振動排水固結法加固漫灘相軟土可行性試驗研究

孫延長　苗永紅　張新

摘 要：為了研究振動排水固結法加固漫灘相軟土的可行性，采用自主研制LD-8型動態(tài)固結滲透儀對漫灘相軟土進行振動排水固結試驗。分析排水條件、振動荷載和頻率對其固結效果的影響及固結后試樣的抗剪強度和含水量。試驗結果表明：四邊加中間排水能夠顯著地提高軟土的固結效率；在不同頻率的振動荷載作用下，軟土的固結效果存在明顯差異。振動排水固結法比靜力排水固結法更加有效地提高軟土的固結效率和抗剪強度，顯著地降低含水量，對于軟土地基加固具有良好的效果。

關鍵詞：振動荷載；頻率；固結；軟土；試驗

中圖分類號：TU447 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0053-04

改革開放至現在，我國城市建設和基礎建設等大型工程建設的步伐不斷加快，由于軟土在我國廣泛分布。因此，各種大型項目如高層建筑、港口、機場、鐵路、道路和隧道等工程項目不可避免地建于這類軟土地基上。軟土具有初始強度低、壓縮性大、滲透性低等特點。該類地基在上部荷載作用下具有強度低、變形大以及長期變形不穩(wěn)定的特征，導致其不能滿足許多工程建設的要求。因此，對其進行處理以提高其強度和穩(wěn)定性成為巖土工程界普遍關心和首要解決的重要問題之一。目前，國內已有多種方法對軟土地基進行加固處理，如排水固結法、換填法和化學加固法等。由于軟土地基具有不良的工程特性，各種加固技術處理軟土地基時會有一些缺陷。因此，探索合適的軟土加固技術來處理軟土地基顯得尤為重要。振動采油方法是一種全新的采油方法。對震源設置不同的頻率，然后使其在地面進行振動，當振動頻率等于土層的固有頻率時，產生共振現象，從而取得良好的振動采油效果。

根據振動采油原理并結合動力排水固結技術，嘗試采用周期性振動荷載代替沖擊荷載，結合良好的排水通道，提出振動排水固結法加固漫灘相軟土地基。采用自主研發(fā)LD-8型動態(tài)固結滲透儀對漫灘相軟土進行振動排水固結試驗，研究其加固效果。

2 試驗儀器及方法

2.1 試驗儀器介紹

該儀器可同時對軟土施加靜載和振動荷載，能夠實時采集軸向位移、排水量、軸向累計應變、荷載和排水體積應變，可開展對振動荷載作用下飽和軟土固結和變形特性進行研究。主要包括：控制裝置，壓力室，加載裝置和排水裝置，如圖1所示。控制裝置包括位移顯示儀、壓力控制器。加載裝置主要由空壓機、伺服放大器、伺服油缸、伺服閥、荷載傳感器、高速AD/DA卡組成?？梢允┘拥撵o荷載和振動荷載為：0～2kN，振動頻率范圍為：0～10Hz。在試驗過程中采用應力控制模式，振動荷載形式可選擇方形波、正弦波和三角波振動荷載。排水裝置主要由兩個帶刻度的排水管和傳感器組成，可以準確記錄每秒鐘的排水體積應變。

2.2 試驗步驟

試驗所用軟土取自江蘇鎮(zhèn)江某長江邊地基處理現場，其典型的物理性質如表1。為了更好地模擬工程現場的受力情況，選擇用模具將軟土制備成直徑為61.8mm，高度128mm的圓柱體。在制作土樣時，根據試驗方案，首先沿模具內側四周等間隔放置土工布，土工布和模具底部和頂部的透水石組成排水通道。然后用和試樣同尺寸的薄壁取土器取出土樣，用推土器緩慢地將土樣推至裹包橡皮膜的模具中。將制備完成的土樣放置于壓力室內，因軟土的含水率大于液限，試樣初始強度很小，在其重力作用下，試樣很難直立。因此，需要在試樣外側加一套雙瓣膜，使軟土在荷載作用下僅發(fā)生豎向固結，實驗操作步驟如圖2所示。試驗前將加載桿緩慢和土樣上頂面接觸，試驗過程中可以通過數據采集系統(tǒng)對軟土施加的靜荷載和振動荷載，并且可以設置其他相關參數。為了分析振動荷載、頻率和靜荷載對軟土固結效率的影響，振動荷載幅值分別為0.15kN和0.2kN，頻率分別為0，1，2，5，10Hz。對試樣采用正弦波形式的振動荷載，加載方式如圖3所示，其函數表達式如下：

