同含水率土样所受压力—压实位移曲线（图1）依据式（1）进行积分，将得到压实能量与压实位移的关系曲线，如图2所示.由图2可知，土体压实能量—压实位移关系受含水率影响而呈现不同形式：当含水率在4.3%～8.3%范围内时，在相同的压实能量作用下，含水率越高，土体所产生的位移越大；当含水率在8.3%～14.3%范围内时，在相同的压实能量作用下，含水率越高，土体所产生的位移越小.由此可见，在相同的压实能量作用下，在含水率为8.3%时，所产生的压实位移最大.

图2　不同含水率红砂岩粗粒土压实能量与压实位移关系曲线

2.2不同含水率红砂岩粗粒土应变与单位体积静压功的关系

考虑到在土的击实试验中，有“单位体积击实功”这一概念［12］，本文与土的击实试验进行类比，提出“单位体积静压功”这一概念，以衡量土体在静力压实过程中单位体积土体的能量消耗情况.

设土样的初始高度为H0，直径为d，则土样在产生压实位移si时试验机对土样的单位体积静压功Ei的计算公式为

式（2）中：Wi为土样在产生压实位移si时所消耗的压实能量；V0为土样的初始体积.

同时需要指出，土样产生应变εi时试验机对土样的单位体积静压功Ei亦可由下式计算

式（3）中：σ为土样轴向压应力；ε为土样轴向应变

依据式（3）对土样应力-应变关系曲线进行积分，或依据式（2），计算土样的单位体积静压功，并绘制单位体积静压功与土体应变之间的关系曲线，如图3所示.

图3　不同含水率红砂岩粗粒土应变与单位体积静压功关系曲线

从图3中可以看出：尽管含水率不同，红砂岩粗粒土静力压实过程中应变与单位体积静压功关系仍具有较强的规律性.当含水率在4.3%～8.3%范围内时，在相同的单位体积静压功作用下，含水率越大压实应变越大；当含水率在8.3%～14.3%范围内时，在相同的单位体积静压功作用下，含水率越大压实应变越小.此规律表明，土体在静力压实过程中存在一个最优含水率，当土体为最优含水率时，达到相同应变，将消耗较少的能量.

不同含水率红砂岩粗粒土静力压实过程中应变与单位体积静压功之间的变化特征，与压密阶段、破碎阶段和稳定阶段相对应.在压密阶段，红砂岩粗粒土孔隙迅速闭合，能量消耗较少，应变随能量变化较快.在破碎阶段，较大颗粒相互旋转移动构成稳定骨架后，应力增加导致颗粒再次破碎，破碎颗粒不断填充剩余孔隙.在稳定阶段，土颗粒相互旋转移动至紧密接触状态，土粒间基本处于稳定状态.

由图3可知，土样应变与单位体积静压功关系基本呈对数曲线，故采用OriginPro 9.0软件对6种含水率土样应变与单位体积静压功关系曲线进行回归分析，得出回归方程如下：

含水率4.3%土样：

y=0.05232+0.04043 ln（x+0.16548）R2=0.98449

含水率6.3%土样：

y=-0.09054+0.06978 ln（x+3.62827）R2=0.99856

含水率8.3%土样：

y=-0.02646+0.07022 ln（x+1.2856）R2=0.99246

含水率10.3%土样：

y=0.02249+0.05831 ln（x+0.60067）R2=0.98954

含水率12.3%土样：

y=0.03096+0.04421 ln（x+0.43493）R2=0.9908

含水率14.3%土样：

y=-0.05316+0.04862 ln（x+3.84407）R2=0.99041

从回归方程中可看出，虽然土样含水率不同，但土体应变与单位体积静压功都近似呈对数关系，而且决定系数R2都在0.98以上，试验结果的收敛性较好.故在静力压实过程中，红砂岩粗粒土应变与单位体积静压功关系为

式（4）中：ε为土体应变；E为土体单位体积静压功；a，b，c为回归系数，且随含水率的不同而不同.

2.3不同含水率红砂岩粗粒土干密度与单位体积静压功的关系

土样在产生压实位移si时干密度ρdi的计算公式为

式（5）中：ρ为土样的湿密度，ω为土样的含水率，M为土样的质量，d为直径，H0为土样的初始高度，si为土样在压力Fi作用下的压实位移.

将试验机采集到的压实位移si代入式 （5），并结合图3，可得不同含水率红砂岩粗粒土干密度与单位体积静压功之间的关系曲线，如图4所示.并将各组试验的单位体积静压功与土样干密度进行整理，得到不同含水率红砂岩粗粒土在相同单位体积静压功下的干密度比较如表1所示，不同含水率红砂岩粗粒土压实到相同干密度所消耗的单位体积静压功的比较如表2所示，不同含水率红砂岩粗粒土在相同单位体积静压功作用下干密度比较如图5所示，不同含水率红砂岩粗粒土达到相同干密度时所消耗的单位体积静压功比较如图6所示.

