土結(jié)構(gòu)性對軟土振動排水量的影響

苗永紅 朱天騁 殷杰

文章編號：1671-3559（2024）01-0001-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20231108.001

摘要：針對當前振動排水法加固軟土地基未考慮土結(jié)構(gòu)性影響的研究空白，以衡量振動排水效果的標準中最具代表性的振動排水量為研究對象，

探討土結(jié)構(gòu)性對軟土振動排水量的影響；通過摻入不同質(zhì)量的水泥調(diào)節(jié)軟土的膠結(jié)程度，使用鹽粒構(gòu)造大孔隙結(jié)構(gòu)，對孔隙比分別為1.3、1.5、1.7，摻入水泥的質(zhì)量分數(shù)分別為2%、4%、6%，摻入鹽粒的質(zhì)量分數(shù)分別為0、5%、10%的結(jié)構(gòu)性軟土進行圍壓分別為40、70、120 kPa的振動排水試驗，分析孔隙比、膠結(jié)程度、大孔隙結(jié)構(gòu)3個結(jié)構(gòu)性因素影響下軟土的振動排水效果。結(jié)果表明：孔隙比對結(jié)構(gòu)性軟土振動排水效果的影響最大，在相同圍壓時，結(jié)構(gòu)性軟土的振動排水量隨著孔隙比的增大而增大，隨著膠結(jié)程度和大孔隙結(jié)構(gòu)的增大而減??；圍壓的增大會劣化結(jié)構(gòu)性軟土的振動排水效果；在中、低圍壓時，膠結(jié)程度對結(jié)構(gòu)性軟土振動排水效果的影響較大且隨著圍壓的增大而逐漸減小，大孔隙結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)性軟土振動排水效果的影響較小。

關(guān)鍵詞：軟土；土結(jié)構(gòu)性；振動排水；圍壓；振動排水量

中圖分類號：TU447

文獻標志碼：A

開放科學(xué)識別碼（OSID碼）：

Influences of Soil Structure on Vibration Drainage Volume of Soft Soils

MIAO Yonghong， ZHU Tiancheng， YIN Jie

（Faculty of Civil Engineering and Mechanics， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China）

Abstract： In view of the current research blank that influences of soil structure was not considered in vibration drainage methods to strengthen soft soil foundation， influences of soil structure on vibration drainage volume of soft soils were discussed taking the most representative vibration drainage volume among standards for measuring the vibration drainage effect as the research object. Cementation degree of soft soils was adjusted by adding cement with different masses， salt particles were used to construct macropore structure， and vibration drainage tests with confining pressures of 40， 70， 120 kPa were conducted for structural soft soils with void ratios of 1.3， 1.5， 1.7， cement mass fractions of 2%， 4%， 6%， and salt particle mass fractions of 0， 5%， 10% to analyze vibration drainage effect of soft soils under influences of three structural factors of void ratio， cementation degree， and macroporous structure. The results show that the void ratio has the greatest? influence on the vibration drainage effect of structrual soft soils. At the same confining pressure， the vibration drainage volume of structural soft soils increases with the increase of void ratio， and decreases with the increase of cementation degree and macropore structure. The increase of confining pressure can deteriorate? the vibration drainage effects of structural soft soils. At medium and low confining pressures， the influence of cementation degree on vibration drainage effect of structrual soft soils is great and gradually decreases with the increase of confining pressure， while the influence of macropore structure on vibration drainage effect of structrual soft soils? is small.

Keywords： soft soil; soil structure; vibration drainage; confining pressure; vibration drainage volume

收稿日期：2022-11-02????????? 網(wǎng)絡(luò)首發(fā)時間：2023-11-10T07：18：52

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51978315）

第一作者簡介：苗永紅（1973—）， 男， 山西陽泉人。 副教授， 博士， 碩士生導(dǎo)師，研究方向為軟土地基處理，原位測試新技術(shù)。E-mail：

yhmiao@ujs.edu.cn。

網(wǎng)絡(luò)首發(fā)地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231108.1617.002

我國東南沿海、內(nèi)河兩岸區(qū)域多分布軟土。軟土的高壓縮性、大孔隙比、低強度等特點［1］常誘發(fā)地基出現(xiàn)過度沉降或不均勻沉降等一系列問題［2-3］。近年來，眾多學(xué)者提出了各種加固法，如化學(xué)電滲法［4］、交替式真空預(yù)壓加固法［5］、多向攪拌水泥砂漿樁加固法［6］。軟土普遍存在的土結(jié)構(gòu)性不僅導(dǎo)致各向異性、固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)差異顯著，還可能使軟土在不同應(yīng)力狀態(tài)下體現(xiàn)不同的力學(xué)性質(zhì)［7］。如果忽視土結(jié)構(gòu)性差異，就會對軟土的振動排水效果產(chǎn)生重要影響。

