（岩土工程专业论文）强夯动力荷载作用下红粘土的工程特性研究.pdf

中文摘要 摘要：红粘土是一类高液限粘土( 高塑性指数、大孔隙比) ，其工程性质与工 程中常遇到的粘性土有很大差别。目前，在红粘土分布地区修建机场、修筑公路 等工程建设活动日益增多，其工程性质的研究引起工程界的广泛重视。因此，深 入研究红粘土在动力荷载( 如强夯荷载) 作用下的物理力学特性具有重要意义。 本论文主要通过所拟定的多种方案的室内试验，对红粘土在静、动力荷载作 用下的物理和力学特性及其相关问题进行研究。首先，分别对红粘土原状样和重 塑样进行单轴固结压缩试验和三轴剪切试验。通过单轴固结压缩试验，研究静力 荷载作用下红粘土的固结变形特性，通过三轴剪切试验，研究红粘土的抗剪强度 特性。 然后进行红粘土击实试验，研究红粘土的击实特性影响因素。论文研究了击 实功( 击实锤的重量、击实次数) 、土的含水率、密实度、土样的抗剪强度之间的 关系。试验通过改变土样的含水率，得到土样的加固效果( 即压实度的变化) 、最 佳含水量值及最大干密度值。 最后通过动力三轴试验仪研究冲击荷载作用下红粘土的力学和变形特性。试 验方案选择包括侧限压力( 围压) 大小、冲击次数、冲击能量对红粘土变形和强 度的影响。重点分析冲击荷载作用下红粘土强度的变化( 弱化或改善) 。 关键词：红粘土；动力荷载；室内试验；工程特性 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t ：n e 翮d a y i sk i n do fh i g hl i q u i dl i m i tc l a y ( h i g hp l a s t i c i t yi n d e x ， l a r 2 ev o i dr a t i o ) ，i t se n g i n e e r i n gp r o p e r t yi sv e r yd i f f e r e n tw i t ht h ec o m m o n e o h e s l v e s o i l a tp r e s 耐，d i s t r i b u t e st h ea r e ai nt h er e dc l a yr o a de n g i n e e r i n gc o n s t r u c t l o n sa 1 1 d s oo nt oc o n s t m c tt h ea i r p o r t ，t oc o n s t r u c tt om o v ei n c r e a s e sd a yb yd a y , i t sp r o j e c t n a t u r e t sr e s e 鲫c hc a u s e st h ee n g i n e e r i n gw i d e l yt ot a k es e r i o u s l y t h e r e f o r e ，t h ed e e p r e s e a r c ho ft h er e dc l a y sf u n c t i o np h y s i c a lm e c h a n i c s c h a r a c t e r i s t i cu n d e rt h ed y n a m i c l o a d ( f o re x a m p l es t r o n gh a n gl o a d ) h a s t h ei m p o r t a n tm e a n i n g n 哟u g hm a n yk i n d so fp l a n e dr o o m ，m yp a p e rs t u d yt h er e dc l a y s p h y s l c s d l a r a c t e r i s t i c 、m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i ca n do t h e rr e l a t e dp r o b l e m s w h i c ha r eo p e r a t e d b vt h es t a t i ca i l dd y n a m i cl o a dt e s t s f i r s t ，u s et h eh er e dc l a yo r i g i n a lc o n d i t i o na n dt h e r e b u i l d i n gc o n d i t i o ns e p a r a t e l yt oc a r r yo nt h es i n g l ea x l es o l i d i f y i n gc o m p r e s s i o n t e s t a n dt h et h r e ea x l es h e a rt e s t t h r o u g ht h es i n g l ea x l es o l i d i f y i n gc o m p r e s s i o nt e s t ， r e s e a r c ht h