图4　不同含水率红砂岩粗粒土干密度与单位体积静压功关系曲线

表1　不同含水率红砂岩粗粒土在相同单位体积静压功下的干密度比较 /（g·cm-3）

表2　不同含水率红砂岩粗粒土压实到相同干密度所需单位体积静压功的比较 /（kJ·m-3）

图5　不同含水率红砂岩粗粒土在相同单位体积静压功作用下的干密度比较

图6　不同含水率红砂岩粗粒土达到相同干密度时所消耗的单位体积静压功比较

土体干密度-单位体积静压功关系受含水率影响而呈现不同形式：当含水率在4.3%～8.3%范围内时，在相同单位体积静压功下，含水率越高，土体的干密度越大；将不同含水率土体压实到相同干密度，含水率越大，所需的单位体积静压功亦越小.当含水率在8.3%～14.3%范围内时，在相同单位体积静压功下，含水率越高，土体的干密度越小；将不同含水率土体压实到相同干密度，含水率越大，所需的单位体积静压功亦越大.

以上分析结果表明，当含水率在4.3%～8.3%范围内时，土中水分较少，包裹于土颗粒表面的水膜能够降低土颗粒之间的吸引力，水分填充于土颗粒之间可起到润滑作用，土的内摩擦角减小，静力压实功能克服粒间引力而使土粒相互位移，重新排列成紧密结构，高含水率土样中水分比低含水率土样多，更有利于土体的压实；当含水率在8.3%～14.3%范围内时，土的含水率较大，填充于土颗粒之间的水分过多时，土粒孔隙中的气体处于与大气不连通的状态，水分越多，孔隙中的气体排出越困难，静力压实作用已无法将气体排出土体之外.故在土体静力压实过程中，存在最优含水率，当土体的含水率为最优含水率时，在相同单位体积静压功下可得到最大干密度，最有利于土体的压实；同时为把土体压实到某一特定干密度，在最优含水率时所消耗的单位体积静压功最少，有利于减少静力压实过程中的能量消耗.

由图4可知，土样干密度与单位体积静压功关系基本呈对数曲线，故采用OriginPro 9.0软件对6种不同含水率土样干密度与单位体积静压功关系曲线进行回归分析，得出回归方程如下：

含水率4.3%土样：

y=1.40892+0.09071 ln（x+0.65239）R2=0.98135

含水率6.3%土样：

y=0.66678+0.22633 ln（x+23.19632）R2=0.99968

含水率8.3%土样：

y=0.84188+0.23957 ln（x+8.6464）R2=0.99928

含水率10.3%土样：

y=1.1145+0.17899 ln（x+3.88564）R2=0.99823

含水率12.3%土样：

y=1.29894+0.10574 ln（x+1.70063）R2=0.99777

含水率14.3%土样：

y=0.99991+0.12921 ln（x+23.09001）R2=0.98186

从回归方程中可看出，虽然土样含水率不同，但干密度与单位体积静压功之间都近似呈对数关系，而且决定系数R2都在0.98以上，试验结果的收敛性较好.故在静力压实过程中，红砂岩粗粒土干密度与单位体积静压功关系为

式（6）中：ρd为土体干密度；E为土体单位体积静压功；a，b，c为回归系数，且随土体含水率的不同而不同.

2.4静力压实红砂岩粗粒土干密度与含水率的关系

由表1可绘制出不同单位体积静压功作用下红砂岩粗粒土干密度—含水率曲线，如图7所示.对图7（静力压实曲线）进行分析，可得出土体的静力压实规律如下:

1）在一定的单位体积静压功作用下，只有当土的含水率为某最佳值时，土样才能被压实到最密实状态.因此在静力压实曲线上将出现一峰值，峰值所对应的横坐标为最优含水率，对应的纵坐标为最大干密度.本试验所选用的红砂岩粗粒土最优含水率为8.3%，在各单位体积静压功作用下最大干密度各不相同，详见表1.

2）当含水率低于最优含水率时，干密度受含水率的影响较大，水填充于土颗粒之间可起到润滑作用，包裹于土颗粒表面的水膜使土粒间距增加，土颗粒之间斥力增加而吸力减小，同时土的内摩擦角减小，土颗粒在静力压实能量作用下易发生相对位移，排列成紧密结构；当含水率高于最优含水率时，填充于土颗粒间的水分过多，在静力压实过程中，土颗粒间的气体处于与大气不连通的状态，静力压实作用不易将气体排出，水分越多，颗粒间的气体排出越困难.当土体在偏湿状态时，干密度受含水率的影响也大，但不及土体偏干状态.因此，静力压实曲线左段的坡度比右段的陡.

3）在土的静力压实过程中，土中的气体容易通过土粒间的相互位移而排出，但土中水分在短时间的加载过程中不易排出.因此，土体静力压实的实质是挤出土中气体，而不是挤出土中水分.

