淤泥質(zhì)土-砂混合軟土的固結(jié)壓縮試驗(yàn)研究

邱模清， 艾志偉， 羅嗣海， 鄧通發(fā),2

（1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2．廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引 言

由于軟土具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮系數(shù)大、抗剪強(qiáng)度低和滲透系數(shù)小的工程特點(diǎn)，在公路、橋梁工程建設(shè)中，軟土地基的處理問(wèn)題已成為設(shè)計(jì)、施工者十分關(guān)注的課題，而軟土的工程性質(zhì)也倍受科研人員的關(guān)注.淤泥質(zhì)土-砂混合土也屬于軟土的范疇，并且隨著各類巖土工程建設(shè)的不斷發(fā)展，遇到該土質(zhì)的機(jī)率變得越來(lái)越大，使得對(duì)淤泥質(zhì)土-砂混合土的工程性質(zhì)的研究變得越顯必要.

在巖土工程中，土的壓縮特性問(wèn)題一直是大家比較關(guān)注的問(wèn)題之一.固結(jié)壓縮試驗(yàn)是土力學(xué)中測(cè)定土的壓縮特性的最基本試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟土的固結(jié)特性做了相關(guān)的研究工作.Yasuhara K等[1]通過(guò)大量的室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)軟基上低路堤在交通荷載作用下引起的固結(jié)變形量進(jìn)行了研究，并提出了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模式；Weber[2]研究發(fā)現(xiàn)建于軟土地基上的堤壩在固結(jié)期間壓縮層厚度減小了80%，這顯然與傳統(tǒng)固結(jié)理論中的固結(jié)系數(shù)恒定的基本假定不相符.Duncan[3]認(rèn)為固結(jié)系數(shù)的不確定性限制了傳統(tǒng)固結(jié)理論在土體變形計(jì)算中的應(yīng)用.Mikasa[4]和Gibson[5]則將傳統(tǒng)的固結(jié)理論推廣到了大變形的固結(jié)理論當(dāng)中.Bo等[6]得出了用基本物性指標(biāo)求軟土固結(jié)沉降量的經(jīng)驗(yàn)公式.孫立強(qiáng)[7]、邱長(zhǎng)林等[8]通過(guò)室內(nèi)真空預(yù)壓試驗(yàn)對(duì)吹填軟土的固結(jié)理論進(jìn)行了深入的研究.張明等[9]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)深圳灣吹填軟土的固結(jié)系數(shù)進(jìn)行了研究并提出了固結(jié)系數(shù)的估算方法.雷華陽(yáng)等[10]通過(guò)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)，對(duì)在不同狀態(tài)、不同方向下的軟土的固結(jié)特性和固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)荷載的變化規(guī)律進(jìn)行了研究.周翠英等[11]通過(guò)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)研究了外荷載作用下軟土壓縮模量的變化規(guī)律.

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)軟土的固結(jié)特性研究較廣，但是對(duì)于山澗淤泥質(zhì)土-砂混合軟土的研究卻少之又少，因此研究主要結(jié)合工程實(shí)際中的淤泥質(zhì)土-砂混合軟土，通過(guò)控制含砂量與含水率雙因素，對(duì)該混合軟土做了一系列固結(jié)壓縮試驗(yàn)，目的是研究含砂量與含水率對(duì)該混合軟土壓縮性的影響，從而為今后相關(guān)的工程建設(shè)和類似的科學(xué)研究提供依據(jù)和借鑒.

1 工程概況

井睦高速公路全長(zhǎng)43.318 km，起始于泰井高速 （K60+300處)，終止于江西省井岡山市的睦村鄉(xiāng)，這是江西省高速公路規(guī)劃網(wǎng)中的重要組成部分.

井睦高速路線帶地形較平緩，沿線出露底層巖性單一，根據(jù)野外調(diào)查分析，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育邊坡失穩(wěn)、高液限土以及軟土等不良軟土地質(zhì).基巖巖性以中粗粒黑云母花崗巖為主，風(fēng)化程度強(qiáng)烈，全風(fēng)化層10～30 m，厚者可達(dá)40 m，巖體粘著力差，抗沖刷能力弱，抗剪強(qiáng)度低.路線“U”型溝谷發(fā)育，溝谷內(nèi)常年積水，溝谷發(fā)育1～5.0 m花崗巖風(fēng)化后殘積、沖洪積的淤泥質(zhì)土及淤泥質(zhì)砂，含水率為很濕到飽和，地表覆蓋的軟塑-流塑狀淤泥質(zhì)砂（天然地基承載力 fa0≤80 kPa）.