er e dc l a y sc o n s o l i d a t i o nd e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i cu n d e r t h ef u n c t i o no ft h e s t a t i c1 0 a d t 1 1 r o u g ht h et h r e ea x l es h e a rt e s t ，s t u d i e st h er e dc l a y ss h e a r i n gs t r e n g t h c h a r a c t e r i s t i c t l l e i ic a r r i e so nt l l er e dc l a yc o m p a c t i o nt e s t ，s t u d i e st h er e dc l a y sc o m p a c t l o n c h a r a c t e r i s t i ci n f l u e n c i n gf a c t o rh a d t h em a t e r i a lt oi n d i c a t et h a ts t r i k e st h ew o r ko f r e s i s t a n c e ( c o m p a c t i o nh a m m e r sw e i g h t ，c o m p a c t i o nn u m b e r o ft i m e s ) ，t h ec a r t h m o i s t u r ec o n t e n t ，c o m p a c t n e s s ，a n dt h es o i ls a m p l es h e a r i n gs t r e n g t hh a v et h ev c r y d o s er e l a t i o n s h i p t h r o u g ht h ec h a n g eo ft h es o i ls a m p l e sm o i s t u r ec o n t e n t ，t h e t e s t o b t a i n st h es o i ls a m p l er e i n f o r c e m e n te f f e c t ( c o m p a c t n e s sc h a n g e ) ，t h eb e s tw a t e r ys i z e a sw e l la ss t r i k e st h ew o r ko fr e s i s t a n c et h er e a s o n a b l ev a l u e f i n a l l vu s et h ed y n a m i ct h r e ea x l es h e a rt e s tt or e s e a r c hi m p u l s i v el o a df u n c t i o n 叽d e rr e dc l a ym e c h a n i c sa n dd i s t o r t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h ee x p e r i m e n t a lp l a nc h 0 1 c e ( e n c i r c l e sp r e s s u r e ) i n c l u d i n g t h el a t e r a lr e s t r a i n i n gp r e s s u r et h es i z e ，t h ei m p a c tn u m b 髓 o ft i m e s t h ei m p a c t i n ge n e r g yt ot h er e dc l a yd i s t o r t i o na n dt h ei n t e n s i t yi n t l u 胁c e s e l e c t i v ea n a l y s i si m p u l s i v e l o a df u n c t i o ne a r t hi n t e n s i t yc h a n g e ( a t t e n u a t i o n 0 r i m p r o v e m e n t ) k e y w o r d s ：r e dc l a y ；d y n a m i cl o a d ；r o o mt e s t i n g ；e n g i n e e r i n g c h a r a c t e r i s t l c f 1 a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李帝邓 签字同期：刀曙年月j 日 新虢勺伊卜 导师签名：力乇厂r 、 签字日期：b o 湃6 月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李印叩 签字日期：呼 年月 f 日 5 9 致谢 本论文的工作是在我的导师白冰教授的悉心指导下完成的，白冰教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来自冰 老师对我的关心和指导。