靜力壓實不同含水率紅砂巖粗粒土能耗規律試驗研究

彭勃，　楊建永，　溫樹杰， 潘建平，　吳建奇（江西理工大學，.建筑與測繪工程學院；.資源與環境工程學院，江西 贛州341000）

靜力壓實不同含水率紅砂巖粗粒土能耗規律試驗研究

彭勃a，楊建永b，溫樹杰a， 潘建平a，吳建奇a
（江西理工大學，a.建筑與測繪工程學院；b.資源與環境工程學院，江西 贛州341000）

為研究靜力壓實不同含水率紅砂巖粗粒土能量消耗規律，利用自制裝置在電子萬能試驗機上進行靜力壓實試驗，得到6種不同含水率紅砂巖粗粒土靜力壓實試驗的壓力-位移關系，分析含水率和壓實能量對紅砂巖粗粒土壓實特性的影響.結果表明：在相同的壓實能量作用下，當含水率為8.3%時，土體產生的壓實位移最大；土體干密度隨單位體積靜壓功增大而增加，兩者符合對數關系；土體靜力壓實的實質是擠出土中氣體，而不是擠出土中水分；含水率偏大將對土體的壓實產生不利影響.

紅砂巖粗粒土；靜力壓實試驗；能耗規律；含水率；單位體積靜壓功

0　引言

紅砂巖在江西、湖南、廣東、四川、貴州及云南等地區分布廣泛，被大量開挖用于路堤填筑形成紅砂巖填土路基，是山區公路建設中最常用的路堤填料.紅砂巖填土被壓實后，強度得到提高，然而過分壓實土體也將產生負面影響，例如，路堤土體易吸水而產生較大的側向位移；造成能量浪費、造價提高和工期延長；壓實能量過大易使土體結構破壞，最終對土體壓實產生不利影響.

國內外一些學者研究了土體在加固過程中的能量消耗情況，并取得了一些成果.英國人Head［1］提出 “適當壓實土”的概念 （proper compaction of soil），認為只有將土體在適當的能量下壓實，才能使土體達到最佳的工程效果；王釗等［2］研究了壓實能量對土體壓實效果的影響，分析了若采用較高壓實度要求，壓實能量將大幅增加的問題；莊艷峰等［3］推導了土體在壓實過程所需施加的能量，同時進行了具體的計算分析和比較；許國安等［4］通過試驗研究，對比研究了砂巖在加卸載試驗條件下的能耗特征；張黎明等［5］通過試驗研究，對比分析了不同應力路徑下，灰巖變形過程的能量消耗特征；張志鎮等［6］通過紅砂巖能量演化試驗，驗證所建立的自我抑制演化模型適用于巖石變形破壞峰前階段；楊建永等［7-8］通過擊實試驗，研究了沖擊能量與土體沖沉量、干密度之間的關系，探討了紅砂巖土體沖擊加固規律；羅嗣海等［9-10］通過室內單點夯擊實驗，實測了在4種夯擊能作用下的地面變形情況.

分析以上成果，可知目前主要通過室內擊實試驗研究土體在加固過程中的能量消耗規律，但對于土體在靜載條件下能量消耗規律的研究尚不夠深入，如靜力壓實過程中土體的壓力—位移關系、干密度增長特征以及壓實能量消耗規律等還不清楚.為評估紅砂巖粗粒土壓實能耗的經濟性，有必要進一步研究靜力壓實過程中土體含水率對壓實能量消耗規律的影響.因此，本文利用電子萬能試驗機，對紅砂巖粗粒土進行靜力壓實試驗，得到不同含水率土體靜力壓實過程中的壓力—位移關系，分析含水率、壓實能量對土體壓實效果的影響，為路基工程施工提供一定的指導.

1　試驗概況

試驗材料與試驗儀器同參考文獻［11］.根據試驗方案，確定試驗用土樣的含水率分別為4.3%、6.3%、8.3%、10.3%、12.3%、14.3%，分別向壓實試模內裝入這6種含水率的土樣.為確保各組試驗的條件一致，每組試驗均分3層加樣，每層加樣厚度均為30mm，土樣初始高度均為90 mm；為確保每層所加土樣顆粒級配的一致性，預先對所用土樣進行篩分處理.