結(jié)合該軟基地質(zhì)，對(duì)工程實(shí)際中的山澗淤泥質(zhì)土-砂混合軟土的壓縮特性進(jìn)行研究.

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)采用快速固結(jié)試驗(yàn)法，嚴(yán)格遵循公路土工試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)重塑試樣進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn).試驗(yàn)儀器采用微機(jī)控制的GZQ-1型全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀.用環(huán)刀取樣并制成尺寸為D×H=61.8mm×20mm的試樣進(jìn)行試驗(yàn).

2.2 試樣制備及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣取自井睦高速公路工程現(xiàn)場(chǎng)的原狀土-砂混合土，先進(jìn)行篩分并分選出粗粒組砂和細(xì)粒淤泥質(zhì)土，再按照不同混合比例重塑土-砂混合土試樣.采用濕法（水洗法）做篩分試驗(yàn)對(duì)土-砂混合土進(jìn)行篩分，其中粗粒砂的級(jí)配曲線如圖1.

圖1 砂的顆粒級(jí)配曲線

文中選取粒徑在0.5～2.0 mm范圍內(nèi)的粗砂作為砂粒組，細(xì)粒淤泥質(zhì)土以小于0.075mm粒組為主，對(duì)于少量超徑顆粒采用剔除法[12]處理，土樣基本性質(zhì)如表1所示.

表1 試驗(yàn)土-砂樣的基本性質(zhì)

利用上述篩分后的粗粒組砂和細(xì)粒淤泥質(zhì)土，設(shè)計(jì)關(guān)于含砂量與含水率的雙因素固結(jié)壓縮試驗(yàn)，各土樣含砂量 S分別為0%、10%、30%、50%、70%和80%，初始含水率W為15%、20%、25%和30%，共24組試驗(yàn).制樣時(shí)，以干密度為控制標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)擊實(shí)的方式制備試樣[13].靜置一天后，再用環(huán)刀切取土樣并制成尺寸為D×H=61.8 mm×20 mm的試樣.同時(shí)，為提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每個(gè)配比試樣做3個(gè)平行試驗(yàn).

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

在側(cè)限條件的壓應(yīng)力作用下，假定土顆粒是不發(fā)生壓縮變形的.通常采用孔隙比與法向壓力的關(guān)系來(lái)表示土體的壓縮性，認(rèn)為孔隙體積的壓縮變化即是土體體積的壓縮變形量.

在某級(jí)壓力作用下，計(jì)算固結(jié)穩(wěn)定后的孔隙比ei：

式（1）中：e0為試樣初始孔隙比；Δhi為施加壓應(yīng)力后的壓縮變形量/cm；h0為試樣初始高度/cm.

利用式（1）計(jì)算結(jié)果繪制e-p曲線，取曲線上相應(yīng)的割線斜率作為某級(jí)壓力作用下壓縮系數(shù)ɑv得：

式（2）中：pi為某級(jí)壓力值 /kPa.

同時(shí)，壓縮模量Es也是評(píng)價(jià)土體壓縮特性的重要指標(biāo)，它是指土在完全側(cè)限條件下的豎向附加應(yīng)力與相應(yīng)的應(yīng)變?cè)隽康谋戎礫14].可根據(jù)式（3）計(jì)算求得.

根據(jù)上述公式計(jì)算得到不同壓應(yīng)力下的孔隙比e，繪制e-p圖，如圖2所示.

圖2 e-p關(guān)系曲線圖

由圖2可知，e-p關(guān)系曲線呈雙曲線形，孔隙比隨壓應(yīng)力增大而逐漸減小，這是因?yàn)樵趬毫ψ饔孟?，混合土?nèi)的空氣及孔隙水被排出，土體被壓實(shí)，孔隙比減小.隨著含砂量的增加，曲線逐漸變平緩，孔隙比減小速率降低，表現(xiàn)為壓縮性減小，壓縮模量增大；說(shuō)明在工程中要改變土體壓縮性，可以增加含砂量.孔隙比隨含水率增加而逐漸減小，但含水率對(duì)曲線形態(tài)的影響較小，這可能是由于軟土的含水率一般較高，而試驗(yàn)中軟土含水率較低，造成試驗(yàn)現(xiàn)象不明顯.