白冰教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学 习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向白冰老师表示衷心的谢意。 在论文选题的可行性论证中，得到了赵成刚、李涛、陈文化、王哲、赵伯明 等诸位教授的指导与帮助，在此表示感谢。 同时，陈立宏老师对我的试验工作给出了具体的指导，并提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，席连海、李永波等同学对我论文中的室内试 验研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 1 课题的提出和研究意义 1 概述 红粘土是碳酸盐岩石经热带亚热带红土化作用的产物，是一种典型的特殊土， 红粘土的比表面积大、颗粒之间相互吸附能力强，而且还由于游离氧化铁的胶结 作用，在天然状态下会形成牢固的团粒。红粘土广泛分布于我国南方云贵高原、 四川东部、两湖两广等地区。 红粘土是一类高液限粘土( 高塑性指数、大孔隙比) ，其工程性质与工程中常 遇到的粘性土有很大差别。目前，在红粘土分布地区修建机场、修筑公路等工程 建设活动日益增多，其工程性质的研究引起工程界的广泛重视。因此，深入研究 红粘土在动力荷载( 如强夯荷载、交通荷载) 作用下的物理力学特性具有重要意 义。 实际上，红粘土的工程性质非常复杂，而且水稳性极差。当红粘土含水量较 小时，往往表现出很高的强度。但其遇水后，强度迅速降低。当采用强夯法加固 红粘土地基时，红粘土的含水量、击实功大小等直接影响到它的加固效果，因此 揭示强夯击实功、红粘土含水量、压实度、饱和度、强度之间的相互关系十分必 要。此外，随着外部条件的改变( 例如水分的补给) ，强夯法加固后已经满足要求 的红粘土地基，其使用期问的变形和水稳定问题也是人们值得关注的问题。 关于强夯( 冲击) 荷载作用下黄土、杂填土、砂性土，甚至饱和软粘土动力 特性的室内试验以及现场测试资料已有很多，而针对红粘土，相关资料则比较少， 因此是一个很有前途的研究领域。 1 2 研究现状 1 2 1 红粘土的研究现状 炎热湿润气候条件下的石灰岩、白云岩等碳酸盐岩石经过长期的物理、化学 风化和红化作用而形成的一种呈褐红色、棕红色、紫红色和褐黄色等颜色的高塑 性粘土体，其液限一般大于5 0 ，这在工程分类中被定义为红粘土。其具有高含水 率、高塑性、高孔隙比、密度低、压实性差等不良物理性质，但却具有高强度、 中低压缩性、内摩擦角较小，粘聚力却较大，承载力较高等良好的工程性质。许 多研究表明，红粘土的上述特殊性质主要是由游离氧化铁形成的胶结作用和颗粒 间特殊的链接形式造成的。 对红粘土的研究最早可以追溯到上世纪二十年代之前，主要由外籍探险者来 到中国，重点为采集化石和研究黄土的成因，这罩的黄土，实际上就包括了现今 的第四纪黄土古土壤与新近纪含三趾马动物群的红粘土。我国最早见到有关的研 究是1 9 6 4 年全国第一届土力学及基础工程学术会议上发表的，由高岱、袁阮、余 培厚撰写的论文贵州红粘土的建筑性能。该文描述了贵州地区碳酸盐岩在湿热 多雨气候条件下发育形成的红色粘土的一些特殊工程性能：含水量高，孔隙比大， 塑性强，但却具有较高的力学强度和较低的压缩性。并首次将它作为一种特殊土 对待。2 0 世纪7 0 年代将它作为一种特殊土列入工业与民用建筑和地基基础设计 规范( t j 7 7 4 ) 。 黄质宏、朱立军( 2 0 0 4 年) 等人认为红粘土的力学特性与土体中应力变化过 程、应力状态有关，常规的直剪试验、三轴试验并不能真实地反应天然土层的初 始应力状态、应力应变和强度规律。所以他们采用不同应力路径试验来模拟土体 在实际受荷过程中的应力应变过程，并结合试验结果分析了红粘土的力学特性。 研究结果表明，在工程实践中应根据实际的受力情况、应力状态来确定相应的应 力路径，以j 下确、合理地测定红粘土的力学参数。 中南大学的肖智政和刘宝琛( 2 0 0 5 年) 通过对某建筑工地地基土的单轴固结 压缩和固结不排水三轴剪切试验研究，得出了其地基土一残积红粘土的固结压缩 特性，以及原状土和重塑土在不同围压下的破坏形式的变化，主应力差与轴向应 变之间的关系。该研究是很值得我借鉴和学习的。其试验结果如下： 原状土的压缩曲线大致可以分为三个阶段，即平缓段、陡降段和趋于重塑土 压缩曲线段。这种现象可以解释为当原状土在固结压力小于其结构屈服应力时， 压缩性较小；当固结压力达到并继续增大时，压缩性急剧增大，于是土的压缩曲 线出现了陡降段；而随着固结压力的进一步增大，原状土的压缩曲线与重塑土的 压缩曲线逐渐趋于一致。而重塑土的压缩曲线则基本上为一条直线。 原状和重塑的残积红粘土的破坏形式是不同的，原状土的破坏形式在低围压 下为脆性破坏，在外形上有明显剪切破坏面的痕迹；而重塑土以及高围压原状土 的破坏形式则是塑性破坏，在外形上为鼓胀破坏。