土結(jié)構(gòu)性泛指土顆粒和孔隙的性狀、排列方式及粒間相互作用［8］。沈珠江［9］稱土結(jié)構(gòu)性為21世紀土力學(xué)的核心。土結(jié)構(gòu)性作為軟土力學(xué)的一種固有屬性，是原狀和擾動或重塑狀態(tài)區(qū)分的重要特征。由于在對天然軟土進行取樣、運輸、儲存、試驗時，擾動和試樣離散性的影響使土結(jié)構(gòu)性的研究產(chǎn)生難度［10］，因此諸學(xué)者選擇室內(nèi)制備結(jié)構(gòu)性軟土開展研究。蔣明鏡等［11］通過摻入冰粒和水泥制備結(jié)構(gòu)性軟土，王智超等［12］采用淤泥土、水泥、高嶺土和尿素混合制備結(jié)構(gòu)性軟土，均發(fā)現(xiàn)制得結(jié)構(gòu)性軟土的孔隙比與設(shè)計孔隙比存在一定偏差。劉恩龍等［13］通過摻入水泥、鹽粒，模擬天然軟土的大孔隙結(jié)構(gòu)和膠結(jié)強度。以上研究均反映出通過摻料模擬天然軟土結(jié)構(gòu)性的可行性，但是現(xiàn)有研究主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)性軟土的制備和土結(jié)構(gòu)性對軟土強度、屈服應(yīng)力、應(yīng)變特性等的影響。目前土結(jié)構(gòu)性對軟土地基加固的影響鮮有報道，特別是在軟土振動排水處理中尚未考慮土結(jié)構(gòu)性的影響。

本文中參照現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性軟土制備方法，從孔隙比、膠結(jié)程度、大孔隙結(jié)構(gòu)3個結(jié)構(gòu)性因素出發(fā)，以衡量振動排水效果的標準中最具代表性的振動排水量為研究對象，探討土結(jié)構(gòu)性對軟土振動排水量的影響，分析3個結(jié)構(gòu)性因素影響下軟土的振動排水效果。

1? 試驗

1.1? 試驗設(shè)備

試驗采用課題組自主研發(fā)的振動排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括加壓、監(jiān)測、傳力、排水及數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)，可以同時對試樣施加靜、動荷載，實時采集排水量、軸向應(yīng)變等參數(shù)。振動排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2? 結(jié)構(gòu)性軟土制樣

原料土取自江蘇省鎮(zhèn)江市長江流域某地基處理項目，采用高度為30 cm、直徑為30 cm的聚氯乙烯

（PVC）圓管，以靜壓的方式壓至設(shè)計深度進行獲取。土粒比重即土粒與等體積4 ℃純水的質(zhì)量比為2.715，含水率為57.12%，密度為1.69 g/cm3。

參照文獻［13］中結(jié)構(gòu)性軟土的制備方法，在重塑土中摻入標號為P.O42.5的普通硅酸鹽水泥調(diào)節(jié)土顆粒間的膠結(jié)程度，摻入鹽粒并將鹽粒溶解以構(gòu)造土體內(nèi)部的大孔隙結(jié)構(gòu)。

步驟1? 配料。依據(jù)配比，將烘干、碾碎后過孔徑為0.5 mm篩的原料土、鹽粒和水泥混合并攪拌均勻。

步驟2? 土樣制備。在承膜筒內(nèi)側(cè)四周等間距放置4根與底部透水石相連的長度為15 cm、寬度為1.5 cm的排水條，隨后將混合料裝入承膜筒并擊實，土樣如圖2（a）所示。

步驟3? 水浴養(yǎng)護。 為了實現(xiàn)大孔隙結(jié)構(gòu)， 將土樣放入飽和鹽水中養(yǎng)護24 h， 以防止鹽粒在水泥水化完成前被溶解， 然后放入流動的水槽中養(yǎng)護72 h使鹽粒溶解。

