海口軟土中細(xì)砂復(fù)合土的試驗(yàn)研究

譚 杰，李光范，胡 偉，趙記領(lǐng)，劉順凱

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 海口 570228)

?？谲浲林屑?xì)砂復(fù)合土的試驗(yàn)研究

譚 杰，李光范，胡 偉，趙記領(lǐng)，劉順凱

(海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

對(duì)?？谲浲翐街屑?xì)砂形成的復(fù)合土進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，分析了不同圍壓下，不同配合比復(fù)合土與原狀軟土的強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、壓縮性以及有效應(yīng)力路徑的特性.試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著中細(xì)砂摻量的增加，于同圍壓下，復(fù)合土的剪切強(qiáng)度越高，剪脹現(xiàn)象越明顯，復(fù)合土在低圍壓下表現(xiàn)出一定的應(yīng)變軟化，而在高圍壓下，無論是復(fù)合土還是原狀土，其都表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象；隨著砂摻入量的增加，復(fù)合土的有效應(yīng)力路徑由斜線或弧形向“S”形過渡.

復(fù)合土； 三軸試驗(yàn)； 淤泥質(zhì)軟土

軟土在中國沿海地區(qū)分布較為廣泛，厚度變化大，土質(zhì)軟弱.在工程實(shí)踐中經(jīng)常會(huì)遇到軟土地基及由此引發(fā)的工程問題[1-3].在土的分類中，軟土是指沿海、沿江的濱海相、三角洲相、河谷相，內(nèi)陸平原或山區(qū)的河流相、湖泊相、沼澤相等主要由細(xì)粒土組成的含水率高、孔隙比大(一般大于1)、壓縮性能高和強(qiáng)度低的軟塑到流塑狀態(tài)的天然土層[4].

傳統(tǒng)的淤泥質(zhì)軟土的處理方法有吹填造陸、晾曬、熱處理等，但由于淤泥具有量大、含水率高、富含有機(jī)質(zhì)等特點(diǎn)，這使得這幾種方法往往受到限制，從而使淤泥的另一種處理方法——淤泥的固化處理，越來越多地被應(yīng)用到工程實(shí)踐當(dāng)中.本文對(duì)淤泥質(zhì)軟土摻入不同量中細(xì)砂所形成的復(fù)合土進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，以研究其強(qiáng)度特性，旨在為淤泥土的固化提供更多方式.

在土的室內(nèi)三軸試驗(yàn)時(shí)，對(duì)土采用的是各向等壓固結(jié)，圍壓不變，僅軸向加載破壞，而取自天然土層的原狀土通常認(rèn)為是處于k0固結(jié)狀態(tài)[5].本試驗(yàn)中復(fù)合土試樣與原狀土試樣的強(qiáng)度參數(shù)對(duì)比受到固結(jié)狀態(tài)以及中細(xì)砂摻入量等因素的影響.

本試驗(yàn)對(duì)不同摻砂量的復(fù)合土以及原狀土進(jìn)行了常規(guī)三軸不排水試驗(yàn)，得出了不同圍壓與同一圍壓下，不同砂土配合比的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系以及應(yīng)力路徑特性.

1 試樣制備和試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器 本次三軸試驗(yàn)所用儀器為美國GEOCOMP生產(chǎn)的LoadTracII三軸儀，所有數(shù)據(jù)都由電腦自動(dòng)收集和整理，極大減少了人為操作所產(chǎn)生的失誤.

1.2 試樣制備 試驗(yàn)土料取自海口市海甸島某地的淤泥質(zhì)軟土，土質(zhì)呈灰、黑色；有腥臭味，含有一定的有機(jī)質(zhì)；其基本物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1，復(fù)合土的物理力學(xué)性質(zhì)見表3.

進(jìn)行CU試驗(yàn)的復(fù)合土為重塑土，試樣制備過程以及試驗(yàn)過程如下：

(1)取1m左右深度的土料進(jìn)行風(fēng)干，碾碎后過直徑為2mm的土工篩，測定其風(fēng)干含水率，嚴(yán)格按照《土工試驗(yàn)規(guī)范》(GB/T50123—1999)驗(yàn)算所需加水量，再在所形成的重塑土中加入所需的中細(xì)砂(粒徑0.25～0.5mm)，形成不同的砂土配合比，調(diào)成均勻的稀泥漿，再倒入鋪有雙層濾紙和土工膜的保濕缸上層，靜置滲漏24h以上.