不同围压下的曲线，原状土均 有波动，有明显的拐点，基本上无明显的峰值；而重塑土曲线波动不明显，为较 光滑的曲线；原状土在固结压力小于结构屈服压力时呈脆性破坏，应力一应变关 系为加工软化型；当固结压力大于结构屈服压力时呈塑性破坏，应力一应变关系 为加工硬化型。而重塑土在各级固结压力作用下都呈塑性破坏，应力一应变关系 为加工硬化型。 2 咖 n ，5 q o j ，口 丑 艇0 4 6 品们曲 懈 嘲 o 5 勺 窘 ； 三 a 口 鲁 ； 三 o 0曩d蛳咖 哪 ! a 曩d 瑚t 0 0 0伽 压加( k p 8 ) 图l 一1 孔隙比与压力关系曲线 o2468l o1 21 41 6 轴向应交( ) 图1 2 原状- 士的应力一应变关系 02t6 81 01 2 1 41 61 8 、 轴向应变( ) 图卜3 重塑士的应力一应变关系图 中科院武汉力学研究所的孔令伟、郭爱国( 2 0 0 1 年) 等人通过对一种典型红 3 帅舯砸o ， 3 3 o 味 l i 粘土基本特性与微观结构的探讨，进一步阐述了红粘土宏观物理力学性质与微观 结构特征结果表明；红粘土具有良好的力学特性与较差的物理性质是由其特殊 的胶结特性与微观结构决定的，游离氧化铁起胶结作用的只是其中的一部分，只 有采用冷冻干燥土样所获得的组构才能真实反映红粘土的微观结构特征。 中科院武汉力学研究所的刘春和吴绪春( 2 0 0 3 年) 以贵州毕节红粘土为例， 对非饱和红粘土的强度特性进行了常规三轴试验研究。根据试验结果，提出了非 饱和红粘土的吸力强度与饱和度之间的非线性关系表达式，并证实了非饱和红粘 土抗剪强度与含水量之间存在指数函数关系。经分析发现，非饱和红粘土的总粘 聚力c 与含水量桫之间的关系可以拟合为指数函数： c = 1 3 1 5 9 e _ u 椭坳( 1 1 ) 击 苎 - 姗 枷 墨湖 - 瑚 l o l o o 瑚瑚4 0 0 湖鲫7 g i l l 一4 ( a ) 三轴试验强度包线( 母= 3 3 9 )图卜4 ( b ) 三轴试验强度包线( 墨= 4 4 2 ) 枷 瑚 一 厶 軎2 0 0 l o 呐) l 2 0 03 枷姗鲫7 0 0 l 2 0 0 3 4 0 0s o o6 0 07 0 0 图卜4 ( c ) 三轴试验强度包线( s r = 5 4 4 )图卜4 ( d ) 三轴试验强度包线( 墨= 6 4 6 ) 图卜4 非饱和红粘土不同饱和度的三轴试验强度包线 非饱和红粘土随着土样饱和度的增加，其吸力强度降低，且饱和度与吸力强 度呈非线性关系。这种非线性关系反映了红粘土由于环境变化而表现为强度变化 的特征。非饱和红粘土的吸力强度与饱和度间非线性关系的建立，简化了非饱和 土的试验方法，便于非饱和土理论在工程实践中的应用。非饱和红粘土含水量与 4 抗剪强度之间确实有指数函数关系，这为非饱和土体抗剪强度的研究提供了数量 上的依据，但这一规律是否适用于其它土质尚待进一步研究证实。 赵颖文、孔令伟( 2 0 0 4 年) 等人通过对广西贵港红粘土重型击实样的室内试 验研究，探讨了其力学特性、胀缩性能、孔径分布特征与含水量之间的关系。结 果表明：干密度指标总体上能反映红粘土击实样的强度规律，但非饱和击实样强 度峰值对应的含水量因基质吸力作用而偏小，饱和后土体由于吸水膨胀与基质吸 力的消失，使得强度峰值对应含水量较饱和前明显增大，红粘土在最优含水量下 压实，虽可获得很高的压实度，但饱和后的强度并非最大；红粘土击实样的胀缩 性能主要由含水量决定，同时，受到干密度的影响：孔隙主要以孔径0 0 1 o 0 5 , u m 范围内的小孔隙为主，为迸一步掌握红粘土的工程力学特性提供了帮助。同时对 广西原状红粘土的力学指标、胀缩特性与孔径分布随脱湿过程的演化规律进行了 较为系统的室内试验研究。结果表明：广西原状红粘土为裂隙发育的硬塑性粘土， 不同脱湿阶段的力学指标与胀缩性能在较高含水量范围内受基质吸力控制，在较 低的含水量范围内主要受控于裂隙性；转折点处含水量与重型击实( 干法各样) 最 优含水量相接近；原状红粘土的孔隙主要以孔径从0 0 1 0 0 5 , u m 的小孔隙为主， 在脱湿过程中，干密度增大，总孔隙体积减小，以0 0 1 0 0 5 , u r n 与0 1 1 o t i n 两 个区间内孔隙体积减小最为明显。 陈瑶平( 2 0 0 7 年) 对桂林市5 1 个工程项目的6 4 5 个红粘土试样的土工试验指标 值进行了统计分析，总结了桂林红粘土的物理、力学性质指标随深度变化的规律， 得出了红粘土相关物理性质指标间、力学性质指标间、物理与力学性质指标间的 变化关系式及相关线性方程。据此对由不可避免因素引起的土工试验指标异常， 可进行定性的判断或定量的校正。通过在工程实践中检验，经校正得出的值能很 好地反映土的原本性质和各指标问的内在联系。 毕庆涛( 2 0 0 5 年) 等人通过室内直剪试验来研究含水量对红粘土抗剪强度的 影响规律，并根据最d - 乘法原理将粘聚力c 与含水量缈之间的关系拟合为多项 式函数表达式： c = 一0 o o o l 彩4 + o 0 1 9 0 ) 3 一1 17 4 6 0 2 + 2 9 1 5 l o 一18 7 2 3 ( 1 - 2 ) 含水量缈与抗剪强度相关性的确定能够为研究红粘土的其它特征提供一些依据。 