步驟4? 有效性分析。圖2（b）所示為水浴養(yǎng)護后制得結(jié)構(gòu)性軟土試樣的截面。從圖中可以清晰地看到，試樣中鹽粒溶解后留下較多大孔隙。水浴養(yǎng)護后風(fēng)干的試樣如圖2（c）所示，未發(fā)現(xiàn)風(fēng)干的試樣表面有鹽晶體析出，表明制得的結(jié)構(gòu)性軟土達到了預(yù)期目的，并且鹽粒最終完全溶解。

1.3? 試驗方案

試樣含水率高且強度低，為了防止直接加載導(dǎo)致試樣破壞，在進行振動排水試驗前，將試樣在圍壓為40、70、120 kPa的條件下先固結(jié)0.5 h，加載期間不改變圍壓。

根據(jù)文獻［14］，分4級逐級施加靜荷載至0.2 kN，每級加載時間為10 min， 而后保持靜荷載為0.2 kN， 施加頻率為1 Hz、幅值為0.05 kN的振動荷載。加載

（a）土樣（b）水浴養(yǎng)護后試樣的截面（c）水浴養(yǎng)護后風(fēng)干的試樣

方程［14］為

F=0.2+0.05sin［2π（t-40）］ ，

式中：F為總荷載；t為有效加載時間。結(jié)構(gòu)性軟土的振動排水試驗方案如表1所示。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 孔隙比對振動排水量的影響

為了分析孔隙比對振動排水量的影響，制得孔隙比為1.3、1.5、1.7，摻入水泥的質(zhì)量分數(shù)為2%，摻入鹽粒的質(zhì)量分數(shù)為5%的結(jié)構(gòu)性軟土，并在圍壓分別為40、70、120 kPa時進行試驗，3種圍壓分別稱為低、中、高圍壓。圖3所示為3種圍壓條件下不同孔隙比時結(jié)構(gòu)性軟土振動排水量與時間的關(guān)系。由圖可知：在3種圍壓條件下，不同孔隙比時結(jié)構(gòu)性軟土振動排水量均呈現(xiàn)拋物線增大趨勢，振動排水量隨著孔隙比的增大而增大。振動排水過程大致可分為快速增長和趨穩(wěn)2個階段。這主要歸因于飽和試樣在施加正弦諧波載荷后，土中水被排出，超孔隙水壓力逐漸消散。在施加振動荷載后期，因土體固結(jié)排水量減少而導(dǎo)致超孔隙水壓力幾乎完全消散［15］。如果將最終排水體積的90%作為排水控制值，則孔隙比越小時越先達到相應(yīng)控制值。以圍壓為40 kPa為例，當孔隙比分別為1.3、1.5、1.7時，達到控制值的相應(yīng)時間為150、170、190 min。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是低孔隙比的結(jié)構(gòu)性軟土顆粒排列更緊湊，土結(jié)構(gòu)性相對較弱，振動作用下土體內(nèi)部的顆粒排列和孔隙狀態(tài)不易進一步調(diào)整，因此滲透性差，難以排出土中水。高孔隙比軟土的土結(jié)構(gòu)性較強，孔隙體積占比較大，在振動作用下需要更久才能達到排水控制值。

為了進一步探討排水控制值與孔隙比的關(guān)系，分析3種圍壓條件下結(jié)構(gòu)性軟土排水控制值隨孔隙比的變化，結(jié)果如圖4所示。由圖可知：排水控制值受圍壓的影響顯著。在不同孔隙比時，排水控制值隨著圍壓的增大呈線性衰減。低圍壓時的控制值最大，中圍壓時的次之，高圍壓時的最小。高、低圍壓時的排水控制體積極差最大可達17.014 mL，產(chǎn)生該現(xiàn)象的主要原因是在前期固結(jié)時，高圍壓時自由水排水較多，在土體排水總量不變的前提下，后續(xù)階段排水量減少。