(2)用土工布吸走表面的泥漿，采用TYS-50型土樣壓實(shí)裝置進(jìn)行土樣制作，制成直徑為5cm、高度約為11cm的圓狀土體，然后在制作土樣外面貼一層塑料薄膜，放入直徑為5cm、高度為10cm的飽和器，用細(xì)鋸削平上部，使得試樣高度為10cm.將試樣以及飽和器放入飽和缸飽和10h以上(復(fù)合土的試驗(yàn)采用飽和缸飽和以及三軸反壓飽和雙重飽和，直到土樣飽和度達(dá)到95%以上)[6].

(3)按照《土工試驗(yàn)規(guī)范》(GB/T50123—1999)進(jìn)行固結(jié)不排水三軸試驗(yàn).實(shí)驗(yàn)步驟為排氣-反壓飽和-固結(jié)-剪切，其中固結(jié)為等向固結(jié).

表1 淤泥質(zhì)軟土的基本物理力學(xué)參數(shù)

1.3 試驗(yàn)方案 具有不同砂土配合比的復(fù)合土以及原狀淤泥質(zhì)軟土的三軸試驗(yàn)方案見表2.

表2 三軸試驗(yàn)方案

表3 復(fù)合土的基本物理力學(xué)性質(zhì)

由表1、表3的對(duì)比可知，原狀土為高壓縮土，在加入一定量中細(xì)砂后，其壓縮系數(shù)、壓縮模量、初始孔隙比隨著摻入量的增加而有明顯的下降，即復(fù)合土的滲透性降低，抗壓強(qiáng)度、承載能力有明顯提升.

本試驗(yàn)制作了3種比例的復(fù)合土，每種配合比試樣為8個(gè)，每兩個(gè)一小組，分別進(jìn)行50kPa到200kPa圍壓下的固結(jié)不排水三軸試驗(yàn)(CU)；原狀土則采用直徑φ=5cm，內(nèi)部涂有凡士林的PVC塑料管來進(jìn)行現(xiàn)場選取，然后與管一并用潤濕土工布包裹，放入塑料袋，于實(shí)驗(yàn)室密封保存，盡可能使土樣的性質(zhì)不變[6].

本常規(guī)三軸試驗(yàn)包括原狀土在內(nèi)的4種土樣的剪切應(yīng)變速率均為0.05%，剪切的軸向應(yīng)變最大設(shè)置為15%.

2 三軸試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 強(qiáng)度特性分析 根據(jù)三軸試驗(yàn)個(gè)案進(jìn)行了原狀土的K0固結(jié)三軸剪切試驗(yàn)以及3類復(fù)合土的等向固結(jié)的三軸剪切試驗(yàn).原狀土與3類復(fù)合土的偏差應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線呈非線性，對(duì)于20%摻砂以及40%摻砂配合的復(fù)合土，其偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系在低圍壓下呈一定程度的應(yīng)變軟化，在較高圍壓下則呈應(yīng)變硬化現(xiàn)象(圖1)；而圖2、圖3、圖4表明，30%、40%摻砂復(fù)合土與原狀土在不同圍壓下呈應(yīng)變硬化現(xiàn)象.由4類土的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，原狀土以及3種復(fù)合土的三軸抗剪強(qiáng)度都隨著圍壓的增加而增大[7].

由圖1、圖2以及圖3可知，圍壓50kPa下的抗剪強(qiáng)度在應(yīng)變?yōu)?5%的范圍內(nèi)都大于圍壓在100kPa下的抗剪強(qiáng)度，但應(yīng)變超過15%時(shí)，σ3=100kPa下的土仍然呈上升趨勢，即可看作土的抗剪強(qiáng)度隨圍壓增加而增大.