更为重要的是，含水量c o 与粘聚力c 的阶梯状关系为工程实践提供了便利。拟合 的c o 与c 函数表达式为研究红粘土抗剪强度提供了数量上的依据，但这一表达式 是否具有普遍性尚待进一步研究验证。 中国的岩土工作者们对红粘土的研究已有近5 0 年的历史，对于这种特殊土的 性质有了较为全面的认识，包括红粘土的成因与分类、力学特性、工程实践以及 地质灾害等方面。特别突出了对红粘土的胀缩性、裂隙性与超固结性及其引发的 工程病害的研究。8 0 年代以来，随着先进的微观分析手段的应用，有关红粘土微 观结构的研究取得了较大的发展。研究发现：红粘土不良物理性质和良好的力学 性质之间的矛盾，在很大程度上是由红粘土中自由氧化物的胶结结构引起的，其 中赤铁矿与针铁矿在红粘土中最为常见，而且，经证实仅有部分氧化物在红粘土 中起胶结作用；红粘土的超固结性在很大程度上也归因于自由氧化物的胶结结构， 而并非先期固结压力。但由于红粘土性质特殊且复杂，对于一些理论问题和工程 实践问题的研究仍然不够深入。总体来说，定性研究较多，而定量研究不足，且 关于宏观的研究不够协调。例如，对于微观结构及矿物成分的研究较多，但微观 结构对宏观力学特性影响的研究尚未达到定量化的程度，尤其是多因素影响下红 粘土工程力学特性变化的规律有待进一步研究。 1 2 2 强夯技术及强夯处理红粘土的研究现状 强力夯实法简称强夯法，是一种软弱地基加固技术，在国际上又被称为动力 固结法( d y n a m i cc o n s o l i d a t i o n ) 或动力压实法( d y n a m i cc o m p a c t i o n ) 。该方法一 般采用1 0 0 3 0 0 k n 的重锤，以1 0 2 0 m 的落距自由落下，对软弱地基瞬时施加巨大 的冲击能。落锤夯击时，冲击能产生的冲击波和动应力可以提高地基土的强度， 降低土的压缩性，改善砂土抗液化能力以及提高湿陷性黄土的稳定性，同时，强 夯技术可显著减少地基土层的不均匀性，降低基础差异沉降。 强夯法是法国的m e n a r d 于1 9 6 9 年首次提出的，首先应用于法国海滨近填土 的加固处理，并获得成功。该法又在1 9 7 0 年、1 9 7 1 年分别应用于加固由白云母页 岩组成的回填土和透水性较差的饱和土、冲击土。随后的4 年里，一共有近百项 工程采用强夯法加固地基，均取得了良好的经济效果。很快，这一方法迅速传入 及其它国家和地区，首先在英国、德国、瑞典、荷兰等欧洲国家推广应用。之后， 日本从1 9 7 3 年开始引进强夯加固技术，称之为动力固结法，并在短短的6 年时间 里用该方法加固地基面积多达6 0 0 万平方米。随后，亚、美、非洲的国家也开始 相继引进强夯技术，如美洲的多米尼加共和国位于加勒比海环周，地震频繁且强 烈，用强夯法加固粉细砂，以防因大面积松散砂土地基的液化而使建筑物遭到破 坏；亚洲的新加坡在泥炭层上用强夯法处理了仓库地基问题；孟加拉国用强夯法 加固1 0 - 2 0 m 厚的水力冲填细纱和粉土层；还有非洲的加蓬、卢旺达等国家。到七 十年代末，全世界已有2 0 多个国家，在将近4 0 0 项工程中使用了这种方法，加固 面积达8 0 0 万平方米。 我国于1 9 7 5 年起即在技术刊物上介绍此法，称重锤夯实或重级落锤夯实法。 1 9 7 8 年，中国建筑科学研究院建筑情报研究所在建筑结构上系统介绍此法， 6 并定名为强力夯实法，引起工程界广泛注意。1 9 7 8 年1 1 月至1 9 7 9 年6 月首次由 交通部一航局科研所及其协作单位在天津新港三号公路软土地层上进行了试验。 又于1 9 7 9 年8 月至9 月在秦皇岛某码头细砂地基进行试验并正式应用。我国最早 用于地基加固的工程是1 9 7 9 年4 月中国建筑科学研究院及其协作单位在河北廊坊 该院机械化研究所宿舍工程上，用于粉土、粉细砂土可液化地基处理，取得较好 的效果。此后，强夯法在秦皂岛、天津、北京、山西、陕西、甘肃、浙江、广东 等地推广开来并迅速扩大到全国。1 9 8 1 年6 月化工部第二化工建设公司及其协作 单位在山西潞城山西化肥厂场地试验能级6 2 5 0 k n m 的强夯，用以加固i 级自重 湿陷性黄土地基，处理面积2 0 余万平方米。1 9 9 2 年河南电力设计院及化工部北京 重机公司又以8 0 0 0 k n m 级能，处理三门峡火力发电厂湿陷性黄土地基获得成功。 据不完全统计，国家八五期间全国重大工程项目地基处理中，采用强夯技术的就 达3 0 0 万平方米以上，因而积累了十分宝贵的经验，为强夯技术的不断改进和提 高创造了有利条件。 李庆宏( 2 0 0 6 年) 以洛湛铁路梧州段某站站场下的原状、弱膨胀红粘土为试 验对象，采用夯击能为3 0 0 0 k n m 一点连续夯击，进行了以控制沉降为目的的强 夯试验，通过原位测试和取土试样分析计算，一方面论证强夯可行性，另一方面 确定设计要求的施工参数。