李 婕，馬富麗，白曉紅，b

(太原理工大學(xué) a.土木工程學(xué)院，b.巖土與地下工程山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

隨著我國(guó)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，建設(shè)用地緊張這一特殊性問(wèn)題日益突出。 “西部開(kāi)發(fā)”和“中部崛起”發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)一步加速了我國(guó)中西部地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)力度。山西省、陜西省等作為我國(guó)中西部黃土高原區(qū)域的主要省份，為解決建設(shè)用地緊張問(wèn)題都采取了“挖山填溝”“上山建城”等手段。這些地區(qū)廣泛分布的黃土，常常被用作地基、路堤和機(jī)場(chǎng)等建筑場(chǎng)地的回填材料[1]。黃土作為典型的特殊土之一，工程性質(zhì)復(fù)雜。工程建設(shè)中所使用的重塑黃土，改變了天然黃土原有的結(jié)構(gòu)以及物理力學(xué)特征[2-3]。在大量的填挖方工程中，由于建筑面積和工程量巨大，要保證黃土的填筑壓實(shí)質(zhì)量實(shí)屬不易。而在擊實(shí)過(guò)程中，含水量的控制常常會(huì)影響填土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。目前已有的報(bào)道大多是針對(duì)含水量對(duì)填土壓縮特性、抗剪強(qiáng)度或土水特征影響的研究[4-6]。但在室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，不同的擊實(shí)條件影響了土體能量傳遞的效果，含水量的變化影響更不容忽視。通過(guò)土中壓力測(cè)試，從應(yīng)力傳遞的角度對(duì)土體的壓實(shí)特性進(jìn)行評(píng)價(jià)的概念雖然已在路基、壩體等工程中得到了應(yīng)用[7]，但國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)擊實(shí)過(guò)程中壓力測(cè)試的研究還很少。因此有必要從該角度出發(fā)探究擊實(shí)能累加過(guò)程，在不同擊實(shí)條件下土中應(yīng)力的傳遞規(guī)律，為控制填土工程質(zhì)量提供指導(dǎo)。

綜上，本文選取山西省某工地黃土狀粉土(典型黃土地質(zhì)區(qū)域的粉土)進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，研究在不同擊實(shí)含水量和擊實(shí)能條件下的土底壓應(yīng)力變化規(guī)律，以期為今后黃土地區(qū)填土工程質(zhì)量評(píng)價(jià)提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)用土

本文土樣取自山西省忻州市某工地，將其自然風(fēng)干，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999)》[8]進(jìn)行土體基本物理性質(zhì)指標(biāo)測(cè)試，結(jié)果列于表1.按規(guī)范可定名為粉土[9]。

表1 試驗(yàn)用土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Indexes of basic physical properties of soil used in the test

2 室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-1999)》[8]規(guī)定的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)方法進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)選取三種擊實(shí)能(E)即：1 208.2 kJ/m3，2 013.7 kJ/m3和2 684.9 kJ/m3，每種擊實(shí)能下依據(jù)土樣塑限預(yù)估含水量配置設(shè)置5個(gè)不同的擊實(shí)含水量，相鄰兩種含水量的差值為2%左右。分三層進(jìn)行擊實(shí)，每層最終擊實(shí)厚度約為38 mm.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1給出了本次試驗(yàn)工況下不同擊實(shí)能條件下的擊實(shí)曲線，由此獲得不同擊實(shí)能所對(duì)應(yīng)的最大干密度與最優(yōu)含水量列于表2.

從圖1與表2可以看出不同擊實(shí)能條件下，土樣干密度隨擊實(shí)含水量的增加先增加后減小。峰值所對(duì)應(yīng)的擊實(shí)含水量為最優(yōu)含水量(wop)，此時(shí)的干密度為最大干密度(ρd).且擊實(shí)能越大其最優(yōu)含水

圖1 不同擊實(shí)能下的擊實(shí)曲線Fig.1 Curves of compaction under different compaction energy

表2 不同擊實(shí)能下的最優(yōu)含水量與最大干密度Table 2 Optimal water content and maximum dry density under different compaction energy