4）增大单位体积静压功，土颗粒在相互位移过程中能克服较大的粒间阻力，土体挤压更为密实，从而使土的最大干密度增加；同时土中水分的润滑作用相对而言并没有那么显著，故最优含水率随着单位体积静压功的增大而减小.同时，含水率较低时，增大单位体积静压功对土体干密度的影响较为显著；含水率较高时，增大单位体积静压功对提高土体干密度的效果不明显.故含水率偏大对土体的压实将产生不利影响.

图7　红砂岩粗粒土干密度—含水率关系曲线

3　结论

通过对6种不同含水率红砂岩粗粒土进行静力压实试验，得到土样的压力-位移曲线，分析压实能量与土体压实位移、压实应变、干密度的关系，总结含水率对土体静力压实能量消耗规律的影响，得出以下结论：

1）不同含水率红砂岩粗粒土压实位移随压实能量的增长而增加；在相同的压实能量作用下，土体的压实位移随含水率变化表现出一定规律：在本文选定的6种含水率当中，当含水率为8.3%时，土体产生的压实位移最大.

2）不同含水率红砂岩粗粒土在静力压实过程中，土体干密度随单位体积静压功增大而增加，两者符合对数关系：ρd=a+bln（E+c）.此关系式揭示了不同含水率红砂岩粗粒土在静力压实过程中的能量消耗规律.

3）只有当土的含水率为最优含水率时，土体才能被压实到最密实状态.此规律与采用击实试验方法所得到的规律一致.在静力压实试验方法下，本次试验所采用的红砂岩粗粒土最优含水率为8.3%.

4）静力压实曲线左段的坡度比右段的陡.此规律表明，土体静力压实的实质是挤出土中气体，而不是挤出土中水分.

5）当土体含水率高于最优含水率时，增大单位体积静压功对提高土体干密度的效果不明显.故含水率偏大将对土体的压实产生不利影响.

［1］Head K H.Manual of Soil Laboratory Testing［M］.London:Pentech Press，1980.

［2］王钊，胡海英，邹维列.路堤压实的影响因素和压实度要求［J］.公路，2004（8）:91-96.

［3］庄艳峰，王钊.土体的压实能耗和合理压实度要求［J］.武汉大学学报（工学版），2005，38（1）:133-136.

［4］许国安，牛双建，靖洪文，等.砂岩加卸载条件下能耗特征试验研究［J］.岩土力学，2011，32（12）:3611-3617.

［5］张黎明，高速，王在泉.加卸荷条件下灰岩能耗变化规律试验研究［J］.岩土力学，2013，34（11）:3071-3076.

［6］张志镇，高峰.单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究［J］.岩石力学与工程学报，2012，31（6）:1198-1207.

［7］杨建永，甘芳芳，卢凯，等.红砂岩风化土室内冲击试验研究［J］.江西理工大学学报，2012，33（5）:17-20.

［8］杨建永，刘勇军，刘浩然.红砂岩风化土在不同约束条件下单点冲击作用效应［J］.江西理工大学学报，2013，34（1）:24-27.

［9］罗嗣海，王琨，邓通发.粘性土地基强夯地面变形的半模试验研究［J］.江西理工大学学报，2013，34（1）:17-23.

［10］罗嗣海，傅军健，胡世丽.不同排水条件下饱和砂土的冲击性状［J］.有色金属科学与工程，2011，2（6）:29-33.

［11］彭勃，杨建永，吴建奇，等.红砂岩填土压实厚度对压实能量消耗规律影响试验研究［J］.江西理工大学学报，2015，36（3）:30-35.

［12］JTGE40-2007，公路土工试验规程［S］.

［13］苏承东，张振华.大理岩三轴压缩的塑性变形与能量特征分析［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（2）:273-280.

Experimental study of energy evolution of coarse-grained red sandstone soil under static loading conditions

PENG Bo，YANG Jianyong，WEN Shujie，PAN Jianping，WU Jianqi

（School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

To study energy evolution of coarse-grained red sandstone soil under static loading conditions，static load compaction tests were conducted by using an electronic universal testing machine.Stress-displacement relations of coarse-grained red sandstone soilwere obtained and the effects ofmoisture contentand compaction energy on compaction property were analyzed.The results show that under the same compaction energy，when the moisture content is 8.3%，the soil gets largest displacement；the relationship between unit-volume static compaction work and dry density can be described as logarithm relation；the essence of static compaction of soil is extruding soil gas，not squeezing out the moisture from the soil；the general moisture content has an adverse effecton the compaction of soil.

coarse-grained red sandstone soil；compaction test；energy evolution；moisture content；unitvolume static compaction work

TU441

A

2095-3046（2015）05-0028-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.006

2015-08-27

国家自然科学基金项目（51204076，51304084）；江西省自然科学基金项目（20122BAB206035）；江西省教育厅科技项目（GJJ13408）

彭勃（1988-），男，助理实验师，主要从事岩土工程方面的研究，E-mail：258921432@qq.com.