强夯试验表明：强夯处理原状红粘土无论是在沉降量 控制、压缩模量控制、沉降差异控制，还是影响效果的深度都能满足设计要求， 并取得很好效果。但在选择每点的冲击能量时，一般较软土的要大些，施工控制 参数也相应严格一些，夯后土的物理力学指标数据的改善程度符合强夯试验参数 施工的一般规律，说明测定强夯施工参数是可靠的，可以作为施工引用，但该试 验虽然在红粘土强夯处理方面开了头，但仍未从理论上近一步分析红粘土强夯加 固机理，取得相应的模型，还需要进一步研究。 周虎鑫、刘武杰( 2 0 0 3 年) 等人针对兴义机场红粘土地基和高填方的工程特 点，进行了兴义机场红粘土地基强夯处理试验研究，并做了检测与分析。得到击 实试验曲线如图1 - 5 ： 冒 鼍 ￥ 魁 龆 h - 含水量， 图卜5 含水量与干密度关系曲线 7 j 匕塞变适厶堂亟堂僮途塞援述 可以得到红粘土或次生红粘土的最佳含水量在3 0 - - - 3 2 之间，其最大干密度 为1 3 8 - 1 4 0 9 c m 3 。同时得到了夯击次数与夯沉量的关系曲线，如图1 6 ： 乓 蛔 避 椒 夯击次数 图1 - 6 夯击次数与夯沉量关系曲线 由试验结果实验者认为：随着夯击次数的增加，每击夯沉量逐渐减小，并趋 于稳定，行击次数为9 1 1 击时，夯沉量稳定在5 c m 左右，故认为，当夯能为3 0 0 0 k j 时的强夯，采用1 0 击是最少击数。还表明，土基的隆起量非常小，说明强夯法主 要是密实土体，减小原地基孔隙。因此原地基经强夯后，其密实效果十分明显。 最后，实验者经总体分析总结认为：对次生红粘土或红粘土地基，以沉降和不均 匀沉降作为控制指标的机场道面或公路路面而言，采用置换强夯法进行地基处理 是行之有效的，沉降与不均匀沉降都能满足设计要求；原地基采用强夯法处理后， 其压实度提高了4 8 ，地基承载力提高了2 0 - 5 8 ；单击夯击能量为3 0 0 0 k j 时，其地基处理有效影响深度为6 m ，单击夯击能量为4 0 0 0 k j 时，其地基处理有效 影响深度为8 m 。这些研究结果很有指导意义，为高填方红粘土地基处理提供了科 学依据。 云南省水利水电勘察设计研究院的曹庆明( 2 0 0 5 年) 在综合分析和归纳目前 国内外强夯技术应用和强夯方法的基础上，通过实验研究强夯对加固地基的作用 机理进行探讨，并结合正在施工的坝塘水库的工程实践，分析探讨了强夯设计的 方法，提出了强夯施工过程中各参数的选择方法，并将该强夯设计方法用于水库 库底红粘土地基处理工程实践，得出一些有益的结论： ( 1 ) 有效加固深度既是反映地基处理效果的重要参数，又是选择处理方案的 重要依据，目前尚无适用的计算公式。在缺少试验资料或经验时通常按有效加固 深度表预估。结合本工程应力应变要求初选有效加固深度5 0 - 6 o m 。 ( 2 ) 单位夯击能是指施工场地单位面积上所施加的夯击能。根据地基土类别、 结构类型、荷载大小和要求处理的深度等综合考虑，并通过现场试夯确定，本工 程为对比分析，实验阶段初选单位夯击能l 0 0 0 3 0 0 0 k n m 。 ( 3 ) 夯击次数以夯坑的压缩量最大、夯坑周围隆起量最小为确定原则。除了 5 4 5 3 5 2 5 l 6 0 n们m啦m们m凹 按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定外，还应满足下列条件：最 后两击的平均夯沉量不大于5 0 m m ，单击夯击时小于l o o m m ；夯坑周围地面不应 发生过大的隆起；不因夯坑过深而发生起锤困难。 ( 4 ) 夯击遍数根据地基土的性质确定，一般情况下，可采用2 3 遍，最后再 以低能量满夯l 遍。由于本工程为渗透性强的红粘土地基，因而夯击遍数要求少些， 初选2 遍，最后再以低能量满夯l 遍。 ( 5 ) 间隔时间是指两遍夯击之间留有的间隔时间，将有利于土中超静孔隙水 压力的消失。间隔时间取决于土中超静孔隙水压力的消失时间。由于本工程为红 粘性土地基，初选间隔时间为4 周。 ( 6 ) 夯击点布置是否合理与夯实效果和施工费用有直接关系。夯击点位置一 般根据建筑结构类型，采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置。本工程为大 面积加固地基，采用连续夯击，第1 遍夯击点间距选取4 o m 、行距3 5 m ，以后各遍 夯击点间距与第1 遍相同。 ( 7 ) 处理范围是指由于基础的应力扩散作用，本工程由于库底四周与其他防 渗工程连接，处理范围为大面积库盆区。 黄崇伟和苏尔好( 2 0 0 6 年) 基于红粘土特殊的工程特性和水文特性，结合机 场建设的施工要点，在总结国内外施工技术经验上，采用强夯技术处理红粘土， 并探讨了强夯施工时应注意的关键技术要点、监理控制措施以及必要的安全措施。 施工操作的主要技术要点及技术措施如下所述。 红粘土作为高填方体的底层地基，处理其沉降和不均匀性沉降是高填方工程 研究的重点。黄晓波、周立新( 2 0 0 6 年) 等人以某机场红粘土高填地基的处理为 例，通过沉降分析和方案比选展开强夯处理试验研究。根据场区内不同覆土厚度， 采用不同能级进行强夯处理试验确定了合理的施工工艺和参数。