量越小，最大干密度越大，符合一般細(xì)粒土的壓實(shí)特性[10]。在最優(yōu)含水量偏干側(cè)(wop減2%左右)及最優(yōu)含水量條件下土樣干密度先隨擊實(shí)能增大而增大，然后趨于平緩，表明了“經(jīng)濟(jì)擊實(shí)功”的存在[11]。而在最優(yōu)含水量濕側(cè)(wop加2%左右)干密度隨擊實(shí)能增加基本為緩慢增加，如圖2所示。無(wú)論擊實(shí)含水量是偏干還是偏濕，土樣干密度均隨擊實(shí)能增加而增大；但在最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)，這種增大趨勢(shì)逐漸變平緩，與楊晶等[12]的發(fā)現(xiàn)相一致，而最優(yōu)含水量濕側(cè)干密度隨擊實(shí)能增大變化持續(xù)增加。在一定含水量條件下，隨著含水量增大，水分在顆粒間起到潤(rùn)滑作用，在擊實(shí)作用下土樣變密實(shí)，干密度變大。但當(dāng)含水量過(guò)大時(shí)，粉土顆粒與水膠結(jié)作用較差[13]，孔隙中充當(dāng)潤(rùn)滑作用的水分出現(xiàn)剩余，擊實(shí)能部分被孔隙水消耗，從而無(wú)法有效擊實(shí)土體，因此繼續(xù)增加擊實(shí)能土體干密度變化不明顯[14]。同時(shí)過(guò)大的擊實(shí)能會(huì)破壞土體原本顆粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土顆粒破碎，破碎特征與擊實(shí)能的大小以及土顆粒的礦物質(zhì)成分等有關(guān)[15]。

圖2 不同含水量下?lián)魧?shí)能與干密度關(guān)系曲線Fig.2 Curves of compaction energy and dry density under different water content

3 土底壓應(yīng)力測(cè)試

3.1 試驗(yàn)方法

為探討擊實(shí)過(guò)程中土中應(yīng)力傳遞規(guī)律，本文采用自主研發(fā)的土中應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)[16]對(duì)上述每組不同擊實(shí)能及含水量條件下的土樣在擊實(shí)過(guò)程中的土底壓應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)如圖3.基于對(duì)測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)性及數(shù)據(jù)可靠性的要求，本文在進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)只對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)過(guò)程中土體底部中央處的壓應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)試，即在擊實(shí)過(guò)程中，僅測(cè)讀當(dāng)擊實(shí)錘落于擊實(shí)桶正中央時(shí)(如圖3所示土壓力盒正上方時(shí))的壓力盒讀數(shù)。不同擊實(shí)能下的測(cè)試次數(shù)列于表3.

3.2 土底壓應(yīng)力測(cè)試結(jié)果及分析

3.2.1土底壓應(yīng)力與擊實(shí)作用時(shí)間關(guān)系

不同擊實(shí)能條件下每層土中擊實(shí)作用時(shí)間與土體底部中央壓應(yīng)力(以下簡(jiǎn)稱土底壓應(yīng)力)的關(guān)系極為類似，故以擊實(shí)能為1 208.2 kJ/m3，擊實(shí)含水量為7.5%的土樣擊實(shí)測(cè)試結(jié)果為例進(jìn)行分析。由于每層土中測(cè)試次數(shù)為3次，所以每層土有三條擊實(shí)作用時(shí)間與土底壓應(yīng)力的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖4).由圖4可知，在同一層土中，隨著擊實(shí)次數(shù)的增加土底壓應(yīng)力增大，擊實(shí)作用時(shí)間變短。當(dāng)土底壓應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)，擊實(shí)作用時(shí)間最短，此時(shí)土體為該條件下的最密實(shí)狀態(tài)。這是因?yàn)樵谕粚油林?，擊?shí)初期土顆粒較為疏松，介質(zhì)的連續(xù)性差，力的傳遞速度較慢，松散土體吸收能量，因此傳遞到土底的能量較小(如圖4中1-1曲線)。在土體逐漸密實(shí)的過(guò)程中，土體作為傳力介質(zhì)趨于穩(wěn)定，擊實(shí)能可以向土層深處傳遞，表層吸收能量減少[17]，土體剛度增大，力的傳遞速度加快，傳遞到土體底部的擊實(shí)沖擊力增大，因此土底壓應(yīng)力增大，作用時(shí)間減小(如圖4中1-3曲線)。