壓縮系數(shù)和壓縮模量均是土體壓縮性的指標(biāo)參數(shù)[15-16]，說(shuō)明在某級(jí)壓應(yīng)力作用下，土體體積壓縮變形量越大，壓縮性就越高.試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見表2.

已有研究表明，含砂量S/%、含水率W/%與壓縮模量E1-2(MPa)三者間具有顯著的相關(guān)性.所以根據(jù)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)壓縮模量和壓縮系數(shù)進(jìn)行多元回歸分析，得到相關(guān)系數(shù)R2=0.93和R2=0.92的回歸表達(dá)式如下：

由回歸分析可知：混合土壓縮模量與含砂量成正相關(guān)關(guān)系，與含水率成負(fù)相關(guān)關(guān)系；在分析含砂量及含水率對(duì)壓縮模量的影響時(shí)，必須將含砂量與含水率結(jié)合起來(lái)考慮，下文采用控制某一因素的方法，較直觀地分析了另一因素對(duì)壓縮模量和壓縮系數(shù)的影響規(guī)律.

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果匯總

3.2 含砂量對(duì)土-砂混合土壓縮特性的影響分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同的含水率條件下，壓縮模量與含砂量的關(guān)系曲線見圖3，壓縮系數(shù)與含砂量的關(guān)系曲線見圖4.

圖3 壓縮模量與含砂量的關(guān)系曲線

圖4 壓縮系數(shù)與含砂量的關(guān)系曲線

（1）由圖3可知，相同含水率時(shí)，增加含砂量，壓縮模量逐漸增大，且在含砂量為50%和70%處出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn).當(dāng)含砂量低于50%時(shí)，壓縮模量增幅較??；當(dāng)含砂量增至50%～70%時(shí)，壓縮模量明顯快速增長(zhǎng)，增幅高達(dá)40%；含砂量超過(guò)70%后，壓縮模量仍有增長(zhǎng)但增幅減小，這與曹光栩、楊冰等[17-18]研究得出的規(guī)律是一致的.

（2）壓縮模量與壓縮系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，由圖4可知，隨著含砂量的增加，壓縮系數(shù)逐漸減小，含砂量在50%和70%處也同樣存在拐點(diǎn)現(xiàn)象，可壓縮性明顯降低，強(qiáng)度提高，工程特性增強(qiáng).

（3）此外，結(jié)合圖3、圖4可以得出：增加含水率，壓縮模量逐漸減小，壓縮系數(shù)增大，即壓縮性增大，土體逐漸向軟土特性發(fā)展，說(shuō)明增大含水率，土樣壓縮性提高.

由界限含砂量[19-22]的研究分析可知，淤泥質(zhì)土-砂混合土的界限含砂量為50%～70%，隨著含砂量的增加，土-砂混合土的壓縮模量和壓縮系數(shù)存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)化區(qū)間，它是混合土由密實(shí)-懸浮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為密實(shí)-骨架再到骨架-空隙結(jié)構(gòu)的兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn).

當(dāng)含砂量低于界限含砂量（50%）時(shí)，隨著含砂量的增加，混合土的密實(shí)性逐漸增大，砂顆粒在土體中具有一定的骨架作用，由于砂顆粒的壓縮模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于細(xì)粒粘土顆粒的，使得砂顆粒骨架對(duì)混合土的抗壓縮性能有增強(qiáng)作用.當(dāng)含砂量增至界限含砂量時(shí)，混合土密實(shí)度較好，土-砂顆粒間咬合性能明顯增強(qiáng)，骨架作用占主要地位，抗壓縮性明顯提高，從而使壓縮模量增大，壓縮系數(shù)減小.

超過(guò)界限含砂量（70%）后，砂顆粒骨架作用仍較強(qiáng)，但由于此時(shí)細(xì)粒土含量很少，不能完全填充在顆粒間的孔隙中，砂與砂界面間的孔隙增多；在外力作用下，強(qiáng)度較低的砂顆粒被壓碎，一定程度上增大了混合土體積壓縮變形量，表現(xiàn)為壓縮模量增幅減緩，壓縮系數(shù)減小也趨緩慢，壓縮性變化較小.但隨著含水率的增加，對(duì)土體內(nèi)部的粘土礦物及砂顆粒具有一定的軟化及潤(rùn)滑作用，對(duì)砂顆粒骨架有一定的弱化作用；隨含水率提高，影響趨勢(shì)更加的顯著.