按照土樣的風干含水率、試驗用含水率、松散堆積密度以及代表性顆粒級配，計算一個分層加樣試樣所需各粒組的風干土樣質量及達到試驗用含水率的加水量，保證每層土樣顆粒級配一致.將各粒組的風干土樣稱量好，平鋪于搪瓷盤內，然后將所需水量均勻噴灑在土樣上，用小鏟拌合均勻.在圓筒內壁上均勻涂抹一薄層凡士林，以減小靜力壓實過程中土粒與筒壁間的摩擦力.采用落雨法在試樣頂面30 mm處將土樣徐徐倒入壓實試模，讓土樣以自由落體落下，每層加樣后均平整土樣表面.裝好土樣后，用不透水塑料薄膜將壓實試模覆蓋，將土樣密封潤濕24 h.測定土樣的濕密度為1.52 g/cm3，計算得干密度為1.36 g/cm3.

靜力壓實試驗操作過程同參考文獻［11］.

2　試驗結果與分析

2.1不同含水率紅砂巖粗粒土壓實位移與壓實能量的關系

靜力壓實試驗中電子萬能試驗機自動量測并采集壓頭對土樣的壓力和土樣的壓實位移，將采集到的31321個連續數據點繪制成曲線，得到不同含水率土樣所受壓力與土樣壓實位移之間的關系曲線，如圖1所示.

圖1　不同含水率紅砂巖粗粒土壓力與壓實位移關系曲線

本文采用“壓實能量”來衡量不同條件下土體的靜力壓實耗能特性，壓實能量的計算數值能夠反映不同條件下土體靜力壓實過程中的能耗規律.其實試驗機對土樣所做的功就是靜力壓實過程所消耗的總壓實能量［13］，則土樣在產生壓實位移si時試驗機對土樣所做功Wi可表示為

式（1）中：F為試驗機對土樣的壓力，s為土樣在靜力壓實過程中的壓實位移.

分別對6種不同含水率土樣所受壓力—壓實位移曲線（圖1）依據式（1）進行積分，將得到壓實能量與壓實位移的關系曲線，如圖2所示.由圖2可知，土體壓實能量—壓實位移關系受含水率影響而呈現不同形式：當含水率在4.3%～8.3%范圍內時，在相同的壓實能量作用下，含水率越高，土體所產生的位移越大；當含水率在8.3%～14.3%范圍內時，在相同的壓實能量作用下，含水率越高，土體所產生的位移越小.由此可見，在相同的壓實能量作用下，在含水率為8.3%時，所產生的壓實位移最大.

圖2　不同含水率紅砂巖粗粒土壓實能量與壓實位移關系曲線

2.2不同含水率紅砂巖粗粒土應變與單位體積靜壓功的關系

考慮到在土的擊實試驗中，有“單位體積擊實功”這一概念［12］，本文與土的擊實試驗進行類比，提出“單位體積靜壓功”這一概念，以衡量土體在靜力壓實過程中單位體積土體的能量消耗情況.

設土樣的初始高度為H0，直徑為d，則土樣在產生壓實位移si時試驗機對土樣的單位體積靜壓功Ei的計算公式為

式（2）中：Wi為土樣在產生壓實位移si時所消耗的壓實能量；V0為土樣的初始體積.

同時需要指出，土樣產生應變εi時試驗機對土樣的單位體積靜壓功Ei亦可由下式計算

式（3）中：σ為土樣軸向壓應力；ε為土樣軸向應變

依據式（3）對土樣應力-應變關系曲線進行積分，或依據式（2），計算土樣的單位體積靜壓功，并繪制單位體積靜壓功與土體應變之間的關系曲線，如圖3所示.