圖3 土底壓應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of soil bottom pressure measuring system

表3 每層土底壓應(yīng)力測(cè)試次數(shù)Table 3 Measuring times of bottom pressure for each layer of soil

圖4 擊實(shí)作用時(shí)間與土底壓應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 Curves of compaction time and soil bottom pressure

3.2.2含水量對(duì)土底壓應(yīng)力的影響

相同擊實(shí)能不同含水量條件下，土底壓應(yīng)力傳遞規(guī)律有所不同。圖5為不同擊實(shí)能條件下土底壓應(yīng)力隨鋪土層數(shù)和擊實(shí)次數(shù)的變化曲線。為保證數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性和分析過(guò)程的可比性，不同擊實(shí)條件下均取每次擊實(shí)過(guò)程中最大的土底壓應(yīng)力σmax進(jìn)行分析。

圖5 土底壓應(yīng)力隨鋪土層數(shù)及擊實(shí)次數(shù)的變化曲線Fig.5 Change curves of the bottom pressure with the number of layers and compaction times

表4 不同擊實(shí)能及含水量下土體空隙率一覽表Table 4 List of void fraction of soil under different compaction energy and water content

從圖5中可以看出，三種擊實(shí)能條件下的土底壓應(yīng)力σmax隨鋪土層數(shù)和擊實(shí)次數(shù)的變化規(guī)律基本相同。在同一擊實(shí)能下，對(duì)于第一層鋪土，當(dāng)擊實(shí)含水量≤wop時(shí)，σmax隨擊實(shí)次數(shù)的增大而提高。當(dāng)擊實(shí)含水量>wop時(shí)，σmax隨擊實(shí)次數(shù)的增加先提高后降低，并且在數(shù)值上明顯小于擊實(shí)含水量≤wop時(shí)的σmax值。對(duì)于第二、三層鋪土，當(dāng)擊實(shí)含水量≤wop時(shí)，σmax在前三擊時(shí)隨擊實(shí)次數(shù)的增加而提高，之后基本保持不變；當(dāng)擊實(shí)含水量>wop時(shí)，σmax值隨擊實(shí)次數(shù)的變化不明顯。同時(shí)，無(wú)論擊實(shí)含水量如何變化，σmax的值隨著鋪土層數(shù)的增加而減小，且第一層鋪土條件下的σmax明顯大于第二層鋪土的σmax值。

室內(nèi)擊實(shí)過(guò)程中，土體中的水分不易排出，擊實(shí)能作用于土體，排出孔隙間的氣體使土體變密實(shí)[17]。給定擊實(shí)能下，當(dāng)擊實(shí)含水量≤wop時(shí)，土中孔隙氣和孔隙水均處于開(kāi)敞狀態(tài)，對(duì)于第一層鋪土，每一次擊實(shí)都可將土中的氣體排出，使土體密實(shí)，故而σmax隨擊實(shí)次數(shù)的增加而提高。當(dāng)擊實(shí)含水量>wop時(shí)，土中孔隙水屬于開(kāi)敞狀態(tài)，但孔隙氣處于封閉，空隙率極小(不同擊實(shí)能及含水量條件下的空隙率見(jiàn)表4)，擊實(shí)作用下無(wú)法排出更多的土中氣，而孔隙中的水不可壓縮，擊實(shí)能大多被孔隙水消耗，故σmax的值遠(yuǎn)小于同一條件下?lián)魧?shí)含水量≤wop時(shí)的值，且隨著擊實(shí)次數(shù)的變化不明顯[18]。第一層鋪土?xí)r，土層厚度較薄，擊實(shí)錘下落后與土壓力盒距離較近，土體吸收的能量較少，因此第一層的σmax值較大。但是當(dāng)繼續(xù)加大鋪土層數(shù)后，擊實(shí)次數(shù)大于一定值后(本試驗(yàn)為3～4擊)，在擊實(shí)能為2 684.9 kJ/m3條件下，第一層土擊實(shí)時(shí)得到的土底壓應(yīng)力隨擊實(shí)次數(shù)的增加而提高，但是當(dāng)擊實(shí)次數(shù)為3～4擊后，土底壓應(yīng)力趨于平緩。該擊實(shí)能下所得到的最大干密度為1.97 g/cm3，與2 013.7 kJ/m3擊實(shí)能下所得到的最大干密度1.95 g/cm3相差無(wú)幾，所以當(dāng)土體密實(shí)度達(dá)到一定程度，再增加擊實(shí)次數(shù)時(shí)，孔隙中氣體的排出量減小，土體密實(shí)程度提高緩慢，σmax值變化不明顯。且鋪土層數(shù)增大，擊實(shí)錘作用面與土底壓力盒的距離增加，力的傳遞路徑變長(zhǎng)，擊實(shí)能被土體消耗，故作用于土底的壓應(yīng)力隨鋪土厚度的增加而減小。標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)中的擊實(shí)能為單位體積累積能量(即通過(guò)改變錘擊數(shù)來(lái)改變能量大小)，在含水量不變的條件下，使土顆粒變密實(shí)所需能量一定(與該條件下粒間阻力相匹配)，當(dāng)達(dá)到一定擊實(shí)次數(shù)后，累積的擊實(shí)能剛好可以使土體形成該條件下穩(wěn)定的傳力介質(zhì)，因此σmax值隨擊實(shí)次數(shù)的增加總體變化不明顯。此時(shí)土體吸收能量極少，繼續(xù)增加錘擊數(shù)會(huì)造成能量浪費(fèi)。

