室内模拟强夯夯击能的传播与分配规律探讨

摘要：强夯作为一种高效的地基处理方法，由于其特殊的优越性在地基加固中得到广泛的应用。本文在全面分析强夯处理地基的理论和工程实践的基础上，通过室内击实仪改装试验和模型试验，对泥质砂岩地基土在冲击过程中，能量与地基土体性状改变的关系、强夯能量分配与强夯加固范围进行了深入的分析研究。

关键词：强夯法；模型试验；强夯夯击能；泥质砂岩；

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

1 改装击实仪试验

1.1 试验目的

通过对试验室击实筒的改装来研究冲击能对土体的动力特性，通过冲击试验来研究强夯中能量对地基土的加固特性和加固机理。影响强夯处理效果的因素有很多，基本上可以分为两类，一类是地基土的性质，如干密度、孔隙比、剪切模量、含水量、粘聚力、内摩擦角等，它是影响强夯处理效果的内在因素。不同的土体具有不同的性质，也就使强夯作用产生了不同的作用效果；另一类是强夯施工参数，如夯锤锤重、锤底面积、落距、夯点间距、夯击次数、夯击遍数等。这些参数虽然说比较容易控制，但基本都是通过研究强夯对土性的改善程度来优化这些施工参数，以期达到降低施工成本的目的。

1.2 试验装置

本次试验充分的利用了试验室现有的试验器材，通过改装和加工。设备主要有：长宽高分别为60cm、60cm、60cm的木箱、击实锤(重锤)、击实仪、击实筒(大筒)、脱模器、卷尺、电子天平、四联直剪仪、环刀、土筛、塑料薄膜和彩带等。试验使用的击实仪基本参数为，击锤重量：4.5kg；击锤落高：450mm；击锤锤面直径：50mm；试筒规格 152 120mm。

为了确保夯锤有足够的下落高度，本次试验对击实仪进行了改装，以便底部可以放置比较高的土层。所采用的夯锤是击实仪的击实锤（重锤）。用了四个击实筒竖直叠加起来，以保证能量传播有足够的深度。

1.3 试验方案

1.3.1 试验一：探索能量传递规律

此组试验在击实仪中完成，为了试验时能够取到更多层土层的试验数据，试验时把下面击实筒的垫块取下来，以确保土层的厚度可以增加到17cm。同时为了使试样的结果有相互对照性，针对多项土工程特性指标，本试验主要通过研究 、 、 的变化情况，来说明能量的传递规律。通过试验发生的变化趋势，研究土样的改变来说明能量与处理效果的关系。

1.3.2 试验二：探索夯击能分配规律

目的是探索夯击能在横向与竖向的分配规律，主要分了两组进行试验。第一组：在竖向柔性侧向刚性的条件下，探索不同夯击能对同一位置竖向的位移的变化，探索在不同能量作用下竖向影响深度的变化规律。第二组：在竖向刚性侧向柔性的条件下，探索不同夯击能对侧向同一位置的位移变化，分析横向与竖向能量分配规律。

1.4 试验步骤

(1)土样的制备

本试验所用的土是鹤山地区典型的泥质砂岩，从鹤山市某物业发展有限公司雅一项目工地里面取得。试验取20mm以下的土颗粒。通过相同组的试验称取相同质量的土来保证初始状态基本一致。土试样来源同一项目场地，含水量相差不大，通过测取几组含水量取平均值作为土体的含水量。同时测量土试样 、 、 初始值。

(2)铺标志物

室内试验为了测量土体不同位置的位移变化，在不同位置铺设了塑料薄膜和和彩带。在侧向刚性竖向柔性的情况下，分别在不同位置铺塑料薄膜，本实验铺了六个位置的塑料薄膜，具置将以表格的形式列出。在侧向柔性竖向刚性的条件下，分别用夯锤夯击位置中心，并在同一直线上相同间距铺设彩带，彩带的底部用图钉固定住，以免彩带移动。

(3)夯击

试验使用4.5kg的夯锤对土体进行夯击，通过不同击数来加固土体。夯击没有设置收锤标准，主要是研究不同击数下夯击能对土体性状的改变，可以得到不同要求下土性改变所需的能量。

(4)测量

测量的数据主要有夯坑深度、密度、剪切强度、土体竖向与横向变形。夯坑深度的测量是量取土体面五个点取平均值的办法。无约束情况下，土体的位移是通过测彩带的侧向位移和和带边缘塑料薄膜的竖向位移来得到土颗粒的位移的。在击实仪中冲击完以后，用环刀取土，分四层取出试验后的待检土试验。

2 冲击能的传播规律

2.1 竖向传播规律分析

通过对在击实仪上做的数据进行分析，探索出在冲击作用下，不同土层下 、 、 的改变规律，从而得出能量的传播规律。通过试验测量出了土体初始状态下的一些基本参数如下表1。

表1 土体初始参数表

试验分别按以下次序的夯击总能量：160N.cm、320N.cm、480N.cm、640N.cm、800N.cm、1120N.cm、1600N.cm、1760N.cm、1920N.cm作四个循回进行击实试验，试验初始位置由5.0cm降至15cm，并相应的检测出密度、粘聚力和内摩擦角数据，与试验前检测数据作比较，算出各项变化值；根据试验及计算结果，绘制的三个指标在竖向不同位置处的变化量关系图，竖直位置以击实筒顶面为原点，见图1、图2。