3.3 含水率對(duì)土-砂混合土壓縮特性的影響分析

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到壓縮模量與含水率的關(guān)系曲線（圖5）和壓縮系數(shù)與含水率的關(guān)系曲線（圖6）.

圖5 壓縮模量與含水率的關(guān)系曲線

圖6 壓縮系數(shù)與含水率的關(guān)系曲線

由圖5可知：增加軟土含水率，壓縮模量逐漸減小，壓縮性增大，且表現(xiàn)為兩頭減幅小，中間減幅大的現(xiàn)象.當(dāng)含水率較低(15%～20%)時(shí)，含砂量低于界限含砂量（50%）的土樣壓縮模量減幅較小，超過(guò)界限含砂量對(duì)應(yīng)的壓縮模量減幅較大.當(dāng)含水率增至25%時(shí)，壓縮模量明顯減小，且其減小幅度隨含砂量的增加而略有增大.繼續(xù)增大含水率至30%時(shí)，壓縮模量仍繼續(xù)減小，但降幅明顯變小，曲線較平緩.

同樣，由圖6可知：壓縮系數(shù)隨含水率增加而逐漸增大，壓縮性增大，淤泥質(zhì)土-砂混合土的工程特性明顯降低；當(dāng)含水率增至30%時(shí)，不含砂的土體壓縮系數(shù)超過(guò)0.5 MPa-1，根據(jù)規(guī)范可知，此時(shí)的土體屬于高壓縮性軟土.

淤泥質(zhì)土-砂混合土的壓縮性隨含水率的增加而增大，這是因?yàn)樗畬?duì)土體具有較強(qiáng)的軟化效應(yīng)，含水率越高，軟化效應(yīng)越顯著；其次是土、砂顆粒的持水特性差異較大，砂顆粒的吸水量很小，飽和時(shí)砂粒的吸水量約為6%～7%，而細(xì)粒土的持水能力很強(qiáng).在側(cè)限條件下，含水率相同時(shí)，對(duì)于較低含砂量的混合土可能還很干，對(duì)于高含砂量的混合土中，可能已經(jīng)出現(xiàn)了裂隙水，水的軟化效應(yīng)卻更大；這與試驗(yàn)中含水率較低時(shí)，高含砂量的土體壓縮模量降幅更大的試驗(yàn)結(jié)論是一致的.隨著含水率增大，混合土中粘土礦物及氧化物被溶解，水對(duì)土、砂顆粒的軟化效應(yīng)更大，土體強(qiáng)度明顯降低，工程壓縮性增大，表現(xiàn)為壓縮模量減小，壓縮系數(shù)增大的趨勢(shì).繼續(xù)增大含水率時(shí)，混合土中的孔隙水增多，在壓應(yīng)力作用下，孔隙水逐漸排出，混合土被壓密，軟化效應(yīng)有所減弱，表現(xiàn)為壓縮模量降幅減緩.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)淤泥質(zhì)土-砂混合軟土做的一系列固結(jié)壓縮試驗(yàn)，研究了不同含砂量和不同含水率對(duì)混合土壓縮特性的影響規(guī)律.由上述的研究分析可以得出以下結(jié)論：

（1）淤泥質(zhì)土-砂混合土的壓縮模量與含砂量成正相關(guān)關(guān)系，與含水率成負(fù)相關(guān)關(guān)系；壓縮系數(shù)與含砂量成負(fù)相關(guān)關(guān)系，與含水率成正相關(guān)關(guān)系，在分析含砂量與含水率對(duì)壓縮特性的影響時(shí)要將二者結(jié)合起來(lái)考慮.

（2）固結(jié)壓縮試驗(yàn)中，隨著含砂量的增加，土-砂混合土的壓縮模量和壓縮系數(shù)存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)化區(qū)間，這個(gè)區(qū)間為界限含砂量（50%～70%）.在界限含砂量區(qū)間內(nèi)，抗壓縮性明顯提高，壓縮模量增大，壓縮系數(shù)減小.

（3）在控制含水率的情況下，增加含砂量，混合軟土的壓縮模量逐漸增大，壓縮系數(shù)逐漸減小，混合土的壓縮性減小；在控制含砂量的情況下，增加含水率，混合軟土的壓縮模量逐漸減小，壓縮系數(shù)逐漸增大，混合土的壓縮性增大.

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