紅砂巖土中夯擊能的加固模式與加固范圍研究

楊建永， 潘澤真

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州341000)

紅砂巖土中夯擊能的加固模式與加固范圍研究

楊建永， 潘澤真

(江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州341000)

利用相同單擊夯擊能，通過改變土層厚度和擊數對贛南地區紅砂巖土進行室內單點沖擊試驗，采用自制小環刀取土測試不同位置土體的密度.試驗結果表明，土體的累計沉降量與累計夯擊能基本符合y=Ax/(1+Bx)的關系;夯擊能在土中的傳播存在著一定的影響深度，且隨著能量的增加在一定范圍內是逐漸增加的，但增長的幅度是逐漸減小的;在夯擊能量的作用下，土體密度的變化在豎直平面內近似橢圓形分布;基于土體密實度改變的特點和沉降量與加固深度的關系，推導出加固深度和加固寬度的理論計算公式.

紅砂巖土;土層厚度;擊數;密度;加固范圍

0 引 言

紅砂巖，作為在我國廣泛分布的巖石之一，被大量開采用于回填各類地基，形成紅砂巖土地基，該類地基厚度大、不均勻，強夯法[1]常被用于加固這類地基，實踐證明加固效果顯著.沖擊荷載作用下紅砂巖土將會產生變形，其物理力學指標也會發生一系列的變化，進而影響地基承載能力的大小，如何確定地基的承載力是否達到工程建設的需要，成為一道技術難題.要攻破這一難題，首先要解決的問題是弄清紅砂巖土中夯擊能的作用機理，而關于這一方面已有研究人員和學者做了一些研究工作[2-5];接下來就需要弄清紅砂巖土在沖擊荷載作用下其各種物理力學指標是如何變化的以及各種參數的變化與夯擊能的關系，針對這個問題目前也有一些有意義的研究成果[6-11];在完成前面兩項工作以后，我們就可以確定夯擊能在紅砂巖土中的加固分區及其特征，更重要的是夯擊能在紅砂巖土中究竟傳遞了多深以及多大范圍內的土被加固.

關于紅砂巖土中夯擊能的加固范圍，已有不同學者進行過相關研究工作，曾中林、李亮等[12]通過對常吉高速公路湘西段紅砂巖填筑路基進行現場強夯試驗，分析了不同強夯能量作用下路基沉降和動應力的傳播規律，得出紅砂巖填筑路基的有效加固深度.段仲沅、黃保錦等[13]結合新近回填的紅砂巖碎(塊)石地基處理工程實踐，通過預埋沉降板和現場測量，研究了地表及深層土體的變形規律并確定其實際有效加固深度.謝海濤等[14]對紅砂巖碎石土高填方路堤進行室內強夯模型試驗，通過對試驗結果的分析，得到了紅砂巖碎石土中強夯的有效影響深度和有效影響半徑.

筆者旨在前人研究成果的基礎上，對紅砂巖土中夯擊能的加固模式與加固范圍進行研究，以期能夠解決上述難題并為現場施工設計提供參考.

1 試驗方案

試驗用土為贛州市經濟開發區紅砂巖填土，利用烘干法測得試驗用紅砂巖土的天然含水率為4.2%.通過篩分析實驗，控制土顆粒的最大粒徑不超過10 mm，使紅砂巖土顆粒組分均勻，級配良好.采用液塑限聯合測定儀測定土樣的液限和塑限分別為25%～30%和8%～13%.根據土的塑限預估其最優含水率，設計分組試驗，在標準重型擊實試驗方法下測定試驗用土的最大干密度及最優含水率分別為2.06 g/cm3和9.6%;試驗前對土樣進行配水，確保實驗過程中土樣始終處于最優含水率狀態，加水濕潤土樣應基于稱重控制法，灑水時應均勻，以保證濕潤效果.

試驗儀器:①室內擊實儀:錘重4.5 kg，擊錘落距450mm，擊錘直徑50mm;②擊實筒φ152mm×170mm，套筒φ152 mm×50 mm，墊塊φ152 mm×50 mm.

擬定試驗方案:①土層厚度為H/3;②土層厚度為2H/3;③土層厚度為H;3種方案下的錘重均為4.5 kg，落距均為0.450 m，單擊能同為20 N·m，擊數均設置為5、10、15、20、25擊;試驗過程中只加套筒不加墊塊.其中H為擊實筒高度與套筒高度之和.

