含水率对粉土冲击压实效果影响的试验研究

陈忠清　徐东阳　高　鑫　谢湘平

(1.绍兴文理学院　土木工程学院，浙江　绍兴312000;2.绍兴文理学院　岩石力学与地质灾害实验中心，浙江　绍兴312000；3.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川　成都610041)



含水率对粉土冲击压实效果影响的试验研究

陈忠清1,2徐东阳1高鑫1谢湘平3

(1.绍兴文理学院土木工程学院，浙江绍兴312000;2.绍兴文理学院岩石力学与地质灾害实验中心，浙江绍兴312000；3.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川成都610041)

摘要：冲击碾压法具有施工快速、造价经济等特点，已在国内外公路、铁路、机场及港口等工程中得到广泛应用.采用室内击实试验模拟冲击碾压过程中的冲击作用，通过对击实后的粉土试样进行压缩试验和直剪试验，从土的压缩变形和抗剪强度变化的角度，研究了土中含水率对粉土冲击压实效果的影响.结果表明，粉土的最优含水率在23%～24%范围内；粉土在低于最优含水率情况下的冲击压实效果好于在高于最优含水率情况下的冲击压实效果.

关键词：冲击碾压；含水率；击实试验；粉土

冲击碾压法是20世纪80年代成形的地基处理方法，具有如下一些特点：①利用冲击压路机的非圆形冲击轮对地基土进行连续滚动冲击、静压和揉搓；②适合加固多种类型地基土，且加固深度可达1m以上，明显优于传统的静力压实与振动压实[1-4]；③施工快速，造价经济，且施工振动影响相对较小，在浅层地基加固方面明显优于强夯法[5-8].徐超等(2011)采用冲击碾压法加固淮安涟水机场飞行区粉土地基的现场试验研究中，得到土体的含水率对粉土地基的冲击碾压加固效果有明显影响[9].目前，《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)以及《公路冲击碾压应用技术指南》均没有对冲击碾压加固粉土的最优含水率或有利于粉土冲击碾压加固效果的含水率变化范围作出明确规定[10-11].

本文通过击实试验模拟冲击碾压过程中的冲击作用，得出不同含水率下粉土试样的干密度指标，并对击实后的粉土试样分别进行压缩试验和直剪试验，获得其压缩模量指标和抗剪强度指标，从土的压缩变形和抗剪强度变化的角度，研究含水率对粉土冲击压实效果的影响.

1试验材料及方案

1.1试验材料

以取自江苏淮安地区的粉土作为试验材料，颗粒级配曲线如图1所示.由图1可知，本次试验土样的粉土颗粒占84.0%，细砂颗粒占13.0%，黏土颗粒3.0%，土样的不均匀系数Cu为2.75，曲率系数Cc为1.84，颗粒组成较均匀.

1.2试验方案

1.2.1击实试验方案

采用JDS-3型标准手提击实仪进行击实试验，如图2所示.具体试验过程如下：

(1)采用干法制样，先将粉土风干，测其风干含水率w0，土样经处理后重复使用.

(2)据勘察报告，粉土塑限最大值为25.1%，最小值为22.3%，平均值为23.8%，预估需制备试样的含水率w分别为20%、22%、24%、26%及28%.按此含水率从低到高制样，共进行五次击实试验.

(3)一次击实试验取风干土样4～5kg，平铺于不吸水的平板上，喷洒所需的加水量，充分拌和，装入塑料袋，静置24h.加水量Δmw按下式计算：

(1)

式(1)中：m0为风干土样质量(g)，w0为风干含水率(%)，w为预估含水率(%).

(4)在击实筒内壁涂一薄层润滑油，装入土样，分5层击实，每层54击，并在两层接触面进行刨毛处理，避免出现明显的分层界面.

(5)取粉土试样：①从土样中心处取2份15-30g的试样，测定其含水率wi，二者的差值应不大于1%；②采用环刀，从上至下分四层取8个试样，每层并排取2个(如图3所示)，其中5个试样用于直剪试验，3个试样用于压缩试验.

1.2.2压缩试验方案

采用快速固结法进行压缩试验，以获取粉土击实后的压缩模量指标.荷载等级为50KPa、100KPa、200KPa、400KPa，每级荷载施加后1h读数，最后一级1h和24h后分别读数.

1.2.3直剪实验方案

每次击实试验后，用环刀从击实筒中取1个试样，进行直接剪切试验，以获取粉土击实后的抗剪强度指标.采用快剪试验方法，试验时垂直压力的加载等级分别为50kPa、100kPa、150KPa、200KPa、300KPa.

图1　试样的颗粒级配曲线

图2　JDS-3型标准手提击实仪

图3　击实后粉土试样的取样过程照片

2试验结果分析

2.1击实试验

粉土的击实试验的结果如图4所示.由图4分析可得：粉土的最优含水率为23%～24%范围内，其最大干密度为1.63 g/cm3；当试样含水率为20%、22%和24%时，击实后干密度明显大于含水率为26%和28%试样击实后的干密度.可见，当含水率低于24%时，粉土的冲击压实效果好于含水率高于24%时粉土的冲击压实效果.