通过施工中沉降 观测，施工后地基土的物理力学指标试验、载荷试验和施工后沉降观测，强夯处 理取得了良好的效果，满足设计要求。指导大面积施工时，在质量、造价、工期 上都取得了成功。 1 3 论文的研究目的和主要内容 1 3 1 研究目的 本论文以广西某一实际工程中所遇到的强夯法加固红粘土地基为工程背景， 以现场2 个典型红粘土层( 原状土和夯原土) 为研究对象。 主要通过室内土工试验和理论分析，揭示红粘土在强夯动力荷载作用下的力 9 学特性和变形机理，研究强夯法加固红粘土地基机理以及扰动效应对红粘土工程 特性的影响。最后，研究强夯法加固红粘土地基的可行性和适用范围。 1 3 2 主要内容 动力荷载作用下红粘土的力学和变形特性室内试验研究，包括静力荷载试验 ( 单轴固结试验、三轴剪切试验) 、击实特性试验、三轴冲击荷载试验等。将试验 数据整理并分析结果，通过对比研究红粘土各物理及力学指标之间的变化规律及 作用机理。 ( 1 ) 静力荷载作用下红粘土的变形和强度特性试验研究 对取得的红粘土原状土样、室内重塑土样进行了室内单轴固结压缩试验，( 包 括将试样浸水模拟水稳定性的试验) 其目的是研究静力荷载作用下红粘土的固结 变形特性，分析红粘土的压缩特征；对取得的红粘土原状土样、室内重塑土样进 行了不同围压下的室内三轴剪切试验，( 包括将试样饱和后的三轴试验) 其目的是 研究静力荷载作用下红粘土的抗剪强度特性。 ( 2 ) 用击实来模拟红粘土在强夯荷载作用下的试验研究 包括原状击实和重塑击实试验。分别对原状土样和重塑土样进行室内击实， 将击实后的土样取出再分别进行三轴剪切试验和单轴固结试验，对比分析红粘土 在不同状态下固结变形特性的不同；并通过三轴剪切试验，研究红粘土在不同状 态下抗剪强度的差异，分析强夯对红粘土强度的作用。 ( 3 ) 动力冲击荷载作用下红粘土的力学和变形特性试验研究。 现场强夯荷载作用下，地基土比较符合有侧向变形的应力状态( 即三向应力 状态) ，因此通过动力三轴试验仪研究冲击荷载作用下红粘土的力学和变形特性， 能更好地模拟实际的强夯加固效果。试验方案选择包括侧限压力( 围压) 大小、 冲击次数、冲击能量对红粘土变形和强度的影响。重点分析冲击荷载作用下土强 度的变化( 弱化或改善) 。研究冲击能量对土样力学性能改善的影响，为研究强夯 的加固深度和范围提供依据。 l o 2 取土方案及试验土样基本物理性质指标 2 1 广西信发铝厂地基处理工程土样取土计划 2 1 1 土样数量 本次土样计划分以下几种情况： ( 1 ) 原状土第层、第层各取2 0 个，取土位置在电解铝一、二车间之间 的挖方区，尽量与夯后原状土取样位置靠近，以这部分土样代表强夯前地基土的 基本条件。 第层土取样困难，不宜成型，在取样过程根据具体情况确定是否取样。 ( 2 ) 原状土强夯后 在电解铝车间的南半部( 夯击能2 0 0 0 k n m 部分) 取样1 5 个，代表原状土夯 后地基土的特性。 2 1 2 土样尺寸和取样方法 为保证所取土样为一级样，本次采用人工取样，人工挖探井取样。在广西靖 西信发电解铝厂进行了探坑取样，共取得5 0 余块原状红粘土土样，每块土样的尺 寸大约为3 0 m n x 3 0 c m x 3 0 m n 。用塑料薄膜仔细包裹后，再用透明胶带整体密封， 目的是保证试样的完整性并保证土样的含水率为初始含水率。然后，运回实验室 进行试验。试验表明，土样保存完好，土体未扰动，含水率与初始含水率非常接 近。试验结果是可信的。 2 1 3 取土深度 土样取土深度7 米，取样数量如表2 - 1 ： 本次土样总重量在1 吨上下，为确保土样不受破坏，采用专车运输。 表2 1 取十方案 原状土夯原土 总数2 01 5 深度1 米处 1 1 6 深度3 米处 55 深度4 3 米处 2 2 深度7 米处22 注：原状土即为现场未经强夯直接取出的土样，夯原土为现场原状土经过强夯 后取出的土样( 下文均简称原状土和夯原土) 。 图2 1j “两红粘士深坑取样 2 2 试验红粘土的物理性质指标 取样过程显示，尽管在同一探坑和相差不大的标高处取样，但其物理性质并 非均匀。为此，进行室内试验前对每块土均进行了物理性质指标试验，包括含水 量试验、密度试验、比重试验和界限含水率试验。 1 2 2 2 1 含水量试验 测定含水量的方法多种多样，如烘干法、酒精燃烧法、炒干法、比重法、实 容积法、微波法和核子射线法等等。本试验采用烘干法。根据中华人民共和国铁 道部发布的铁路工程土工试验规程( t b10 10 2 - - 2 0 0 4 ) 规定。 1 试验步骤如下： ( 1 ) 取代表性试样，放入称量盒内，立即盖好盒盖，将盒外附着的土擦净后 称量。 ( 2 ) 打开盒盖，将装有试样的称量盒放入烘箱，在1 0 5 1 1 0 温度下烘干。 烘干时间对粉土、黏性土不少于8 h ；砂类土不少于6 h ；碎石类土不少于4 h 。 ( 3 ) 将称量盒从烘箱中取出，盖上盒盖，放入干燥器中冷却至室温，称干土 质量。 ( 4 ) 本试验称量小于2 0 0 9 ，准确至o o l g ：称量大于2 0 0 9 ，准确至o 2 9 。 2 试验结果应按下式计算： 国：( 鱼一1 ) 1 0 0 ( 2 1 ) 、 。 