黄土状粉土击实过程中土底压应力规律研究

2020-03-12马富丽白晓红

太原理工大学学报 2020年2期

李婕，马富丽，白晓红，b

(太原理工大学 a.土木工程学院，b.岩土与地下工程山西省重点实验室，太原 030024)

随着我国建设规模的不断扩大，建设用地紧张这一特殊性问题日益突出。 “西部开发”和“中部崛起”发展战略进一步加速了我国中西部地区的基础建设力度。山西省、陕西省等作为我国中西部黄土高原区域的主要省份，为解决建设用地紧张问题都采取了“挖山填沟”“上山建城”等手段。这些地区广泛分布的黄土，常常被用作地基、路堤和机场等建筑场地的回填材料[1]。黄土作为典型的特殊土之一，工程性质复杂。工程建设中所使用的重塑黄土，改变了天然黄土原有的结构以及物理力学特征[2-3]。在大量的填挖方工程中，由于建筑面积和工程量巨大，要保证黄土的填筑压实质量实属不易。而在击实过程中，含水量的控制常常会影响填土的力学性质指标。目前已有的报道大多是针对含水量对填土压缩特性、抗剪强度或土水特征影响的研究[4-6]。但在室内击实试验时，不同的击实条件影响了土体能量传递的效果，含水量的变化影响更不容忽视。通过土中压力测试，从应力传递的角度对土体的压实特性进行评价的概念虽然已在路基、坝体等工程中得到了应用[7]，但国内外学者针对击实过程中压力测试的研究还很少。因此有必要从该角度出发探究击实能累加过程，在不同击实条件下土中应力的传递规律，为控制填土工程质量提供指导。

综上，本文选取山西省某工地黄土状粉土(典型黄土地质区域的粉土)进行室内击实试验，研究在不同击实含水量和击实能条件下的土底压应力变化规律，以期为今后黄土地区填土工程质量评价提供一定的理论依据。

1 试验用土

本文土样取自山西省忻州市某工地，将其自然风干，依据《土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)》[8]进行土体基本物理性质指标测试，结果列于表1.按规范可定名为粉土[9]。

表1 试验用土的基本物理性质指标Table 1 Indexes of basic physical properties of soil used in the test

2 室内击实试验

2.1 试验方法

依据《土工试验方法标准(GB/T 50123-1999)》[8]规定的室内击实试验方法进行击实试验，试验选取三种击实能(E)即：1 208.2 kJ/m3，2 013.7 kJ/m3和2 684.9 kJ/m3，每种击实能下依据土样塑限预估含水量配置设置5个不同的击实含水量，相邻两种含水量的差值为2%左右。分三层进行击实，每层最终击实厚度约为38 mm.

2.2 试验结果及分析

图1给出了本次试验工况下不同击实能条件下的击实曲线，由此获得不同击实能所对应的最大干密度与最优含水量列于表2.

从图1与表2可以看出不同击实能条件下，土样干密度随击实含水量的增加先增加后减小。峰值所对应的击实含水量为最优含水量(wop)，此时的干密度为最大干密度(ρd).且击实能越大其最优含水

图1 不同击实能下的击实曲线Fig.1 Curves of compaction under different compaction energy

表2 不同击实能下的最优含水量与最大干密度Table 2 Optimal water content and maximum dry density under different compaction energy

量越小，最大干密度越大，符合一般细粒土的压实特性[10]。在最优含水量偏干侧(wop减2%左右)及最优含水量条件下土样干密度先随击实能增大而增大，然后趋于平缓，表明了“经济击实功”的存在[11]。而在最优含水量湿侧(wop加2%左右)干密度随击实能增加基本为缓慢增加，如图2所示。无论击实含水量是偏干还是偏湿，土样干密度均随击实能增加而增大；但在最优含水量及其偏干侧，这种增大趋势逐渐变平缓，与杨晶等[12]的发现相一致，而最优含水量湿侧干密度随击实能增大变化持续增加。在一定含水量条件下，随着含水量增大，水分在颗粒间起到润滑作用，在击实作用下土样变密实，干密度变大。但当含水量过大时，粉土颗粒与水胶结作用较差[13]，孔隙中充当润滑作用的水分出现剩余，击实能部分被孔隙水消耗，从而无法有效击实土体，因此继续增加击实能土体干密度变化不明显[14]。同时过大的击实能会破坏土体原本颗粒结构，导致土颗粒破碎，破碎特征与击实能的大小以及土颗粒的矿物质成分等有关[15]。

