砂-黏土混合物的固結試驗研究

李晨

摘要：針對吹填造陸工程中常見的粗細粒共存、砂含量分布不均的砂-黏土混合物，配制了7組不同含砂條件的試樣，研究不同含砂條件對吹填土固結特性的影響。結果表明：含砂量的增多和砂粒徑的增大均能提高混合土的壓縮性，且增加含砂量對土體壓縮性的提高效果略高于增大含砂粒徑;含砂量的增多和砂粒粒徑的增大均能提升砂-黏土混合物中土的透水能力，提高土體固結系數，加速土體固結。

Abstract： According to the sand-clay mixture with coexisting coarse and fine particles and uneven distribution of sand content， 7 sets of samples with different sand conditions were prepared to study the influence of different sand conditions on consolidation characteristics of blown fill soil. The results show that the increase of sand content and the increase of sand size can improve the compressibility of mixed soil， and the effect of increasing sand content on soil compressibility is slightly higher than that of increasing sand size; The increase of sand content and the increase of sand particle size can improve the permeability of soil in sand-clay mixture， improve the consolidation coefficient of soil and accelerate the consolidation of soil.

關鍵詞：砂-黏土混合物;固結試驗;含砂量

Key words： sand-clay mixture;consolidation test;sand content

中圖分類號：TU41 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0141-02

0 ?引言

近年來隨著疏浚裝備和技術的發展，以及吹填造地、造島及海岸防護等的需求不斷擴大，吹填工程具有良好的發展前景。而吹填造陸工程中通過水力吹填堆積形成的人工吹填土是粗細粒共存的混合物，土體中砂含量的分布極不均勻，且這種級配不良的砂-黏土混合土廣泛分布于上海黃浦江、廣州珠江等江河兩岸等濱海造陸地區[1]。針對這種砂-黏土混合物，大部分學者主要研究了砂含量對其液限和滲透特性等的影響[2]，而關于如何定量評價砂-黏土混合物的固結特性以及與純黏土固結特性之間的差異性，卻尚未見報道。

基于上述原因，筆者在室內人工配制砂-黏土混合物模擬現場吹填土層，運用自制的滲透固結裝置[3]開展滲透固結聯合試驗，研究不同含砂條件對砂-黏土混合物固結特性的影響，進一步完善和發展吹填造陸技術在各地的應用。

1 ?試驗材料與方法

1.1 試驗材料與試樣制備

試驗材料包括福建平潭的標準石英砂和黏土。黏土取自武漢某基坑底部，經風干碾壓，過2mm篩，再烘干備用。通過土工試驗測得黏土的干密度為1.65g/cm3，塑限為19.2%，液限為36.5%，塑性指數為17.2，比重為2.73;試驗用砂含少量雜質，對其進行篩分，將中砂（0.25～0.5mm）和粗砂（0.5～2mm）篩出進行烘干備用。

根據不同含砂條件配置7種砂-黏土混合物，其中A為純黏土試樣，A-1，2，3分別為含砂量為10%，15%，20%的含中砂試樣，B-1，2，3分別為含砂量為10%，15%，20%的含粗砂試樣。確定配比后，控制各試樣的初始孔隙比（e0=0.882）不變，制樣時將兩種材料混合均勻，噴灑蒸餾水使其等于液限（試樣A;A-1，2，3;B-1，2，3液限分別為36.5%，32.9%，31.3%，29.0%，32.8%，31.0%，29.2%），再次攪拌均勻。將調配好的砂-黏土混合土密封24h后裝入直徑61.8mm，高度40mm的環刀內，最后采用抽真空法對其進行飽和。

1.2 試驗方法

本文運用團隊自制的滲透固結裝置[3]開展試驗研究，依據《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）流程開展常規固結試驗，先施加1kPa的預加載，而后進行加壓等級為50kPa—100kPa—200kPa—400kPa—800kPa的正式加載，固結穩定標準為每級壓力下固結時常達24h。

2 ?試驗結果及分析

2.1 壓縮曲線

各試樣的e-p曲線見圖1，壓縮系數a1-2見圖2。

由圖1得到以下結論：

①隨著固結壓力增加，曲線斜率逐漸減小，在400～800kPa的荷載范圍內，各壓縮曲線已趨于平行;