图1 不同深度密度变化量折线图

图2 不同深度内摩擦角变化量折线图

通过图2、图3可以发现以下规律：

(1)发现 在能量较小的情况下变化幅度特别大，而后变化相对较小，这说明能量在开始时传播的最多，利用率是最高的。

(2)在同一冲击能的作用下，随着深度的增加 的变化趋势都一样，说明冲击能的传播是有规律性的。同时也说明冲击能对三个指标都有影响。

(3)随着能量的增加，相邻曲线之间的距离变小，说明随着能量的增加到越到后面，在相同单击能的作用下，三个指标的增加量越来越小。这说明当土体冲击到一定程度后，能量向下传递将显得越来越难，能量的损失将越来越大，这是由于随着能量的增加，土体表面形成了硬壳层，同时这也是为什么规范中要规定收锤标准的原因。

(4)在同一夯击能作用下，通过曲线的趋势可以发现 、 、 ( 表示初始位置)的值随着深度的增加越来越小，这说明能量的传递随着路径的增加，单位长度上的能量分配越来越少。

2.2 冲击能与土工程特性指标的关系

为了研究在同一位置处，随着能量的增加，其指标变化规律特取了12cm与15cm处作为研究对象。

(1)随着能量的增加 相应的增加，但增加的幅度越来越小，最后基本上不增加，有可能是随着能量的增加，土体表层已经达到密实状态，就是工程中所说的形成了硬壳层，使能量无法向下继续传播。这说明强夯能量的传播存在一个效率问题。

(2)随着能量的增加 呈现了抛物线的变化趋势，这说明随着能量的增加，内摩擦角将出现峰值，随后下降。

3 冲击能的分配规律

3.1 通过竖向位移变化探索能量传播规律

通过在侧向刚性竖向柔性的条件下研究冲击能的传播规律，通过分析位移变化来说明能量的传播规律。然后对无约束条件下竖向位移的变化关系进行研究。

3.1.1 侧向刚性竖向柔性条件下能量传播规律

主要分析相同夯击击数下不同位置的位移变化，不同击数下同一位置的位移变化规律，同时还分析了中间和周边位移变化之间的关系，试验数据见表2。

表2 侧向刚性竖向柔性位移变化表

3.1.2 无约束下竖向能量传播规律

在无约束情况下，根据试验结果，编制土移变化量与初始位置的关系见图3：

图3 无约束下竖直位置位移变化图

通过图形可以发现，位移变化量与竖直位置的关系在中间基本从线下变化，在接近零位移变化量的时候，成缓和的曲线变化，逐渐趋向零。这与侧向刚性和竖向柔性的情况下是有所区别的。区别的原因有在无约束下，随着能量的增加到最后能量已经不是影响位移变化的主要原因。

3.2 通过横向位移变化探索能量传播规律

为了研究冲击能横向的传播规律，精心制作了一个 的木箱.为了使土层铺设时尽量平整，在箱子里面每隔2.5cm高度处做一个等高线，在距地面2.5cm处在离夯击点中心同一直线上按5cm、10cm、12.5cm、 15cm、20cm、25cm、30cm处铺设做好标记的碎纸片。

4 结论

(1)发现 在能量较小的情况下变化幅度特别大，而后变化相对较小，这说明能量在开始时传播的最多，利用率是最高的。

(2)在同一冲击能的作用下，随着深度的增加 的变化趋势都一样，说明冲击能的传播是有规律性的。同时也能够说明冲击能对三个指标都有影响。

(3)随着能量的增加，相邻曲线之间的距离变小，说明随着能量的增加到越到后面，在相同单技能的作用下，三个指标的增加量越来越小。这说明当土体冲击到一定程度后，能量向下传递将显得越来越难，能量的损失将越来越大，这也是为什么规范中要规定收锤标准的原因。

(4) 在同一夯击能作用下，通过曲线的趋势可以发现 、 、 (用s表示深度)的值随着深度的增加越来越小，这说明能量的传递随着路径的增加，单位长度上的能量分配越来越少。

(5)同时在夯击过程中，三个指标的变化量与与竖直位置成二次曲线关系，这说明能量在竖直方向的传播分配基本上是按照二次曲线来分配的。

(6)初步分析了冲击能的横向与竖向分配规律，得出泥质砂岩在冲击能的作用下侧向和竖向比值在0.6左右。

5 结束语

室内模拟强夯夯击能的传播规律探讨，通过试验研究确定强夯的施工和设计参数，对工程具有重要的理论和实际意义。通过室内击实仪改装试验和模型试验，对泥质砂岩地基土在冲击过程中，能量与地基土性状改变的关系、强夯能量分配与强夯加固范围进行了深入的分析研究。对强夯处理地基工程施工有先行的指导意义，可估计施工处理后的预期效果，以保证施工的顺利进行及工程的安全性。

参考文献

[1] 阎明礼. 地基处理技术[M]. 北京：中国环境科学出版社，1995.2.

[2] 《地理处理手册》编写委员会，地基处理手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1998.