不同击实能作用下填方场地重塑黄土强度试验研究

樊育豪，钱思众，李金华

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710000； 2.西安科技大学，陕西 西安 710054)

陕北黄土高原沟壑纵横，地下煤炭储量丰富，是我国重要的煤炭生产基地。煤矿建设过程中往往面临用地紧张问题，导致黄土填方场地大量出现。填方工程可以有效解决山区煤矿建设用地紧张问题，但填方工程的地基稳定性已成为威胁煤矿正常建设和安全生产的重要因素之一。重塑黄土(填方土体)不同于一般的原状黄土或天然黄土，其在具体施工过程中改变了黄土的原有结构，从而引起黄土的物理和力学性质发生变化。过去由于人们对重塑黄土的力学特性缺乏有效、系统的认识，从而引发了一系列的填方场地事故，严重影响了煤矿正常的建设和生产安全。

近年来，一些学者通过试验和理论分析对重塑黄土的物理力学特性展开了研究。黄茂松等[1]研究了各类土的力学特性和强度理论，并对这两方面的内容做了深入阐述；王娟娟等[2]针对西安地区压实黄土进行了试验研究，结果表明当土样的干密度一定时，其压实黄土的强度指标都随着含水率的增大而明显减小；郭江涛[3]对新疆地区重塑黄土进行了直剪试验研究，发现了强度指标随土样物理性质变化的规律；黄泽等[4]通过对延安新区重塑黄土的直剪试验，得出含水率和干密度是影响黄土试样抗剪强度的重要因素；杨晶等[5]进行了不同击实能的击实试验研究，得出了压实黄土强度与含水率、击实能之间的变化规律；王林浩等[6]开展了直剪试验研究，结合对试验数据的分析和处理，得到了抗剪强度与各影响因素之间的关系；张志权等[7]以3个不同地区的黄土为试验对象，进行了室内直剪试验研究，得出了各个地区黄土试样的强度特性；吴起星[8]结合室内直剪试验和原位试验对高填方填筑土进行了研究，综合对比分析，得出抗剪强度与含水率之间的变化规律；方华强[9]以延安某高填方项目的填筑体为研究对象，着重研究了其在高应力条件下重塑黄土的变形特性；李柯君[10]从单击功的角度出发，讨论了击实能对土体密实度的影响规律。但是，上述研究均没有考虑现场的施工工艺(不同击实能作用下)对重塑黄土的物理力学性质的影响。基于此，笔者主要从不同击实能的角度出发，通过针对重塑黄土的室内直剪试验，研究在不同击实能作用下含水率对重塑黄土物理性质和抗剪强度的影响。

1 土样的基本物理性质

以延安地区黄土为试样，取土深度为8.2～12.5 m。根据钻探及室内试验结果可知，勘探深度内地层为第四纪全新统风积黄土(Q4eol)。土样的基本物理性质参数见表1。

表1 土样的基本物理性质参数

2 试验方案及过程

2.1 试验方案

采用正交试验的方法，即选取4种不同的击实能(分别为592.2、1 342.4、1 820.2、2 684.9 kJ/m3)进行试验。每一种击实能均分别对应4种不同初始含水率的土样，含水率分别为10%、12%、14%、16%。

2.2 试验过程

按照试验方案，制备不同初始含水率的土样，并使用JDS-1型电动数控击实仪制备不同击实能的击实样。试验过程中使用内径为61.8 mm、高度为 20 mm 的环刀在击实样中取环刀样，如图1所示。所采用试验方式均为快剪，剪切速率为0.8 mm/min，分别在100、200、300、400 kPa的垂直压力下进行直剪试验。

图1 环刀取样

3 试验结果与分析

3.1 击实能与各土样物理参数之间的关系

土样各含水率下干密度(ρd)、最优含水率(wop)、最大干密度(ρdmax)与击实能(E)的关系曲线，如图2～4所示；最大干密度与最优含水率的关系曲线，如图5所示。

图2 土样干密度与击实能关系曲线

图3 土样最优含水率与击实能关系曲线

图4 土样最大干密度与击实能关系曲线

图5 土样最大干密度与最优含水率关系曲线

由图2可见，土样干密度随着击实能的增大总体上呈现出递增趋势。从图3可以看出,土样最优含水率随着击实能的增大而减小，呈幂函数关系。从图4可以看出，土样的最大干密度随着击实能的增大而增大，在击实能较小时，如当击实能小于2 000 kJ/m3时，最大干密度随击实能的增大其变化较快；在击实能较大时，如当击实能大于2 000 kJ/m3时，最大干密度随击实能的增大其变化较为缓慢。从图5可知，土样最大干密度随着最优含水率的增高而降低。综上可见，在进行高填方项目工程填筑施工时，一味地增大击实能，土体干密度增加有限，土体很难再进一步大幅度地提高其密实度。因此应注意选择施加经济合理的击实能，从而达到高填方项目的最大效益。