f（t）=P + Fsin（2πft ） （1）

式中P為靜荷載，F為振動荷載幅值，f為振動頻率，t為加載時間。

3 漫灘軟土加固試驗分析

3.1 排水條件對固結效果的影響

采用土工布條均勻地貼在試樣四周或者在其中間設置砂井作為排水通道。為了研究排水條件對軟土固結效率的影響，設置了四種不同方式的排水條件，分別為四邊排水（四條土工布條）、三邊排水（三條土工布條）、四邊加砂井組合排水三個試驗方案見圖4。

從圖5中可以看出，四邊加中間排水條件下排水體積應變和軸向累計應變最大；三邊排水條件下排水體積應變和軸向累計應變明顯小于其他排水條件，四邊排水條件下排水體積應變和軸向累計應變優(yōu)于三邊排水條件。另外，在0～30min以內，四邊排水條件下排水體積應變和軸向累計應變與四邊加中間排水條件下排水體積應變和軸向累計應變相差不大，在30～140min內兩者的差異不斷增大。由試驗結果分析可知，四邊加中間排水條件對軟土固結效率最高，優(yōu)于四邊排水效果，四邊排水條件下漫灘相軟土的固結效果次之，三邊排水條件下固結效果最差；四邊加中間排水條件與四邊排水條件下排水體積應變和軸向累計應變在固結前期沒有明顯的差異，而在固結后期才產生一定的差異性。在后續(xù)試驗中采用四邊加中間排水條件。

3.2 軸向累計應變與時間的關系

從圖6可以看出，在固結初期（0～50min），在此階段軟土孔隙比大，在振動荷載和靜荷載作用下孔隙水迅速排出，軸向累計應變快速增長。在固結中期（50～100min），此時試樣的孔隙比都緩慢下降。靜荷載作用下軸向累計應變緩慢增長；而振動荷載作用下軸向累計應任然繼續(xù)增長，靜荷載和振動荷載下軸向累計應變出現明顯的差別。在固結后期（100～140min），土樣孔隙率更加緩慢地減小，軸向累計應變趨于穩(wěn)定，振動荷載和靜荷載下軸向累計應變差別緩慢擴展并趨于停止。當振幅為0.15kN時，頻率為1Hz時軸向累計應變最大，頻率5Hz下軸向累計應變最小，其最大值和最小值分別比靜荷載提高28.35%和9.95%；當振幅為0.2kN時，頻率2Hz下軸向累計應變最大，頻率5Hz下軸向累計應變最小，其最大值和最小值分別比靜荷載提高22.42%和5.54%。由試驗結果分析可知，在相同條件下，振動荷載下軸向累計應變比靜荷載下軸向累計應變大，當靜荷載下試樣的軸向累計應變趨于穩(wěn)定時，振動荷載作用下試樣的軸向累計應變仍然在增長。隨著振動荷載幅值的增大，軸向累計應變和排水體積應變相應地逐漸增大。不同的振動頻率具有不同的固結效果，當振動荷載的頻率接近于試樣的固有頻率時，會引起土體發(fā)生共振現象，當土體發(fā)生共振時產生更大的振幅，土顆粒和水分子更加劇烈地運動。因此，加快孔隙水滲流速度，導致軸向累計應變增加。由于在不同荷載幅值下，不同固結時間段內試樣具有不同的固結程度，導致各個試樣具有不同的固有頻率。

