基于振動(dòng)排水固結(jié)試驗(yàn)的軟土動(dòng)力特性研究

徐華榮，劉剛

(1.鎮(zhèn)江市勘察測(cè)繪研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000； 2.鎮(zhèn)江技師學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

1 前 言

鎮(zhèn)江市位于我國(guó)東南地區(qū)，北鄰長(zhǎng)江，屬于典型的沉積相軟土地質(zhì)，承載能力低，滲透性差，地基容易發(fā)生明顯的差異性沉降和裂縫，對(duì)建筑物的影響較為嚴(yán)重。為了研究這種軟土的特性，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)固結(jié)滲透儀，對(duì)鎮(zhèn)江地區(qū)的沉積相軟土試樣進(jìn)行了振動(dòng)排水固結(jié)試驗(yàn)。動(dòng)力排水固結(jié)方法是一種復(fù)合型軟土地基處理技術(shù)，可直接改善軟土地基本身的力學(xué)性能，能夠充分激發(fā)土體的潛在性能，使軟土地基的結(jié)構(gòu)性能在較短時(shí)間內(nèi)得到改善。

到目前為止，許多學(xué)者分別用不同的試驗(yàn)方法對(duì)軟土的固結(jié)排水進(jìn)行了研究。Kazuya等[1]運(yùn)用動(dòng)三軸儀對(duì)軟土在循環(huán)荷載作用下的固結(jié)沉降進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，土體的變形由彈性變形逐步轉(zhuǎn)化為塑性變形，且隨著荷載作用時(shí)間的推移，塑性變形越來越大。Hansbo等[2]利用強(qiáng)夯加固的方法，從微觀角度對(duì)軟土的排水固結(jié)進(jìn)行了解釋，認(rèn)為軟土的孔隙水中存在可活動(dòng)的微粒，這些微粒在強(qiáng)夯作用下可以被激活，從而使軟土中的結(jié)合水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤慌懦觯倥浜线m當(dāng)?shù)呐潘ǖ?，可以加速軟土的固結(jié)排水。李彰明、劉俊雄[3]利用高速電磁脈沖裝置對(duì)軟土進(jìn)行了固結(jié)排水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在軟土中動(dòng)力能量的傳遞隨深度方向呈現(xiàn)衰減的特性，從而得出動(dòng)力荷載的作用會(huì)導(dǎo)致軟土殘余應(yīng)力的存在，并且這種殘余應(yīng)力對(duì)沉降起到?jīng)Q定性的作用。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)浲吝M(jìn)行振動(dòng)排水固結(jié)試驗(yàn)，所需要的動(dòng)態(tài)固結(jié)滲透儀可同時(shí)對(duì)軟土施加靜壓荷載和振動(dòng)荷載，并對(duì)軸向位移、三向應(yīng)力、排水量等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、采集、儲(chǔ)存，同時(shí)可對(duì)振動(dòng)荷載作用下軟土固結(jié)、變形特性進(jìn)行細(xì)化研究。圖1為本文所用試驗(yàn)裝置的實(shí)物圖。該試驗(yàn)裝置主要包括：控制系統(tǒng)、壓力室、加載系統(tǒng)、排水系統(tǒng)以及由各種傳感器組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)能高效，在試驗(yàn)過程中能夠?qū)崟r(shí)記錄試驗(yàn)過程中的軸向應(yīng)變、排水量、孔隙水壓力等的變化情況。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

試驗(yàn)主要包括試樣制備、試樣安裝、固結(jié)試驗(yàn)、土樣前后物理力學(xué)性狀指標(biāo)的測(cè)試以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理。由于試驗(yàn)儀器采用的是自行設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)固結(jié)滲透儀，儀器制作過程中可能存在誤差，且無相關(guān)成熟的試驗(yàn)操作規(guī)程，所以參照動(dòng)三軸儀器對(duì)試驗(yàn)可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行校核。如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3的比較曲線可以看出，本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)固結(jié)滲透儀與動(dòng)三軸儀器的試驗(yàn)結(jié)果相近，偏差在5%之內(nèi)，可以認(rèn)為其精度能夠達(dá)到要求。