3.2 击实能对抗剪强度的影响规律

土样在各含水率条件下抗剪强度与垂直压力关系曲线如图6所示。

(a)含水率10%

由图6可知，土样各抗剪强度与垂直压力之间均呈现较好的线性关系，抗剪强度均随着垂直压力的增大而线性增大。由图6(a)和(b)可知，当土样的含水率为10%和12%时，抗剪强度随击实能的增大而增大。当击实能达到最大击实能2 684.9 kJ/m3时，土样抗剪强度达到其最大值。由图6(c)和(d)可知，当击实能为1 820.2 kJ/m3和1 342.4 kJ/m3时，抗剪强度较其他击实能条件下的抗剪强度大，这是由于击实能为1 820.2 kJ/m3和1 342.4 kJ/m3时，最优含水率分别为14.2%和13.3%，此时，在各击实能条件下，土体更为密实，而当击实能达到最大值(2 084.9 kJ/m3)时，抗剪强度并没达到最大值，说明在土样击实过程中，来自含水率的影响占主导地位，因此在高填方项目工程施工时，要注意应将含水率控制在黄土的最优含水率附近，即在相应击实能对应的最优含水率下的击实土体，能够使土体获得更高的强度。

3.3 击实能对抗剪强度指标的影响规律

各含水率下土样黏聚力与击实能关系曲线如图7 所示。

图7 土样黏聚力与击实能关系曲线

由图7可看出，击实能的变化对土样黏聚力有一定的影响，但是其规律性不强。当含水率为10%时，土样的黏聚力随击实能的增大而增大；在含水率为12%时，土样的黏聚力随击实能的增大而增大，当击实能超过2 000 kJ/m3时，其值略有减小；当含水率为14%时，土样的黏聚力随着击实能的增大而增大，当击实能超过1 500 kJ/m3时，黏聚力又有所降低；当含水率为16%时，土样黏聚力随含水率的增加反而有所减小，当击实能超过1500 kJ/m3时，黏聚力又有所增大。这样的变化可以通过最优含水率来解释，即各击实能条件下，在最优含水率的干侧，土样黏聚力随初始含水率的增加而增大；当土样的含水率超过其最优含水率时，即在土样最优含水率的湿侧，黏聚力随着含水率的增加反而减小。在其最优含水率处，土样的黏聚力达到最大值。

各含水率下土样内摩擦角与击实能关系曲线如图8所示。

图8 土样内摩擦角与击实能关系曲线

由图8可知，随着击实能的增大，土样的内摩擦角整体上呈现出单调递增的变化趋势，这是由于土样随着击实能的不断增大，土颗粒之间的接触变得更加紧密，相对运动时土颗粒之间的摩擦力也变得更大。当含水率较低时(如含水率为10%和12%)，土样的内摩擦角随击实能的增大而明显增大；当含水率较高时(如含水率为14%和16%)，土样的内摩擦角反而随击实能的增大先呈现出增大的趋势，随后明显减小。当含水率一定时，土样所加的击实能愈大，内摩擦角也就愈大。高击实能时，在最优含水率的右侧，土样的内摩擦角随含水率的增高反而有较大程度的降低。这是由于在高击实能作用下形成的密实土体，在巨大的击实能作用下土体发生破坏，导致内摩擦角降低所引起的。

4 结论

以延安地区Q4黄土为研究对象，开展了直剪试验，从不同击实能的角度出发，对重塑黄土的强度特性进行研究，得到的主要结论如下：

1)各抗剪强度与垂直压力之间均呈现较好的线性关系，在不同击实能作用下重塑黄土抗剪强度均与垂直压力成正比，在研究击实能对压实黄土抗剪强度的影响时还应考虑最优含水率，在相应击实能对应的最优含水率下击实的土体，能够使土体获得更高的强度。

2)击实能的变化对土样黏聚力有一定的影响，但其规律性不强。不过当土样的含水率较低时，随击实能的增大，其黏聚力整体上呈现出先增大后减小的变化趋势。对于内摩擦角而言，随着击实能的增大，土样的内摩擦角基本上呈现出单调增大的趋势。

3)对于填筑土体，所施加的击实能不同，得到的填筑体的密实程度就会不同。土体在能量的作用下会变得密实，当再施加过多的能量时，土体已经形成的致密结构就会被破坏，土颗粒就会产生滑移、滚动，土体甚至会产生鼓胀、剪切破坏或者产生较大的水平变形。

4)在煤矿建设进行填方施工前，应考虑击实能对填方黄土力学特性的影响，选择经济合理的施工工艺，以保证填方地基的稳定性。