不同厚度红砂岩填土中夯击能量的消耗规律研究

潘泽真,阳 丹,管升军

(江西科技学院土木工程学院,江西 南昌 330098)

0 引言

红砂岩在我国广泛分布,常被大量开采形成红砂岩填土,其土层松散、工程性质很差,工程实际中多用强夯[1]加以处理,效果显著。

针对红砂岩填土,前人已做了不少研究工作[2-5],但多数集中在夯击能量作用下红砂岩填土的密度和位移等作用效应方面的研究,而对于填土中夯击能量的传递及消耗规律方面的研究则相对较少。彭勃等[6]利用自制装置在万能试验机上进行静力压实试验,研究了粗粒含量和压实厚度对红砂岩土中压实能量消耗规律的影响,研究成果对工程实践具有一定的理论指导意义；杨建永等[7]通过设计室内静力压密试验,分析得出了红砂岩土的能量-密度关系式,量化分析了能量的消耗规律；王彤等[8]以公路路基红砂岩土为研究对象,利用动静组合加载试验装置,研究了土体中能量的消耗与击数和干密度之间的关系,研究成果可为工程施工提供理论参考。

由上可知,针对红砂岩填土中能量的消耗问题已取得一些研究成果,但大都基于室内静力压密试验,相关结论具有一定的局限性,不能为实际强夯施工提供有效参考。本文以赣南地区红砂岩填土为研究对象,利用室内单点冲击试验,研究土层厚度和击数对土体中夯击能量消耗的影响。

1 试验方案

通过筛分析实验,严格控制土样颗粒粒径范围,确保组分均匀；依据土样的塑限设计分组试验,测试其最大干密度及最优含水率；试验前对土样配水,使其为最优含水率状态。

试验仪器：①室内击实仪：锤重4.5Kg,击锤落距450mm,击锤底面直径50mm；②击实筒φ152mmx170mm,套筒φ152mmx50mm；③自制小环刀：内径2.5cm,高2cm。

拟定试验方案：①土层厚度为H/3；②土层厚度为2H/3；③土层厚度为H；3种方案下的锤重均为4.5Kg,落距均为0.450m,能量同为20N·m,击数均设置为5、10、15、20、25击；试验过程中只加套筒不加垫块。其中H为击实筒高度与套筒高度之和。

密度测点布置：垂直方向第一层测点位于坑底中心处,最后一层测点距离筒底2.0cm,从上到下其余各层测点间距3.5cm；水平方向从击实筒轴心线处沿径向每隔3.0cm布置一个测点,共3个测点。采用自制小环刀(内径2.5cm,高2cm)取土测试不同位置土体的密度。

图1 密度测点布置图

抗剪强度测点布置：垂直方向第一层为夯坑底面,最后一层测点距离筒底2.5cm,从上到下其余各层测点间距4.0cm；水平方向只在击实筒轴心线处布置测点,通过直接剪切试验测定土体的抗剪强度。

2 试验结果与分析

2.1 土体沉降变形分析

土体沉降量随夯击能的变化主要表现在：

(1)不同厚度的土体第1击的单击夯沉量均最大,夯击能的利用率最高。各方案下土体的累计夯沉量随夯击能基本呈三阶段变化,即先快速增加、后缓慢增加、最后趋于稳定,夯击能的有效利用率呈现逐渐降低的趋势,这是土体表面形成硬壳层,夯击能以其他形式向外发散所致。

(2)对各方案下的累计夯沉量随累计夯击能的变化进行拟合：

由此可知,各方案下土体的累计夯沉量与累计夯击能基本符合y=Ax/1+Bx的关系,且相关系数R2都达到96%以上。

(3)不同厚度土体的最佳夯击能分别为100N·m、120N·m和140N·m,对应土体的夯沉量分别为18mm、32mm、53mm,均约占相应总夯沉量的二分之一,由此可知,土层厚度直接影响夯击能的有效利用。

2.2 土体密度变化分析

不同土层厚度时不同夯击能下各测点的密度变化主要表现在：对于相同土层厚度的土体,击实筒中心线处各测点的密度随着夯击能的增加而增大,也随着测点土体高度的增加而增大；沿径向各测点土体的密度随着测点土体高度的增加先增大后减小,第一层两测点的密度随着夯击能的增加反而越来越小。由此可知,夯击能以竖向作用为主、水平影响为辅,且存在一定的影响范围,持续增加夯击能无益于加固程度的提高,多余的能量以其他形式向外传递。

对于不同土层厚度的土体,相同夯击能下,土层厚度越大,坑底中心土体的密度也越大；相同测点土体高度处各测点的密度随着土层厚度的增加而减小。由此可知,土层厚度越大,要达到相同的加固程度,所需消耗的能量越多。

2.3 土体抗剪强度分析

各层测点土体的粘聚力和内摩擦角的变化情况主要表现在：对于相同土层厚度的土体,土体的粘聚力和内摩擦角都随夯击能的增加而增大且粘聚力的增长幅度明显大于内摩擦角的增长幅度；相同夯击能作用下,土体粘聚力和内摩擦角都随着测点土体高度的增加而增大。

对于不同土层厚度的土体,相同夯击能作用下,土层厚度越大,则同一测点土体高度处测点的粘聚力和内摩擦角越小。

3 结论

本章主要研究不同厚度红砂岩填土中夯击能量的消耗规律,得出以下主要结论：(1)各方案下土体的累计夯沉量随夯击能基本呈三阶段变化,即先快速增加、后缓慢增加、最后趋于稳定,夯击能的有效利用率呈现逐渐降低的趋势。(2)不同土层厚度时土体的最佳夯击能分别为100N·m、120N·m和140N·m,对应土体的夯沉量分别为18mm、32mm、53mm,均约占相应总夯沉量的二分之一,土层厚度直接影响夯击能的有效利用,要达到相同的加固效果,土层厚度越大,所需夯击能越多。(3)综合土体的夯沉量、密度和抗剪强度的变化情况,夯击能以竖向作用为主、水平影响为辅,且存在一定的影响范围,持续增加夯击能无益于加固程度的提高,多余的能量以其他形式向外传递。