图4　粉土的击实曲线

2.2压缩试验

不同含水率情况下，击实后粉土试样的压缩试验结果如表1和图5所示.由表1和图5可得：

粉土的压缩模量随含水率的变化趋势与干密度随含水率的变化趋势呈一致性，其中含水率为24%的粉土试样对应的压缩模量最大，达到8.22MPa；当粉土试样的含水率小于最优含水率时，对应的压缩模量大于含水率超过最优含水率的试样所对应的压缩模量.可见，从土的压缩变形角度来看，粉土在低于最优含水率情况下的冲击压实效果好于在高于最优含水率情况下的冲击压实效果.

表1不同含水率试样经击实后的压缩模量

击实试验No.1No.2No.3No.4No.5含水率(%)19.9921.6824.2425.9427.86压缩系数0.200.220.200.240.25压缩模量(MPa)7.607.368.226.816.41

图5　击实后含水率与压缩模量关系曲线

2.3直剪试验

不同含水率情况下，击实后粉土试样的直剪试验结果如表2和图5所示.由表2和图5可以得到：在不同含水率条件下，粉土的内摩擦角φ在30.4°～32.5°范围内变化，其中当含水率在20%～24%之间变化时φ值大于当含水率在26%～28%之间变化时的φ值，而粘聚力在0.37KPa～2.30KPa范围内变化，其中当含水率在22%～24%之间变化时c值最大.可见，从土的抗剪强度指标的角度来看，粉土在低于最优含水率情况下的冲击压实效果也要好于在高于最优含水率情况下的冲击压实效果.

表2直剪试验结果

击实试验No.1No.2No.3No.4No.5含水率(%)19.9921.6824.2425.9427.86c(kPa)0.372.302.291.701.14φ(°)32.5032.1032.0030.4030.80

(a)含水率为20%

(b)含水率为22%

(c)含水率为24%

(d)含水率为26%

(e)含水率为28%

3结论

本文主要通过室内土工试验，从土的压缩变形和抗剪强度指标的角度，探讨了含水率对粉土冲击压实效果的影响，得到如下一些结论：a.粉土的最优含水率在23%～24%范围内，其最大干密度为1.63 g/cm3；b.从土的压缩变形和抗剪强度指标的角度来看，粉土在低于最优含水率情况下的冲击压实效果好于在高于最优含水率情况下的冲击压实效果.由于最优含水率与冲击能量直接相关，当冲击能量增加时可适当减小含水率的范围，以达到最佳的压实效果.

参考文献:

[1]车胜创.冲击式压实机的应用、研究与发展前景[J].筑路机械与施工机械化,2006,23(3):10-12.

[2]史保华,杨晓娟,王宏伟.冲击压实机及其技术在土基处理中的应用分析[J].筑路机械与施工机械化,2006,23(3):5-9.

[3]Avalle D L. Ground improvement using the square Impact Roller - case studies.[C]// Proceedings 5th International Conference on Ground Improvement Techniques, Kuala Lumpur, 2004: 101-108.

[4]陈忠清，吕越．冲击碾压技术在浅层地基处理中的应用[C]//第四届浙江省岩土力学与工程大会，温州，2015.

[5]姜海福,连海.冲击碾压技术在港口工程土体加固中的应用[J].水运工程,2011(6):152-155.

[6]沈超．淮安民用机场强夯及冲击碾压处理浅层液化地基试验研究[D]．上海:同济大学，2009.

[7]Avalle D. Ground vibration during impact rolling[C]// Common Ground Proceedings - 10th Australia New Zealand Conference on Geomechanics,Brisbane, 2007.

[8]Xu C, Chen Z Q, Li J S, 等. Compaction of subgrade by high-energy impact rollers on an airport runway[J]. Journal of Performance of Constructed Facilities,2014,28(5):401-402.

[9]徐超,陈忠清,叶观宝，等.冲击碾压法处理粉土地基试验研究[J].岩土力学,2011,32(增刊2):389-392.

[10]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基处理技术规范(JGJ79-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[11]中华人民共和国交通部.公路冲击碾压应用技术指南[M].北京：人民交通出版社,2006.

(责任编辑鲁越青)

TestResearch of Influence of Water Content on Effect of Silt Subjected to Impact Roller Compaction

Chen Zhongqing1, 2Xu Dongyang1Gao Xin1Xie Xiangping3

(1. School of Civil Engineering, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000;2. Centre of Rock Mechanics and Geological Disaster, Shaoxing University, Shaoxing, Zhejiang 312000;3. Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Conservancy, Chengdu, Sichuan 610041)

Abstract：The impact roller (IR) compaction method, widely used in engineering of highway, railway, airport and port at home and abroad, has the advantages of high efficiency of construction and cost saving. Compaction test was used to simulate the impact process of IR compaction. Compression tests and direction shear tests were carried out on the silt samples adopted from silt after the compaction to investigate the influence of water content on the effect of silt subjected to IR compaction. The results show that the optimal water content of silt ranges from 23% to 24% and the improvement effect of silt with lower water content than optimal water content is better than that of silt with higher water content than optimal water content.

Key words：impact roller compaction; water content; compaction test; silt

收稿日期：2016-03-24基金项目：绍兴文理学院科研启动项目(No.20155010；No.20145013)；绍兴市公益技术研究项目(No.2015B70034).

作者简介：陈忠清(1984-)，男，浙江永康人，博士，讲师，主要研究方向：岩土工程.

doi：10.16169/j.issn.1008-293x.k.2016.07.02

中图分类号：TU44

文献标志码：A

文章编号：1008-293X(2016)07-0008-04