圖2 排水量與時(shí)間的關(guān)系

圖3 軸向應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)采用對(duì)比的方法，即在相同條件對(duì)試樣分別施加靜載與振動(dòng)荷載，以便分析振動(dòng)荷載對(duì)軟土的軸向應(yīng)變與排水效果的影響。

為了得到對(duì)比結(jié)果，表1列出了每組試驗(yàn)的軟土試樣分組以及每一組試樣的圍壓和加載頻率情況。

軟土試樣的分組 表1

圖4為不同頻率荷載作用下，圍壓與排水量的關(guān)系曲線。由圖4不難看出，荷載的頻率越大，試樣的排水量就越大，而且不論荷載頻率多大，排水量都是先直線上升然后越來越慢，且在同一荷載頻率作用下，圍壓越大，最終的排水量就越大。

圖5為在同一圍壓下，荷載頻率與排水量的關(guān)系曲線。

圖4圍壓與排水量的關(guān)系曲線

圖5 荷載頻率域排水量的關(guān)系曲線

由圖5可以看出，在同一圍壓作用下，振動(dòng)排水固結(jié)的效果要優(yōu)于靜壓排水固結(jié)，也就是說振動(dòng)作用有利于提高排水效率，增加排水量。且當(dāng)頻率為 1 Hz和 2 Hz時(shí)，固結(jié)排水的效果最好，說明軟土的固有頻率比較低。還可以發(fā)現(xiàn)，圍壓越大排水量就越大，因此圍壓的大小對(duì)軟土的固結(jié)排水影響很大。

圖6 荷載幅值對(duì)排水量的影響

圖6為振動(dòng)荷載的幅值對(duì)軟土排水量的影響，可以發(fā)現(xiàn)相同的圍壓和振動(dòng)頻率作用下，施加的振動(dòng)荷載幅值越大，振動(dòng)排水固結(jié)試驗(yàn)過程中的排水速率就越大，總排水量增加。

為了研究試驗(yàn)前后軟土的物理指標(biāo)變化情況，對(duì)試驗(yàn)前后軟土試驗(yàn)的孔隙比和含水量進(jìn)行了比較，如表2、圖7所示。

由表2和圖7不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過排水固結(jié)試驗(yàn)后，土體的含水量和孔隙比都有很大程度的降低，抗剪強(qiáng)度明顯提高，且振動(dòng)排水固結(jié)效果要好于靜壓排水固結(jié)。

試驗(yàn)前后土的含水率變化情況(單位/%) 表2

圖7試驗(yàn)前后軟土孔隙比的變化情況

4 結(jié) 論

通過對(duì)鎮(zhèn)江地區(qū)沉積相軟土進(jìn)行振動(dòng)固結(jié)試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

(1)在相同的條件下，振動(dòng)排水固結(jié)方法處理軟土較靜壓方式，具有更高的排水速率和軸向應(yīng)變速率，因此，對(duì)軟土施加振動(dòng)荷載，可以有效地加速和促進(jìn)軟土的固結(jié)完成。

(2)對(duì)軟土施加動(dòng)載的振動(dòng)頻率、振動(dòng)荷載幅值和圍壓的大小對(duì)振動(dòng)排水固結(jié)試驗(yàn)有重要影響。當(dāng)施加的振動(dòng)頻率接近軟土固有頻率時(shí)，會(huì)引起土體的共振，從而加速土體的排水固結(jié)。

(3)荷載的振幅越大，加固效果越好，且加固深度愈大。圍壓提高，有利于軟土的排水固結(jié)，但同時(shí)會(huì)弱化振動(dòng)效應(yīng)，所以振動(dòng)排水固結(jié)較適用于淺層軟土地基處理，若要加固深層的軟土，可以通過加大振幅，但其經(jīng)濟(jì)性還需商榷。