沉降量測量:采用小剛尺測量土體的沉降量，每擊后用小剛尺測量夯坑底附近四點的深度值，并取四點深度的平均值作為每擊后土體的最終沉降量.

密度測點布置:水平方向自擊實簡中心沿徑向布置，相鄰測點間隔3.0 cm;垂直方向從上到下第一層測點位于坑底中心處，其他各層測點的布置情況因土層厚度的不同而不同.不同土層厚度時各測點的布置情況如圖1所示，采用自制小環刀(內徑2.5 cm，高2 cm，體積為9.82 cm3)取土測試不同位置土體的密度，取土時環刀中心分別與測點A、B、C點對應，測點A、B、C分別距離夯坑中心0 cm、3.0 cm、6.0 cm.

圖1 密度測點布置圖/cm

2 試驗結果與分析

2.1 土體沉降量與能量消耗規律分析

不同土層厚度時夯沉量隨夯擊能的變化曲線如圖2所示.從試驗結果可以得出:

圖2 不同土層厚度時夯沉量隨夯擊能變化曲線

1)單擊夯沉量隨著夯擊能的增加而減少;累計夯沉量隨著夯擊能的增加而增加，但增長幅度隨夯擊能的增加而逐漸減緩.從能量消耗的角度分析，把整個紅砂巖土看作某個系統，保持單擊夯擊能不變時，持續增加累計夯擊能，系統會向更加穩定的平衡狀態發展，但這種發展趨勢逐漸減慢，夯擊能用于提高系統平衡狀態程度的能量逐漸減少，向外發散傳遞的能量逐漸增加.

2)不同方案下前幾擊的累計夯沉量增幅均較大，并且隨著土層厚度的增加呈現明顯推后的現象;土層厚度越大，最終夯沉量也越大.由此可知，隨著夯擊能的不斷增加，不同土層厚度的土體在同一時刻的加固程度明顯不同、消耗的能量明顯不同;要達到相同的沉降量，土層厚度越大，消耗的能量越少.在沖擊荷載的作用下，夯擊能對土體的加固作用存在著一定的影響范圍，并且土層厚度不同，其影響范圍也不同.

3)對各方案下的累計夯沉量隨累計夯擊能的變化進行擬合與分析，得到如下關系曲線:

由上可知，各方案下的累計夯沉量與累計夯擊能之間基本符合函數關系式y=Ax/(1+Bx)的關系，且決定系數都達到96%以上，因此可由關系方程估算出夯擊能所對應的土體夯沉量，具有一定的參考意義，擬合曲線圖2中已繪出.

2.2 土體密度變化與能量消耗規律分析

紅砂巖土為多孔隙、非飽和的粗顆粒土，在沖擊荷載的作用下會產生較大的瞬時沉降，密實度得到提高.圖3、圖4和圖5是不同土層厚度時各測點的密度隨測點深度的變化情況.

1)在保持單擊夯擊能不變的條件下，隨著累計夯擊能的增加，A點的密度總是大于相同測點深度處B點和C點的密度，并且與夯前相比A點密度的變化明顯大于B點和C點的.這說明在夯擊能量的作用下土體被壓實，密實度得到了提高;在加固形式上，能量是以豎向作用為主，水平影響為輔.夯坑中心處土體的密度隨著測點深度的增加而減小;水平方向上距離夯坑中心越遠，土體密度越小，這意味著無論沿深度方向還是水平方向，夯擊能量在土體中傳遞都表現出逐漸衰減的特性.

2)對于相同土層厚度的土體，沿深度方向，A點的密度隨著夯擊能量的增加而增大;B、C點的密度隨著夯擊能量的增加而增大，而表層兩測點的密度卻隨著夯擊能量的增加而減小.從中可知，夯擊能量越大，傳遞并用于提高土體加固程度的能量越多，然而，夯擊能對土體的加固作用存在著一定的影響范圍，隨著土體加固程度的不斷提高，作用中心處一定范圍內的土逐漸形成硬殼層，土體的加固程度不再繼續提高反而會慢慢降低，持續增加夯擊能量無益于土體加固程度的提高，反而導致多余的能量向外發散，造成能量的有效利用率降低并使原來被加密的土體被振松.