圖3　不同含水率紅砂巖粗粒土應變與單位體積靜壓功關系曲線

從圖3中可以看出：盡管含水率不同，紅砂巖粗粒土靜力壓實過程中應變與單位體積靜壓功關系仍具有較強的規律性.當含水率在4.3%～8.3%范圍內時，在相同的單位體積靜壓功作用下，含水率越大壓實應變越大；當含水率在8.3%～14.3%范圍內時，在相同的單位體積靜壓功作用下，含水率越大壓實應變越小.此規律表明，土體在靜力壓實過程中存在一個最優含水率，當土體為最優含水率時，達到相同應變，將消耗較少的能量.

不同含水率紅砂巖粗粒土靜力壓實過程中應變與單位體積靜壓功之間的變化特征，與壓密階段、破碎階段和穩定階段相對應.在壓密階段，紅砂巖粗粒土孔隙迅速閉合，能量消耗較少，應變隨能量變化較快.在破碎階段，較大顆粒相互旋轉移動構成穩定骨架后，應力增加導致顆粒再次破碎，破碎顆粒不斷填充剩余孔隙.在穩定階段，土顆粒相互旋轉移動至緊密接觸狀態，土粒間基本處于穩定狀態.

由圖3可知，土樣應變與單位體積靜壓功關系基本呈對數曲線，故采用OriginPro 9.0軟件對6種含水率土樣應變與單位體積靜壓功關系曲線進行回歸分析，得出回歸方程如下：

含水率4.3%土樣：

y=0.05232+0.04043 ln（x+0.16548）R2=0.98449

含水率6.3%土樣：

y=-0.09054+0.06978 ln（x+3.62827）R2=0.99856

含水率8.3%土樣：

y=-0.02646+0.07022 ln（x+1.2856）R2=0.99246

含水率10.3%土樣：

y=0.02249+0.05831 ln（x+0.60067）R2=0.98954

含水率12.3%土樣：

y=0.03096+0.04421 ln（x+0.43493）R2=0.9908

含水率14.3%土樣：

y=-0.05316+0.04862 ln（x+3.84407）R2=0.99041

從回歸方程中可看出，雖然土樣含水率不同，但土體應變與單位體積靜壓功都近似呈對數關系，而且決定系數R2都在0.98以上，試驗結果的收斂性較好.故在靜力壓實過程中，紅砂巖粗粒土應變與單位體積靜壓功關系為

式（4）中：ε為土體應變；E為土體單位體積靜壓功；a，b，c為回歸系數，且隨含水率的不同而不同.

2.3不同含水率紅砂巖粗粒土干密度與單位體積靜壓功的關系

土樣在產生壓實位移si時干密度ρdi的計算公式為

式（5）中：ρ為土樣的濕密度，ω為土樣的含水率，M為土樣的質量，d為直徑，H0為土樣的初始高度，si為土樣在壓力Fi作用下的壓實位移.

將試驗機采集到的壓實位移si代入式 （5），并結合圖3，可得不同含水率紅砂巖粗粒土干密度與單位體積靜壓功之間的關系曲線，如圖4所示.并將各組試驗的單位體積靜壓功與土樣干密度進行整理，得到不同含水率紅砂巖粗粒土在相同單位體積靜壓功下的干密度比較如表1所示，不同含水率紅砂巖粗粒土壓實到相同干密度所消耗的單位體積靜壓功的比較如表2所示，不同含水率紅砂巖粗粒土在相同單位體積靜壓功作用下干密度比較如圖5所示，不同含水率紅砂巖粗粒土達到相同干密度時所消耗的單位體積靜壓功比較如圖6所示.

圖4　不同含水率紅砂巖粗粒土干密度與單位體積靜壓功關系曲線

表1　不同含水率紅砂巖粗粒土在相同單位體積靜壓功下的干密度比較 /（g·cm-3）

表2　不同含水率紅砂巖粗粒土壓實到相同干密度所需單位體積靜壓功的比較 /（kJ·m-3）

圖5　不同含水率紅砂巖粗粒土在相同單位體積靜壓功作用下的干密度比較

圖6　不同含水率紅砂巖粗粒土達到相同干密度時所消耗的單位體積靜壓功比較

土體干密度-單位體積靜壓功關系受含水率影響而呈現不同形式：當含水率在4.3%～8.3%范圍內時，在相同單位體積靜壓功下，含水率越高，土體的干密度越大；將不同含水率土體壓實到相同干密度，含水率越大，所需的單位體積靜壓功亦越小.當含水率在8.3%～14.3%范圍內時，在相同單位體積靜壓功下，含水率越高，土體的干密度越??；將不同含水率土體壓實到相同干密度，含水率越大，所需的單位體積靜壓功亦越大.