2.2? 膠結(jié)程度對振動排水量的影響

結(jié)構(gòu)性軟土的兩大主要物理特征是土顆粒間存在膠結(jié)和大孔隙結(jié)構(gòu)［15］。為了分析膠結(jié)程度對振動排水量的影響，對孔隙比為1.5，鹽粒摻入質(zhì)量分數(shù)為5%，摻入水泥的質(zhì)量分數(shù)分別為2%、4%、6%的結(jié)構(gòu)性軟土在3種圍壓條件下進行試驗。圖5所示為3種圍壓條件下不同膠結(jié)程度時結(jié)構(gòu)性軟土振動排水量與時間的關(guān)系。由圖可知，隨著膠結(jié)程度的強化，軟土的振動排水量逐漸減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要是膠結(jié)增強了土骨架剛度，使得結(jié)構(gòu)性軟土能承受更大荷載，并且水泥水化產(chǎn)物存在于內(nèi)部的孔隙中，導(dǎo)致水泥水化之后的結(jié)構(gòu)性軟土的孔隙比小于設(shè)計孔隙比［12］，土體內(nèi)部孔隙減少，孔隙中的自由水也減少。此外，水化產(chǎn)物與土顆粒相互搭接，導(dǎo)致土體致密性增強，使得滲透性劣化，導(dǎo)致振動排水過程中膠結(jié)程度高的結(jié)構(gòu)性軟土振動排水量更小。

由圖5（a）、（b）可知，在中、低圍壓條件下，膠結(jié)程度強化對振動排水量的減小影響顯著，振動排水體積極差可達12.234 mL。由圖5（c）可知，在高圍壓條件下，振動排水量差異較小，振動排水體積極差僅為4.826 mL，表明隨著圍壓的增大，膠結(jié)差異對振動排水量的影響減小，即隨著圍壓的增大，膠結(jié)程度對振動排水效果的影響逐漸弱化。這主要歸因于高圍壓下結(jié)構(gòu)性軟土在固結(jié)過程中會排出更多自由水，強化土顆粒間聯(lián)結(jié)并減少內(nèi)部孔隙，導(dǎo)致滲透性變差，而膠結(jié)進一步增強該趨勢，從而劣化后期振動排水效果。

圖6所示為3種圍壓條件下結(jié)構(gòu)性軟土排水控制值隨膠結(jié)程度的變化。從圖中可以看出：在3種圍壓條件下，排水控制值總體上隨著膠結(jié)程度的增加呈現(xiàn)喇叭閉口型線性衰減趨勢，即膠結(jié)程度對控制值的影響存在邊界。在中、低圍壓條件下，膠結(jié)程度對結(jié)構(gòu)性軟土的排水控制值影響較大，高圍壓條件下的影響較小，當圍壓為40 kPa時，結(jié)構(gòu)性軟土的排水控制體積相差可達11.011 mL，相較于圍壓為120 kPa時的4.343 mL增大了約1.54倍，表明圍壓的增大減小了膠結(jié)差異對振動排水量的影響，與由圖5得到的結(jié)論一致。

排水控制值隨膠結(jié)程度的變化

2.3? 大孔隙結(jié)構(gòu)對振動排水量的影響

大孔隙結(jié)構(gòu)決定了自由水在試樣內(nèi)部流動的難易，同時也是影響結(jié)構(gòu)性軟土振動排水量的主要因素之一。圖7所示為3種圍壓條件下不同大孔隙結(jié)構(gòu)時孔隙比為1.5，摻入水泥的質(zhì)量分數(shù)為2%的結(jié)構(gòu)性軟土振動排水量與時間的關(guān)系。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在3種圍壓條件下，鹽粒摻量大的結(jié)構(gòu)性軟土前期振動排水量略大于摻量小的，但是在加載中后期出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，即前期大孔隙結(jié)構(gòu)多的振動排水量大，后期大孔隙結(jié)構(gòu)少的振動排水量大，并且2種振動排水量曲線會在某個時刻相交，表明大孔隙結(jié)構(gòu)對振動排水量的影響存在臨界值。產(chǎn)生該現(xiàn)象最主要的原因可能是滲透特性的影響：由于鹽粒的直徑大于土體內(nèi)部孔隙直徑，因此鹽粒溶解后會形成大孔隙結(jié)構(gòu)，隨著鹽粒摻量的增大，養(yǎng)護后的試樣內(nèi)部孔隙直徑增大，而軟土的滲透性隨著孔隙直徑的減小而劣化［16］。摻入鹽粒的質(zhì)量分數(shù)為10%的結(jié)構(gòu)性軟土具有更大的孔隙直徑，滲透性較好，在固結(jié)過程和加載初期能排出更多的自由水，但是在后期，試樣受壓發(fā)生豎向應(yīng)變，土體顆粒重新排列，孔隙面積減小，導(dǎo)致土體滲透性減小。由于摻量大的結(jié)構(gòu)性軟土在初期固結(jié)時就排出了更多的水，因此在排水總量相差較小的條件下，導(dǎo)致鹽粒摻量大的結(jié)構(gòu)性軟土在中后期振動排水量減小。