對于不同土層厚度的土體，在夯擊能量相同的條件下，相同測點深度處各測點的密度隨土層厚度的增加而減小，這說明夯擊能量相同時，土層厚度的大小直接影響著土體中能量的傳遞，最終表現為不同土層厚度的土體在同一時刻的加固程度明顯不同，換言之，要使土體達到相同的加固程度或加固范圍，在能量需求方面土層厚度較小的顯然要少于土層厚度較大的.

圖3 土層厚度H/3時密度隨測點深度變化曲線

圖4 土層厚度2H/3時密度隨測點深度變化曲線

圖5 土層厚度H時密度隨測點深度變化曲線

2.3 土體密度變化與加固范圍分析

1)由土體沉降量和A、B、C點密度隨測點深度的變化與能量的消耗規律分析可知:對于相同土層厚度的土體，在單擊夯擊能一定的條件下，隨著累計夯擊能的增加，土體的影響深度在一定范圍內是逐漸增加的，但增長的幅度是逐漸減小的.從夯擊能對土體加固的過程進行分析，第一階段，紅砂巖土為多孔隙、非飽和的粗顆粒土，在夯擊能量的作用下，土體會發生較大的瞬時沉降，土中的氣相被逐漸排出，此過程中土體密實度增長很快，影響深度也很快增加;第二階段，土體顆粒由任意排列狀態呈現出定向排列并相互靠攏，間距越來越小，較大顆粒土被慢慢擠碎，土體的密實度繼續增加，此過程中土體密實度增加較快，影響深度較快增加;第三階段，土體顆粒進一步相互靠攏、擠密并逐漸趨于穩定，此過程中土體密實度增加緩慢并收斂于某一穩定值，隨著夯擊能量的不斷增加，表層振動明顯，周圍土體出現振松，密實度減小，說明用于加固土體的有效能量越來越少，土體的影響深度不再繼續增加，也慢慢趨于某一穩定值.

對于不同土層厚度的土體，在相同的夯擊能量作用下，土層厚度越大，相同測點深度處土體的密度越小，說明土體在該處的加固程度更低，能量在此處消耗得更少，剩余能量則向土體深處傳遞，影響深度則越大.

2)對于相同土層厚度的土體，B、C點的密度隨著夯擊能量的增加而增大但表層兩測點的密度卻隨著夯擊能量的增加而減小;同一水平位置處，B、C點的密度隨著測點深度的增加先增大后減小，這說明夯擊能量越大，側向擠壓作用越明顯，土體的加固程度更高，影響寬度更大，并且土體的影響寬度沿深度方向先增大后減小，其變化趨勢在豎直平面內近似橢圓形.

對于不同土層厚度的土體，在相同的夯擊能量作用下，土層厚度越大，各層B、C點的密度沿深度方向的變化越緩慢，反映在影響寬度上則表現為更大范圍內的土體被加固.

2.4 土體中夯擊能的加固模式與加固范圍計算

1)土體中夯擊能的加固模式

綜合土體沉降變形量與能量消耗規律、土體密度變化與能量消耗規律和土體橫、豎向密度變化與加固范圍等多方面的分析，可以總結得出土體在夯擊能量作用下的加固分區.

如前所述，多孔隙、非飽和的紅砂巖土在巨大的夯擊能量作用下會產生較大的瞬時沉降，作用中心土體形成土塞向下運動，形成一定深度的夯坑;隨著夯擊能量的不斷增加，土體越來越密實，側向擠壓作用也愈發明顯，土體被豎向壓密，也被側向擠密，然而土體的密實程度并不是持續提高的，繼續增加夯擊能量，土體的密實程度反而慢慢地降低，主要是因為夯擊能在土體中的加固作用存在著與之相對應的有效加固深度和寬度，由這兩者所包圍形成的區域為主加固壓實區，即A區;A區外為B區，該區土體未被充分壓實，因而稱之為加固影響區;C區為松脹區，這是由于在夯擊能量的不斷作用下，夯錘下方的土體越來越密實，側向擠壓作用越來越明顯，表層振動也變得強烈，表層土體被振松，加上部分土體從底部往上發生隆起所致.圖6為夯擊能在土體中的加固模式圖.