以上分析結果表明，當含水率在4.3%～8.3%范圍內時，土中水分較少，包裹于土顆粒表面的水膜能夠降低土顆粒之間的吸引力，水分填充于土顆粒之間可起到潤滑作用，土的內摩擦角減小，靜力壓實功能克服粒間引力而使土粒相互位移，重新排列成緊密結構，高含水率土樣中水分比低含水率土樣多，更有利于土體的壓實；當含水率在8.3%～14.3%范圍內時，土的含水率較大，填充于土顆粒之間的水分過多時，土?？紫吨械臍怏w處于與大氣不連通的狀態，水分越多，孔隙中的氣體排出越困難，靜力壓實作用已無法將氣體排出土體之外.故在土體靜力壓實過程中，存在最優含水率，當土體的含水率為最優含水率時，在相同單位體積靜壓功下可得到最大干密度，最有利于土體的壓實；同時為把土體壓實到某一特定干密度，在最優含水率時所消耗的單位體積靜壓功最少，有利于減少靜力壓實過程中的能量消耗.

由圖4可知，土樣干密度與單位體積靜壓功關系基本呈對數曲線，故采用OriginPro 9.0軟件對6種不同含水率土樣干密度與單位體積靜壓功關系曲線進行回歸分析，得出回歸方程如下：

含水率4.3%土樣：

y=1.40892+0.09071 ln（x+0.65239）R2=0.98135

含水率6.3%土樣：

y=0.66678+0.22633 ln（x+23.19632）R2=0.99968

含水率8.3%土樣：

y=0.84188+0.23957 ln（x+8.6464）R2=0.99928

含水率10.3%土樣：

y=1.1145+0.17899 ln（x+3.88564）R2=0.99823

含水率12.3%土樣：

y=1.29894+0.10574 ln（x+1.70063）R2=0.99777

含水率14.3%土樣：

y=0.99991+0.12921 ln（x+23.09001）R2=0.98186

從回歸方程中可看出，雖然土樣含水率不同，但干密度與單位體積靜壓功之間都近似呈對數關系，而且決定系數R2都在0.98以上，試驗結果的收斂性較好.故在靜力壓實過程中，紅砂巖粗粒土干密度與單位體積靜壓功關系為

式（6）中：ρd為土體干密度；E為土體單位體積靜壓功；a，b，c為回歸系數，且隨土體含水率的不同而不同.

2.4靜力壓實紅砂巖粗粒土干密度與含水率的關系

由表1可繪制出不同單位體積靜壓功作用下紅砂巖粗粒土干密度—含水率曲線，如圖7所示.對圖7（靜力壓實曲線）進行分析，可得出土體的靜力壓實規律如下:

1）在一定的單位體積靜壓功作用下，只有當土的含水率為某最佳值時，土樣才能被壓實到最密實狀態.因此在靜力壓實曲線上將出現一峰值，峰值所對應的橫坐標為最優含水率，對應的縱坐標為最大干密度.本試驗所選用的紅砂巖粗粒土最優含水率為8.3%，在各單位體積靜壓功作用下最大干密度各不相同，詳見表1.

2）當含水率低于最優含水率時，干密度受含水率的影響較大，水填充于土顆粒之間可起到潤滑作用，包裹于土顆粒表面的水膜使土粒間距增加，土顆粒之間斥力增加而吸力減小，同時土的內摩擦角減小，土顆粒在靜力壓實能量作用下易發生相對位移，排列成緊密結構；當含水率高于最優含水率時，填充于土顆粒間的水分過多，在靜力壓實過程中，土顆粒間的氣體處于與大氣不連通的狀態，靜力壓實作用不易將氣體排出，水分越多，顆粒間的氣體排出越困難.當土體在偏濕狀態時，干密度受含水率的影響也大，但不及土體偏干狀態.因此，靜力壓實曲線左段的坡度比右段的陡.