图2 不同含水量下击实能与干密度关系曲线Fig.2 Curves of compaction energy and dry density under different water content

3 土底压应力测试

3.1 试验方法

为探讨击实过程中土中应力传递规律，本文采用自主研发的土中应力测试系统[16]对上述每组不同击实能及含水量条件下的土样在击实过程中的土底压应力进行了测试，测试系统如图3.基于对测量结果精准性及数据可靠性的要求，本文在进行试验设计时只对击实试验过程中土体底部中央处的压应力进行了测试，即在击实过程中，仅测读当击实锤落于击实桶正中央时(如图3所示土压力盒正上方时)的压力盒读数。不同击实能下的测试次数列于表3.

3.2 土底压应力测试结果及分析

3.2.1土底压应力与击实作用时间关系

不同击实能条件下每层土中击实作用时间与土体底部中央压应力(以下简称土底压应力)的关系极为类似，故以击实能为1 208.2 kJ/m3，击实含水量为7.5%的土样击实测试结果为例进行分析。由于每层土中测试次数为3次，所以每层土有三条击实作用时间与土底压应力的关系曲线(见图4).由图4可知，在同一层土中，随着击实次数的增加土底压应力增大，击实作用时间变短。当土底压应力达到最大时，击实作用时间最短，此时土体为该条件下的最密实状态。这是因为在同一层土中，击实初期土颗粒较为疏松，介质的连续性差，力的传递速度较慢，松散土体吸收能量，因此传递到土底的能量较小(如图4中1-1曲线)。在土体逐渐密实的过程中，土体作为传力介质趋于稳定，击实能可以向土层深处传递，表层吸收能量减少[17]，土体刚度增大，力的传递速度加快，传递到土体底部的击实冲击力增大，因此土底压应力增大，作用时间减小(如图4中1-3曲线)。

图3 土底压应力测试系统示意图Fig.3 Schematic diagram of soil bottom pressure measuring system

表3 每层土底压应力测试次数Table 3 Measuring times of bottom pressure for each layer of soil

图4 击实作用时间与土底压应力关系曲线Fig.4 Curves of compaction time and soil bottom pressure

3.2.2含水量对土底压应力的影响

相同击实能不同含水量条件下，土底压应力传递规律有所不同。图5为不同击实能条件下土底压应力随铺土层数和击实次数的变化曲线。为保证数据分析的准确性和分析过程的可比性，不同击实条件下均取每次击实过程中最大的土底压应力σmax进行分析。

图5 土底压应力随铺土层数及击实次数的变化曲线Fig.5 Change curves of the bottom pressure with the number of layers and compaction times

表4 不同击实能及含水量下土体空隙率一览表Table 4 List of void fraction of soil under different compaction energy and water content

从图5中可以看出，三种击实能条件下的土底压应力σmax随铺土层数和击实次数的变化规律基本相同。在同一击实能下，对于第一层铺土，当击实含水量≤wop时，σmax随击实次数的增大而提高。当击实含水量>wop时，σmax随击实次数的增加先提高后降低，并且在数值上明显小于击实含水量≤wop时的σmax值。对于第二、三层铺土，当击实含水量≤wop时，σmax在前三击时随击实次数的增加而提高，之后基本保持不变；当击实含水量>wop时，σmax值随击实次数的变化不明显。同时，无论击实含水量如何变化，σmax的值随着铺土层数的增加而减小，且第一层铺土条件下的σmax明显大于第二层铺土的σmax值。