3.3 土底壓應(yīng)力與壓實(shí)度關(guān)系

為研究不同含水量條件下土底壓應(yīng)力與壓實(shí)效果的關(guān)系，將不同擊實(shí)能與含水量條件下的σmax值與其對(duì)應(yīng)的壓實(shí)度進(jìn)行分析。為了減少由于可能存在的土顆粒對(duì)壓力盒產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象影響，以第二層擊實(shí)數(shù)據(jù)為例進(jìn)行分析。依據(jù)試驗(yàn)所得ρdmax計(jì)算每組工況下土樣壓實(shí)度，表5為不同擊實(shí)能及含水量下土體壓實(shí)度與σmax一覽表。

表5 不同擊實(shí)能及含水量下土體壓實(shí)度與σmax一覽表(以第二層擊實(shí)數(shù)據(jù)為例)Table 5 List of degree of compaction and σmax of soil under different compaction energy and water content

從表5可以看出，當(dāng)壓實(shí)度為1時(shí)，σmax值隨擊實(shí)能的增加而增大，但變化幅度并不明顯。由于土的多相性，其密實(shí)過(guò)程中，主要是孔隙體積減小和孔隙形態(tài)的變化起主導(dǎo)作用，當(dāng)土體形成穩(wěn)定的傳力介質(zhì)后不再吸收能量，而擊實(shí)能為累積體積能，故增加擊實(shí)次數(shù)不能有效提高土體密實(shí)程度。

圖6給出了不同擊實(shí)能和含水量條件下，土底最大壓應(yīng)力σmax值的變化(以第二層的擊實(shí)數(shù)據(jù)為例)。由圖可見(jiàn)，當(dāng)擊實(shí)含水量wop時(shí)，σmax隨擊實(shí)能變化較為平緩。以上現(xiàn)象說(shuō)明擊實(shí)含水量偏大時(shí)，增加的擊實(shí)能大部分被孔隙水消耗，傳遞到土體深處的能量減少[19]。當(dāng)擊實(shí)能達(dá)到一定值后，擊實(shí)作用可將土顆粒破裂，土樣密實(shí)程度將有所增加，導(dǎo)致土底壓應(yīng)力增大，但σmax的最大值不會(huì)超過(guò)最優(yōu)含水量及其偏干側(cè)值。而在擊實(shí)含水量偏干側(cè)與最優(yōu)含水量條件下，土中沒(méi)有過(guò)多的自由水，擊實(shí)能幾乎全部用來(lái)改變顆粒排列結(jié)構(gòu)，因此使土體更加密實(shí)，σmax較大。

圖6 不同含水量下?lián)魧?shí)能與σmax關(guān)系曲線 (以第二層擊實(shí)數(shù)據(jù)為例)Fig.6 Curves of compaction energy and σmax with different water content

不論擊實(shí)能為多大，在同一擊實(shí)能下，隨著擊實(shí)含水量的增加，最大的土底壓應(yīng)力在偏干側(cè)出現(xiàn)，而最大土底壓應(yīng)力在偏濕側(cè)出現(xiàn)陡降，如圖7(以第二層擊實(shí)數(shù)據(jù)為例)。但壓實(shí)度在偏干側(cè)與偏濕側(cè)變化幅度并不明顯(見(jiàn)表5).