3）在土的靜力壓實過程中，土中的氣體容易通過土粒間的相互位移而排出，但土中水分在短時間的加載過程中不易排出.因此，土體靜力壓實的實質是擠出土中氣體，而不是擠出土中水分.

4）增大單位體積靜壓功，土顆粒在相互位移過程中能克服較大的粒間阻力，土體擠壓更為密實，從而使土的最大干密度增加；同時土中水分的潤滑作用相對而言并沒有那么顯著，故最優含水率隨著單位體積靜壓功的增大而減小.同時，含水率較低時，增大單位體積靜壓功對土體干密度的影響較為顯著；含水率較高時，增大單位體積靜壓功對提高土體干密度的效果不明顯.故含水率偏大對土體的壓實將產生不利影響.

圖7　紅砂巖粗粒土干密度—含水率關系曲線

3　結論

通過對6種不同含水率紅砂巖粗粒土進行靜力壓實試驗，得到土樣的壓力-位移曲線，分析壓實能量與土體壓實位移、壓實應變、干密度的關系，總結含水率對土體靜力壓實能量消耗規律的影響，得出以下結論：

1）不同含水率紅砂巖粗粒土壓實位移隨壓實能量的增長而增加；在相同的壓實能量作用下，土體的壓實位移隨含水率變化表現出一定規律：在本文選定的6種含水率當中，當含水率為8.3%時，土體產生的壓實位移最大.

2）不同含水率紅砂巖粗粒土在靜力壓實過程中，土體干密度隨單位體積靜壓功增大而增加，兩者符合對數關系：ρd=a+bln（E+c）.此關系式揭示了不同含水率紅砂巖粗粒土在靜力壓實過程中的能量消耗規律.

3）只有當土的含水率為最優含水率時，土體才能被壓實到最密實狀態.此規律與采用擊實試驗方法所得到的規律一致.在靜力壓實試驗方法下，本次試驗所采用的紅砂巖粗粒土最優含水率為8.3%.

4）靜力壓實曲線左段的坡度比右段的陡.此規律表明，土體靜力壓實的實質是擠出土中氣體，而不是擠出土中水分.

5）當土體含水率高于最優含水率時，增大單位體積靜壓功對提高土體干密度的效果不明顯.故含水率偏大將對土體的壓實產生不利影響.

［1］Head K H.Manual of Soil Laboratory Testing［M］.London:Pentech Press，1980.

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Experimental study of energy evolution of coarse-grained red sandstone soil under static loading conditions

PENG Bo，YANG Jianyong，WEN Shujie，PAN Jianping，WU Jianqi

（School of Architectural and Surveying&Mapping Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China）

To study energy evolution of coarse-grained red sandstone soil under static loading conditions，static load compaction tests were conducted by using an electronic universal testing machine.Stress-displacement relations of coarse-grained red sandstone soilwere obtained and the effects ofmoisture contentand compaction energy on compaction property were analyzed.The results show that under the same compaction energy，when the moisture content is 8.3%，the soil gets largest displacement；the relationship between unit-volume static compaction work and dry density can be described as logarithm relation；the essence of static compaction of soil is extruding soil gas，not squeezing out the moisture from the soil；the general moisture content has an adverse effecton the compaction of soil.

coarse-grained red sandstone soil；compaction test；energy evolution；moisture content；unitvolume static compaction work

TU441

A

2095-3046（2015）05-0028-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.05.006

2015-08-27

國家自然科學基金項目（51204076，51304084）；江西省自然科學基金項目（20122BAB206035）；江西省教育廳科技項目（GJJ13408）

彭勃（1988-），男，助理實驗師，主要從事巖土工程方面的研究，E-mail：258921432@qq.com.