圖8所示為3種圍壓條件下結(jié)構(gòu)性軟土排水控制值隨大孔隙結(jié)構(gòu)的變化。從圖中可以看出：在中、低圍壓條件下，大孔隙結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)性軟土的排水控制值影響較小，而高圍壓條件下的影響較大。當圍壓分別為40、70、120 kPa時，摻入鹽粒的質(zhì)量分數(shù)每增大5%，排水控制體積分別減小約5%、8%、18%，表明隨著圍壓的增大，不同孔隙結(jié)構(gòu)軟土的排水控制值的差異變大，即隨著圍壓的增大，大孔隙結(jié)構(gòu)對振動排水效果的影響較大。導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是在低圍壓條件下，雖然摻入鹽粒質(zhì)量分數(shù)大的結(jié)構(gòu)性軟土滲透性更好，但是在圍壓較小時，固結(jié)排水量較小，在進行振動排水時，含水率較大，振動排水效果好，導(dǎo)致3種大孔隙結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性軟土振動排水效果相接近。在高圍壓條件下固結(jié)后的結(jié)構(gòu)性軟土因滲透性的差距而導(dǎo)致?lián)饺臌}粒質(zhì)量分數(shù)大的結(jié)構(gòu)性軟土在固結(jié)時的排水量大于摻入鹽粒質(zhì)量分數(shù)小的，該差距在之后的振動排水過程中會進一步加大。

2.4? 結(jié)構(gòu)性因素對振動排水量極差的影響

對不同圍壓時孔隙比、膠結(jié)程度、大孔隙結(jié)構(gòu)3個結(jié)構(gòu)性因素影響下軟土的振動排水量極差進行對比，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)： 在圍壓為40 kPa時，孔隙比與膠結(jié)程度影響下軟土的振動排水量極差接近，大孔隙結(jié)構(gòu)影響下的振動排水量極差最小。在圍壓為70 kPa時，結(jié)構(gòu)性因素按照對振動排水量極差影響由大到小的順序為孔隙比、膠結(jié)程度、大孔隙結(jié)構(gòu)。在圍壓為120 kPa時，結(jié)構(gòu)性因素按照對振動排水量極差影響由大到小的順序為孔隙比、大孔隙結(jié)構(gòu)、膠結(jié)程度。上述結(jié)果表明，在3個結(jié)構(gòu)性因素影響下的振動排水量極差對比低、中、高圍壓下，孔隙比對結(jié)構(gòu)性軟土的振動排水量極差影響最大， 即孔隙比對振動排水效果影響最大， 在中、低圍壓條件下， 膠結(jié)程度的影響次之， 大孔隙結(jié)構(gòu)的影響最小， 而在高圍壓條件下， 膠結(jié)程度的影響小于大孔隙結(jié)構(gòu)的。 由此可知， 在使用振動排水法加固軟土地基時， 需要先關(guān)注土體的孔隙比以獲得最佳振動排水效果， 可結(jié)合實際土層情況選取合理的優(yōu)化參數(shù)組合， 從而實現(xiàn)最佳振動排水效果。

3? 結(jié)論

本文中通過制備不同的結(jié)構(gòu)性軟土進行振動排水試驗， 分析孔隙比、膠結(jié)程度、大孔隙結(jié)構(gòu)3個結(jié)構(gòu)性因素對振動排水效果的影響， 得到以下主要結(jié)論：

1）低孔隙比結(jié)構(gòu)性軟土的可變性和滲透性較差，在高圍壓條件下通常更易達到排水穩(wěn)定，孔隙比的增大有利于優(yōu)化振動排水效果。

2）軟土的孔隙比、膠結(jié)程度、大孔隙結(jié)構(gòu)與振動排水效果密切相關(guān)，孔隙比的影響程度最大。在實施振動排水時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場孔隙比大小調(diào)節(jié)處理時間，低孔隙比的結(jié)構(gòu)性軟土易于快速達到排水控制值以縮短工時并獲得最佳工效。

3）膠結(jié)程度的增強在一定程度上會劣化結(jié)構(gòu)性軟土的振動排水效果，但是隨著圍壓的增大，最終排水量差距較小。

4）在振動排水前期，摻入鹽粒的質(zhì)量分數(shù)大的結(jié)構(gòu)性軟土排水量略大，在某個轉(zhuǎn)折點后，摻入鹽粒的質(zhì)量分數(shù)小的結(jié)構(gòu)性軟土的排水量略大，總體上大孔隙結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)性軟土排水量的影響較小。

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