圖7 不同擊實(shí)能下含水量與σmax關(guān)系曲線 (以第二層擊實(shí)數(shù)據(jù)為例)Fig.7 Curves of water content and σmax with different compaction energy

在土體密實(shí)過(guò)程中擊實(shí)錘需要克服土顆粒間的內(nèi)摩阻力與顆粒間粘結(jié)力做功，而這兩種力都是隨壓實(shí)度的增加而增大的[20]。但從上述試驗(yàn)現(xiàn)象已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，雖然壓實(shí)度接近，但土底壓應(yīng)力變化有明顯陡降。說(shuō)明在含水量適宜范圍內(nèi)(最優(yōu)含水量及其偏干側(cè))擊實(shí)過(guò)程中的能量大部分均用作克服粒間阻力，使土體變密實(shí)，表層逐漸密實(shí)后再向土體更深處傳遞擊實(shí)能，因此土底壓應(yīng)力變化幅度不大。但當(dāng)含水量超出合適的范圍(最優(yōu)含水量濕側(cè))，土顆粒間充斥大量孔隙水且無(wú)法壓縮，在室內(nèi)擊實(shí)過(guò)程中無(wú)法排出，在擊實(shí)過(guò)程中形成反向阻力，消耗大部分沖擊能量，使作用到土顆粒之間的力減小，顆粒排列無(wú)法更緊密，土體所形成的力的傳遞介質(zhì)相對(duì)疏松，傳遞到土底的壓強(qiáng)也隨之減小，因此土底壓應(yīng)力出現(xiàn)陡降。以上分析從能量傳遞的角度進(jìn)一步解釋了細(xì)粒土擊實(shí)原則。

4 結(jié)論與建議

本文通過(guò)測(cè)試不同擊實(shí)能和含水量條件下?lián)魧?shí)過(guò)程中土底壓強(qiáng)值的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論。

1) 土體越松散，擊實(shí)沖擊力在土中作用時(shí)間越長(zhǎng)，土底壓應(yīng)力越小。反之土樣越密實(shí)，沖擊力作用時(shí)間變短，土底壓應(yīng)力增大。當(dāng)土體達(dá)到該條件下最密實(shí)狀態(tài)時(shí)，土底壓應(yīng)力達(dá)到最大值，作用時(shí)間最短。因此，土底壓應(yīng)力值也可以評(píng)判土樣的密實(shí)程度。

2) 土體吸收能量達(dá)到所需克服的粒間阻力后，形成穩(wěn)定傳力介質(zhì)，不再吸收能量，因此對(duì)于累積擊實(shí)次數(shù)來(lái)獲得更大擊實(shí)能的擊實(shí)過(guò)程中不斷提高擊實(shí)次數(shù)獲取更大擊實(shí)能會(huì)造成能量浪費(fèi)。說(shuō)明，對(duì)于給定的土體，存在一個(gè)最優(yōu)的擊實(shí)能。

3) 相同擊實(shí)能條件下，擊實(shí)含水量大小對(duì)能量傳遞效果影響顯著。最優(yōu)含水量偏干側(cè)能量傳遞穩(wěn)定，最優(yōu)含水量偏濕側(cè)出現(xiàn)陡降段，壓實(shí)效果變差。

4) 相同擊實(shí)能和含水量條件下，土底壓強(qiáng)隨鋪土厚度增加而變小，說(shuō)明在對(duì)土體進(jìn)行擊實(shí)處理時(shí)，存在最優(yōu)的鋪土厚度，可以使擊實(shí)能的效率發(fā)揮到最高。