式中：国含水量( ) ，计算至0 1 ； m d 干试样质量( g ) ； 7 湿试样质量( g ) 。 2 2 2 密度试验 本试验所有的密度测定采用环刀法。根据中华人民共和国铁道部发布的铁路 工程土工试验规程( t bl o l 0 2 2 0 0 4 ) 规定，密度计算公式如下： 扁= 等 ( 2 - 2 ) 岛= 丽p o ( 2 - 3 ) n 式中：舶土的湿密度，g 锄3 ； 岛土的干密度，锄3 ； 朋o 湿土质量，g ； 矿试样体积( 环刀容积) ，啪3 ； 土的含水量。 1 3 2 2 3 比重试验 本试验采用比重瓶法。根据土工试验方法标准( g b t5 0 12 3 - - 19 9 9 ) 规定，试验 步骤如下： ( 1 ) 称烘干质量1 5 9 装入比重瓶，称试样和瓶的总质量。 ( 2 ) 向比重瓶内注入半瓶纯水，摇动比重瓶，并放在砂浴上煮沸。 ( 3 ) 将煮沸经冷却的纯水注入装有试样悬液的比重瓶。将比重瓶置于恒温水 槽内至温度稳定，且瓶内上部悬液澄清。取出比重瓶，擦干瓶外壁，称比重瓶、 水、试样总质量；并测定瓶内的水温。 ( 4 ) 从温度与瓶、水总质量的关系曲线中查得各试验温度下的瓶、水总质量。 计算公式如下： a s - - - 十m d 瓦嘞w 十历d 一，埘 “ 式中：聊6 w 比重瓶、水总质量( g ) ； 7 7 比重瓶、水试样总质量( g ) ； ，1 q r 丁时纯水或中性液体的比重 2 2 4 界限含水率试验 ( 2 - 4 ) 液限是粘性土从可塑状态过渡到流动状态时的界限含水率；塑限是粘性土从 可塑状态过渡到半固体状态时的界限含水率。为了测定红粘土的界限含水率，从 而得到其液性指数，本试验采用液塑限联合测定仪进行试验( 图2 2 ) 。 1 4 图2 2 液塑限联合测定仪 根据中华人民共和国铁道部发布的铁路工程土工试验规程( t b1 0 1 0 2 - - 2 0 0 4 ) 规定。 1 试验步骤如下： ( 1 ) 本试验应采用保持天然含水率的土样制备试样。在无法保持土的天然含 水率情况下，也可用风干土制备试样。 ( 2 ) 当采用天然含水率的土样时，应剔除大于o 5 m m 的颗粒，然后分别按下 沉深度为3 5 m m 、9 1l m m 及1 6 1 8 m m 制备不同稠度的土膏，静置湿润。静置时 间可根据含水率的大小而定。 ( 3 ) 当采用风干土样时，取过o 5 m m 筛的代表性试样约2 0 0 9 ，分成3 份， 分别放入3 个盛土皿中，加入不同数量的纯水，使分别达到( 2 ) 中所述的三中稠 度状态，调成均匀土膏，静置2 4 h 。 ( 4 ) 将制备好的土膏用调_ 七刀加以充分调拌均匀，密实地填入试样杯中，尽 量使土中空气逸出。高出试样杯的余土用调土刀刮平，将试样杯安放在仪器升降 座上。 ( 5 ) 在圆锥仪锥体上涂上凡士林。接通电源，使电磁铁吸稳圆锥仪。 ( 6 ) 调节屏幕准线，使初始读数为零。调整升降台，使圆锥仪锥尖刚好接触 土面，指示灯亮时圆锥仪在自重作用下沉入试样中。约经5 s 后立即测读圆锥下沉 深度。取出试样杯，测定其含水率。 ( 7 ) 重复( 4 ) ( 6 ) 条步骤，测试其余两个试样的圆锥下沉深度和含水率。 2 试验结果计算 ( 1 ) 以含水率为横坐标，圆锥下沉深度为纵坐标绘制关系曲线。三点应连成 一条直线，当三点不在一条直线上，则通过高含水率这一点与其余两点连成两条 直线，在圆锥下沉深度为2 m m 处可查得相应的两个含水率。当这两个含水率的差 值小于2 时，应以这两点的含水率平均值与高含水率的点连成一条直线。当这两 个含水率之差值大于或等于2 时，则应再补做试验。 ( 2 ) 下沉深度为1 7 m m 所对应的含水率为液限；下沉深度为2 m m 所对应的 含水率为塑限。 2 2 5 红粘土物理性质指标试验结果 表2 2 红粘十的物理指标 含水天然干密度液限塑限塑性 量密度 ( g c m 3 ) 孔隙比( )( ) 指数 比重 ( ) ( g e r n 3 ) ( ) 3 6 3 7 1 6 6 1 3 9 5 o 8 7 2 7 1 3 2 3 9 5 5 3 9 3 1 2 7 2 9 4 3 0 4 51 9 4 31 4 6 81 1 9 59 1 1 14 8 7 74 5 3 82 7 5 3 该地区红粘土的液性指数大体在0 0 2 5 的范围，所以该红粘土的物理状态 为硬塑。 1 6 3 1 引言 3 红粘土及其击实荷载作用后的固结特性 红粘土是一种高液限粘土( 高塑性指数、大孔隙比) ，其工程性质非常复杂， 而且水稳性极差。当红粘土含水量较小时，往往表现出很高的强度。但其遇水后， 强度迅速降低。当采用强夯法加固红粘土地基时，红粘土的含水量、击实功大小 等直接影响到它的加固效果，因此揭示强夯击实功、红粘土含水量、压实度、饱 和度、强度之自j 的相互关系十分必要。此外，随着外部条件的改变( 例如水分的 补给) ，强夯法加固后已经满足要求的红粘土地基，其使用期间的变形和水稳定问 题也是人们值得关注的问题。 刘宝琛( 2 0 0 5 年) 通过对某建筑工地地基土的单轴固结压缩和固结不排水三 轴剪切试验研究，认为原状土的压