室内击实过程中，土体中的水分不易排出，击实能作用于土体，排出孔隙间的气体使土体变密实[17]。给定击实能下，当击实含水量≤wop时，土中孔隙气和孔隙水均处于开敞状态，对于第一层铺土，每一次击实都可将土中的气体排出，使土体密实，故而σmax随击实次数的增加而提高。当击实含水量>wop时，土中孔隙水属于开敞状态，但孔隙气处于封闭，空隙率极小(不同击实能及含水量条件下的空隙率见表4)，击实作用下无法排出更多的土中气，而孔隙中的水不可压缩，击实能大多被孔隙水消耗，故σmax的值远小于同一条件下击实含水量≤wop时的值，且随着击实次数的变化不明显[18]。第一层铺土时，土层厚度较薄，击实锤下落后与土压力盒距离较近，土体吸收的能量较少，因此第一层的σmax值较大。但是当继续加大铺土层数后，击实次数大于一定值后(本试验为3～4击)，在击实能为2 684.9 kJ/m3条件下，第一层土击实时得到的土底压应力随击实次数的增加而提高，但是当击实次数为3～4击后，土底压应力趋于平缓。该击实能下所得到的最大干密度为1.97 g/cm3，与2 013.7 kJ/m3击实能下所得到的最大干密度1.95 g/cm3相差无几，所以当土体密实度达到一定程度，再增加击实次数时，孔隙中气体的排出量减小，土体密实程度提高缓慢，σmax值变化不明显。且铺土层数增大，击实锤作用面与土底压力盒的距离增加，力的传递路径变长，击实能被土体消耗，故作用于土底的压应力随铺土厚度的增加而减小。标准击实试验中的击实能为单位体积累积能量(即通过改变锤击数来改变能量大小)，在含水量不变的条件下，使土颗粒变密实所需能量一定(与该条件下粒间阻力相匹配)，当达到一定击实次数后，累积的击实能刚好可以使土体形成该条件下稳定的传力介质，因此σmax值随击实次数的增加总体变化不明显。此时土体吸收能量极少，继续增加锤击数会造成能量浪费。

3.3 土底压应力与压实度关系

为研究不同含水量条件下土底压应力与压实效果的关系，将不同击实能与含水量条件下的σmax值与其对应的压实度进行分析。为了减少由于可能存在的土颗粒对压力盒产生的应力集中现象影响，以第二层击实数据为例进行分析。依据试验所得ρdmax计算每组工况下土样压实度，表5为不同击实能及含水量下土体压实度与σmax一览表。

表5 不同击实能及含水量下土体压实度与σmax一览表(以第二层击实数据为例)Table 5 List of degree of compaction and σmax of soil under different compaction energy and water content

从表5可以看出，当压实度为1时，σmax值随击实能的增加而增大，但变化幅度并不明显。由于土的多相性，其密实过程中，主要是孔隙体积减小和孔隙形态的变化起主导作用，当土体形成稳定的传力介质后不再吸收能量，而击实能为累积体积能，故增加击实次数不能有效提高土体密实程度。

图6给出了不同击实能和含水量条件下，土底最大压应力σmax值的变化(以第二层的击实数据为例)。由图可见，当击实含水量wop时，σmax随击实能变化较为平缓。以上现象说明击实含水量偏大时，增加的击实能大部分被孔隙水消耗，传递到土体深处的能量减少[19]。当击实能达到一定值后，击实作用可将土颗粒破裂，土样密实程度将有所增加，导致土底压应力增大，但σmax的最大值不会超过最优含水量及其偏干侧值。而在击实含水量偏干侧与最优含水量条件下，土中没有过多的自由水，击实能几乎全部用来改变颗粒排列结构，因此使土体更加密实，σmax较大。

图6 不同含水量下击实能与σmax关系曲线 (以第二层击实数据为例)Fig.6 Curves of compaction energy and σmax with different water content

不论击实能为多大，在同一击实能下，随着击实含水量的增加，最大的土底压应力在偏干侧出现，而最大土底压应力在偏湿侧出现陡降，如图7(以第二层击实数据为例)。但压实度在偏干侧与偏湿侧变化幅度并不明显(见表5).

图7 不同击实能下含水量与σmax关系曲线 (以第二层击实数据为例)Fig.7 Curves of water content and σmax with different compaction energy

在土体密实过程中击实锤需要克服土颗粒间的内摩阻力与颗粒间粘结力做功，而这两种力都是随压实度的增加而增大的[20]。但从上述试验现象已经发现，虽然压实度接近，但土底压应力变化有明显陡降。说明在含水量适宜范围内(最优含水量及其偏干侧)击实过程中的能量大部分均用作克服粒间阻力，使土体变密实，表层逐渐密实后再向土体更深处传递击实能，因此土底压应力变化幅度不大。但当含水量超出合适的范围(最优含水量湿侧)，土颗粒间充斥大量孔隙水且无法压缩，在室内击实过程中无法排出，在击实过程中形成反向阻力，消耗大部分冲击能量，使作用到土颗粒之间的力减小，颗粒排列无法更紧密，土体所形成的力的传递介质相对疏松，传递到土底的压强也随之减小，因此土底压应力出现陡降。以上分析从能量传递的角度进一步解释了细粒土击实原则。