在同一圍壓下，原狀土以及3種不同配合比的復(fù)合土偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線的關(guān)系表明，在淤泥質(zhì)軟土中摻入砂子，隨著摻入量的提升，其所形成的復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度較原狀土都有一個(gè)較為明顯的提升(圖5,6,7,8)；但在摻入量為20%(8 ∶2復(fù)合土)時(shí)，所形成的復(fù)合土在100kPa、150kPa、200kPa圍壓下與其所對(duì)應(yīng)的原狀土應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比，20%的復(fù)合土其初期抗剪強(qiáng)度相對(duì)于原狀土都有較為明顯的提升，但隨著軸向應(yīng)變的增大，原狀土的抗剪強(qiáng)度反而慢慢增大，直到最后超過摻砂量為20%的復(fù)合土(圖6,7,8)；在圍壓為50kPa時(shí)，于15%軸向應(yīng)變范圍內(nèi)，20%的復(fù)合土抗剪強(qiáng)度高于原狀土，但變化趨勢仍然是原狀土抗剪強(qiáng)度上升，而20%復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值，開始下降并持續(xù)穩(wěn)定，從而使得原狀土的抗剪強(qiáng)度也有超過的趨勢(圖5).

為了進(jìn)一步分析不同摻砂量，特別是20%摻砂量與原狀土抗剪強(qiáng)度對(duì)比的變化特性，根據(jù)4種土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系整理出其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，見表4.即4種土體的強(qiáng)度指標(biāo)：黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ，淤泥質(zhì)原狀軟土試驗(yàn)，c=15kPa,φ=33.13°；20%摻砂量復(fù)合土試驗(yàn)，c=66.1kPa,φ=18.36°；30%摻砂量復(fù)合土試驗(yàn)，c=54.4kPa，φ=31.64°；40%摻砂量復(fù)合土試驗(yàn)，c=46.1kPa，φ=54.9°.

可以看出，20%摻砂量復(fù)合土以及30%摻砂量復(fù)合土的內(nèi)摩擦角都要小于原狀土的內(nèi)摩擦角，由此可見，在同一圍壓下當(dāng)豎向應(yīng)力增加到一定程度，即軸向應(yīng)變到一定量時(shí)，軟土的內(nèi)摩擦角越大，其抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)，如圖5,6,7,8，原狀軟土的抗剪強(qiáng)度在軸向應(yīng)變達(dá)到15%時(shí)仍有向上增加的趨勢，而20%與30%摻砂量的復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度卻有降低變緩的趨勢，由此可見，原狀土的抗剪強(qiáng)度隨著軸向應(yīng)變朝著更大變化，最終可能超過內(nèi)摩擦角小的20%與30%摻砂量復(fù)合土的抗剪強(qiáng)度[6].

由表4可以看出，在淤泥質(zhì)軟土中摻砂形成的復(fù)合土，其黏聚力變化較大，且是朝著變大方向變化，究其原因，本文所選軟土為含有機(jī)質(zhì)的淤泥質(zhì)軟土，摻入砂子后，其物理力學(xué)性質(zhì)都有了較大的變化，由表1、表3可見，土孔隙比由1.563降低至0.377以下，壓縮系數(shù)由0.97MPa-1降低到0.39MPa-1，軟土內(nèi)部的結(jié)構(gòu)明顯被破壞，由此可見，對(duì)于在含有機(jī)質(zhì)的淤泥質(zhì)軟土中摻砂所形成的復(fù)合土，不宜將其黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的變化趨勢作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn).

而在復(fù)合土中，隨著摻砂量不斷提高，其內(nèi)摩擦角φ不斷增大，而黏聚力c則不斷減小.

表4 土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2.2 有效應(yīng)力路徑的特性分析 對(duì)于加荷過程的土體內(nèi)某點(diǎn)，其應(yīng)力狀態(tài)的變化可在應(yīng)力坐標(biāo)圖中以應(yīng)力點(diǎn)的移動(dòng)軌跡表示，此種軌跡即為應(yīng)力路徑.由于土體的變形和強(qiáng)度不僅與受力大小有關(guān)，而且它們還與土的應(yīng)力歷史有關(guān)，因此土的應(yīng)力路徑可以模擬土體實(shí)際的應(yīng)力歷史[7].文南[8]認(rèn)為，根據(jù)剪切時(shí)的有效應(yīng)力路徑來確定土體遭受破壞時(shí)的應(yīng)力是一種可取的方法.