圖6 夯擊能加固模式圖

2)加固范圍理論計算公式推導

基于上述土體中夯擊能的加固模式圖，根據“等質量、同體積”的原則對夯擊能在紅砂巖土中的加固范圍進行理論計算公式的推導.假設松脹區完全由表層振動所引起，那么，夯坑形成的同時土中必有與之等體積的孔隙會消失，而土的干密度最能反映這種變化。下面以土體密實度的提高為依據，討論計算夯擊能的加固范圍.

設第一次夯擊后，主加固壓實區的體積為V1，則加固前的體積為V1+πR2h1，由于夯前、夯后土中固體顆粒重M是不變的，那么夯前、夯后主加固壓實區土體的干容重分別為:

式(1)、式(2)中:R為夯錘半徑;h1為第一次夯擊后土體的沉降變形量;γd0為夯前土體的天然容重;γd1為夯后土體的干容重.

與夯前相比，夯后土體干容重的提高率為:

聯立式(1)、式(2)、式(3)可得第一次夯擊后主加固壓實區的體積為:

第二次夯擊后，主加固壓實區增加的體積為:

式(5)中:V2為第二次夯擊后主加固壓實區的總體積;h2為第二次夯擊后土體的總沉降量.

依此類推，可得第i次夯擊后主加固壓實區的總體積為:

式(6)中:hi為第i次夯擊后土體的總沉降量.

對土體整體而言，夯擊能的加固區形狀為長軸在圓柱形夯錘對稱軸上的橢球體，用橢球方程表達為:

式(7)中:i為夯擊次數;ξi為橢球中心的位置，即深度;ai為短軸，即加固半徑;bi為長軸.

由于橢球頂部被夯錘底面所切，故橢球通過夯錘邊緣的(R，hi)點，則有:

隨著夯擊次數的增加，夯坑邊緣會出現環狀裂隙，與橢球相切，該破裂面與z軸的夾角δ=45°-φ/2，φ為有效內摩擦角，則:

對橢球體進行體積積分，得:

聯立以上各式，可求得不同夯擊次數下土體加固范圍的計算公式(從夯前土體表面算起):

若從坑底算起，則:

3 結 論

文章針對單擊夯擊能相同，改變土層厚度和擊數時，夯擊能在紅砂巖土中的加固模式與加固范圍進行研究，得出以下結論:

1)不同方案下土體的累計沉降量隨累計夯擊能的變化基本符合y=Ax/(1+Bx)的關系.

2)要達到相同的沉降量，土層厚度越大，消耗的能量越少;夯擊能對土體的加固作用存在著一定的影響范圍，并且土層厚度不同，其影響范圍也不同.

3)紅砂巖土中夯擊能量是以豎向作用為主，水平影響為輔;夯擊能在土中的影響深度隨著能量的增加在一定范圍內是逐漸增加的，但增長的幅度是逐漸減小的.

4)在夯擊能量的作用下，土體密度的變化在豎直平面內近似橢圓形分布;基于土體密實度改變的特點和沉降量與加固深度的關系，推導出加固深度和加固寬度的理論計算公式.

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[14]謝海濤.紅砂巖碎石土填料室內強夯模型試驗[J].湖南交通科技，2010，36(2):53-54.

Research on reinforcement model and range of tamping energy in red sandstone soil

YANG Jianyong，PAN Zezhen
(School of Architecture and Surveying&Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

The indoor single-point impact test was done on red sandstone soil of southern Jiangxi by using the same tamping energy and changing the layer thickness and the tamp count，and the density of soil at different positions were tested by using homemade cutting ring.The results show that the relationship between cumulative settlement amount of soil and the cumulative tamping energy is in compliance with y=Ax/(1+Bx); there is a certain influence of depth in the soil for the transmission of tamping energy and it is increasing with energy within a certain range，but the growth rate is gradually reduced;the changes of soil density under tamping energy represent elliptical distribution approximately on the vertical plane;based on the change of the soil’s density and the relationship between the settlement amount and the reinforcement depth，the theoretical formula of reinforcement depth and width is deduced.

red sandstone soil;soil thickness;tamp count;density;reinforcement range

2095-3046(2015)01-0037-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.007

TU411

A

2014-08-08

國家自然科學基金資助項目(50869002);江西省教育廳資助項目(GJJ08290)

楊建永(1963- )，男，博士，教授，主要從事地基處理等方面的研究，E-mail:xgjy123@163.com.