②砂-黏土混合物的e-p曲線，均在純黏土A的下方，即相同應力作用下，砂-黏土混合物的孔隙比，均小于純黏土的孔隙比，說明砂-黏土混合物的壓縮性均略高于純黏土;

③隨著含砂量的增多，土體在同一荷載壓縮下孔隙比越小，在固結試驗加荷初期尤為明顯，曲線斜率最大，即單位壓力下產生的應變最大;

④砂粒的粒徑同樣對土樣的壓縮固結有一定的影響，在砂含量相同的情況下，含粗砂試樣的壓縮曲線位于含中砂試樣曲線的下方，即在同一荷載作用下孔隙比數值更小。

由圖2可知，各試樣的壓縮系數a1-2均大于0.5MPa-1，均屬于高壓縮性土。隨著含砂量增加，壓縮系數逐漸增大;不同含砂量條件下，含粗砂試樣的壓縮系數均高于含中砂試樣的壓縮系數。相較于純黏土A（Rs=0%），試樣A-1（Rs=10%）的壓縮系數增大了0.008MPa-1，試樣B-1（Rs=10%）的壓縮系數增大了0.017MPa-1;相較于試樣A-1，試樣B-1壓縮系數增加了0.009MPa-1，說明增加含砂量對土體壓縮性的提高效果略高于增大含砂粒徑。

2.2 固結系數

將計算得到的固結系數進行分析，并對常用的幾種擬合公式進行比較，發現固結系數Cv和固結壓力p的雙對數關系曲線具有明顯的二次函數曲線特征，利用Origin軟件對lgCv和lgp的關系曲線進行擬合，結果見圖3。

由圖3可知，固結系數是隨固結壓力增大而非線性增大的變量;含砂量越高，砂粒粒徑越大，各級固結壓力作用下土體的固結系數越大。說明砂-黏土混合物試樣中含砂量的增多和砂粒粒徑的增大均能提升土體透水能力，加速土體固結。這一結論與許豐岐[4]的試驗結論相同，但與吳子龍[1]等人的結論相反，經過試驗條件的對比發現，吳子龍[1]等人研究的砂-黏土混合物內的砂含量較高，能在固結過程中形成砂骨架，對土體的壓縮變形有阻礙作用，而本文中含砂量不超過20%的砂-黏土混合物在固結過程中并未形成砂骨架，土中砂對于混合物試樣的壓縮變形、固結排水起到了積極的作用。

固結系數與固結壓力（lgCv-lgp）的擬合公式為：

式中a0，b0，c0為擬合參數，上述固結系數與固結壓力（lgCv-lgp）關系曲線擬合的顯著性程度優良，相關系數R2在0.914～0.992之間，故可以利用公式（1）對本文試樣在逐級荷載作用下的固結系數進行預測分析。

3 ?結論

本文基于常規固結試驗研究了不同含砂條件的砂-黏土混合物的固結特性，提出了固結系數的預測公式，并得到了以下結論：

①砂-黏土混合物的壓縮性均略高于純黏土，含砂粒徑一定時，壓縮系數隨含砂量的增加而增大;

②含砂量一定時，含粗砂混合土的壓縮系數均高于含中砂混合土，說明增加含砂量對土體壓縮性的提高效果略高于增大含砂粒徑;

③砂-黏土混合物中含砂量的增多和砂粒粒徑的增大均能提升土體透水能力，提高土體固結系數，加速土體固結。

參考文獻：

[1]吳子龍，朱向陽，鄧永鋒，等.砂-黏土混合物的壓縮性狀及其粗顆粒骨架形成機制[J].土木工程學報，2016，49（02）：121-128.

[2]Wang Q， Tang A M， Cui Y J， et al. Experimental study on the swelling behaviour of bentonite/claystone mixture[J]. Engineering Geology， 2012， 124（2）： 59-66.

[3]張季如，鄭湘云，蘆劍鋒，趙瑞.一種可自動采集孔壓的滲透固結儀[P].CN208140705U，2018-11-23.

[4]許豐岐.摻砂對真空預壓法加固高粘性吹填土效果影響的試驗研究[D].哈爾濱工業大學，2016.