3.3 排水體積應變與時間的關系

從圖7可以看出，在固結初期（0～50min），振動排水固結和靜力排水固結的排水體積應變占總排水體積應變的60%～78%以上，振動荷載作用下排水體積應變與靜荷載作用下排水體積應變的差值比較小。在固結中期（50～100min），試樣的含水率和孔隙率變小。靜荷載作用下排水體積應變增長趨緩；而振動荷載作用下排水體積應變增長仍然較快，振動荷載作用下排水體積應變與靜荷載作用下排水體積應變的差值更加明顯。在固結后期（100 ～140min），試樣的含水量和孔隙比更低，振動荷載作用下排水體積應變趨于平穩(wěn)，振動荷載和靜荷載作用下排水體積應變差別停止擴展。當振幅為0.15kN時，振動荷載作用下最大排水體積應變和最小排水體積應變分別比靜荷作用下排水體積應變提高23.56%和10.83%。當振幅為0.2kN時，振動荷載作用下最大排水體積應變和最小排水體積應變分別比靜荷載作用下排水體積應變提高為17.69%和7.26%。由試驗結果分析可知，在相同條件下，振動荷載作用下排水體積應變大于靜荷載作用下排水體積應變，表明振動荷載激發(fā)弱結合水并將其轉化為自由水，促進土顆粒和水分子產生相對運動，有效改良軟土的滲透性，加速土體中水分子的遷移，有利于土體固結，使得其固結效果優(yōu)于靜荷載。

3.4 抗剪強度的變化

從圖8中可以看出，固結完成后，試樣的含水率顯著降低，土體強度顯著提高，土體從流塑狀態(tài)轉變?yōu)榭伤苌踔劣菜軤顟B(tài)，呈現出可以直立的狀態(tài)。

抗剪強度指標主要與土粒的礦物成分、形狀、大小及顆粒級配、含水量以等有關。試驗中采用相同的軟土，所以試樣的礦物成分、形狀、大小和含水量等相同。從圖9中可知，振動排水固結法處理后試樣內摩擦角和粘聚力分別為5.43°和19.107kPa；靜力排水固結法處理后試樣的內摩擦角和粘聚力分別為2.27°和16.963kPa。由試驗結果分析可知，振動荷載作用下試樣的內摩擦角和粘聚力明顯大于靜荷載作用下內摩擦角和粘聚力。振動荷載能夠使土顆粒重新排列，組成更加穩(wěn)定的結構，有效地提高排水體積應變，產生更大的軸向累計應變，從而使得土樣的孔隙比減小，密實度增加，提高試樣的抗剪強度。

3.5 含水量變化

為了探究固結完成后試樣的水分分布情況，將試樣沿高度平均分為9個部分，然后測定每個部分的含水量。從圖10中可以看出，靜載作用下試樣的含水最低，當頻率為2Hz時，試樣的含水量最大，并且大于頻率1Hz下試樣的含水量；當頻率為5Hz時，試樣的含水量小于頻率1Hz下試樣的含水量，這與當振幅為0.2kN時，各個振動頻率下軟土的總排水體積應變變化規(guī)律相一致。

另外，試樣上、中、下三部分含水率不一樣，而且以中部含水率最大，下部次之，上部最小。由試驗結果分析可知，相較與靜荷載，振動荷載作用下軟土的含水量降低程度更大；試樣上部與下部含水量較低，兩者相差很小，而中部含水量卻較大，符合試樣雙面排水固結規(guī)律。

4 結論

通過振動排水固結法加固漫灘相軟土可行性研究，可以得出如下一些結論：

（1）在相同條件下，四邊加中間排水能夠最為有效地提高軟土固結效率，四邊加中間排水條件下軟土的固結效果與四邊排水條件在固結前期沒有明顯的差異，而在固結后期才產生一定的差異性。研究表明在軟土中設置的排水通道面積越大，固結效率越高。

（2）相較于靜荷載，振動荷載能夠明顯地提高軟土抗剪強度，振動荷載作用下軟土的固結效率顯著地提高。

（3）不同的振動頻率對漫灘相軟土固結具有一定的影響，且在不同的振動荷載幅值下，其最佳振動頻率不同。當振動頻率接近軟土的固有頻率時，土體發(fā)生共振，產生更大的振幅，土顆粒和水分子更加劇烈地運動。因此，加快孔隙水滲流速度，導致軸向累計應變和排水體積應變增加，從而提高軟土的固結效率。

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基金項目： 江蘇省六大人才高峰項目：（2014JZ011）