圖9,10,11,12分別為淤泥質(zhì)原狀軟土以及3種不同摻砂配合比所形成的復(fù)合土在50kPa、100kPa、150kPa、200kPa不同圍壓下的有效應(yīng)力路徑圖，由圖中可以看出：在剪切初期應(yīng)力路徑點(diǎn)較為分散，到土體強(qiáng)度達(dá)到最大值及其附近時(shí)而變得密集[9]；

由圖10,11可知，兩種類型的復(fù)合土在同圍壓下的應(yīng)力路徑有較大的相似性，其中100kPa、150kPa、200kPa的應(yīng)力路徑點(diǎn)均呈明顯的“S”形分布，圖12表明，40%摻砂量的復(fù)合土在高圍壓下呈不明顯‘S’曲線，為正常固結(jié)狀態(tài)，而圖10,11,12中，在圍壓50kPa時(shí)應(yīng)力路徑向右傾斜，有超固土應(yīng)力路徑的特性[7].

20%與30%摻砂量的兩種復(fù)合土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表明，在低圍壓下，呈一定應(yīng)變軟化狀態(tài)，所以其應(yīng)力路徑有較為明顯的不同；而原狀土以及40%摻砂量的復(fù)合土，其應(yīng)力應(yīng)變曲線則出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，所以兩者的應(yīng)力路徑曲線的形狀相似，也有超固結(jié)土的特性，其主要是由土樣的結(jié)構(gòu)引起，較高的固結(jié)應(yīng)力會(huì)部分或者全部破壞土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度，而在較低的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)下土顆粒之間的膠結(jié)強(qiáng)度是在加載過程中逐漸破損的[9-11].

3 結(jié) 論

(1)在原狀淤泥質(zhì)軟土中摻砂，于20%～40%摻砂量范圍內(nèi)，摻量越多，中細(xì)砂與軟土的結(jié)合就越密切，其內(nèi)部膠結(jié)力也越大，其所形成的復(fù)合土的壓縮系數(shù)亦越低，壓縮模量亦越大，壓縮性亦越弱.

(2)隨著摻砂量的增加，復(fù)合土孔隙比逐漸變小，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更為密實(shí)，抗剪強(qiáng)度在高圍壓下有大幅度提升.但在50kPa以及100kPa的低圍壓下較原狀土的提升不是很明顯，即在實(shí)際工程中噴砂進(jìn)入淤泥質(zhì)軟土地基，在圍壓較高以及摻砂量達(dá)到40%的情況下，效果顯著.

(3)20%與30%摻砂量的復(fù)合土應(yīng)力應(yīng)變曲線，在低圍壓下呈一定應(yīng)變軟化現(xiàn)象，在高圍壓下呈應(yīng)變硬化現(xiàn)象；而原狀土以及40%摻砂量復(fù)合土在所有圍壓下都呈現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象.

(4)本文3種配合比的復(fù)合土的應(yīng)力路徑，應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為應(yīng)變硬化現(xiàn)象的情況下，在高圍壓下呈現(xiàn)明顯或者不太明顯的“S”形曲線，土體呈正常固結(jié)狀態(tài)；原狀土在高圍壓，應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為應(yīng)力軟化的復(fù)合土在低圍壓下時(shí)，應(yīng)力路徑向右傾斜，表現(xiàn)出超固結(jié)狀態(tài)的特征.

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Compound Soil Incorporation of Medium-fine Sands in Soft Soil in Haikou

Tan Jie, Li Guangfan, Hu Wei, Zhao Jiling, Liu Shunkai

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, a series of tests on compound soil which mixed with medium-fine sands in soft soil in Haikou was performed. The strength, relationship between stress and strain, compressibility and the effective stress path properties of compound soil with different mix proportion and undisturbed soft soil under the different confining pressure were analyzed. The results indicated that with the increase of medium-fine sands in the soft soil, under same confining pressure, the greater shear strength, the more obvious the dilatancy; under the low confining pressure, compound soil showed strain softening, while under the higher confining pressure, two kinds of soils showed strain hardening phenomenon; with the increase of medium-fine sands in compound soil, the effective stress path of compound soil converts from oblique line or arc line to s-shape gradually.

compound soil; tri-axial test; muddy soft soil

2016-10-23

國家自然基金項(xiàng)目(51508141)；海南大學(xué)2016研究生實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目(個(gè)人自然科學(xué))

譚杰(1993-)，男，貴州務(wù)川縣人，海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院2015級(jí)碩士研究生，E-mail：1454063368@qq.com

李光范(1959-)，男，吉林廷邊人，博士，教授，研究方向?yàn)檐浲亮W(xué)和生態(tài)護(hù)坡，E-mail:lgf1728@163.com

1004-1729(2017)01-0064-06

TU 43

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0012