摻砂軟黏土一維壓縮和滲透性狀研究

姚 達，花葉琦，夏竹嶺，徐鍵強

（江蘇鴻基水源科技股份有限公司，江蘇 揚州 225000）

我國東南沿海地區分布著大量的軟黏土。在軟土地基上修建建筑物，易整體下沉，從而產生裂隙、傾斜，甚至倒塌等危害。因此必須對軟土地基進行加固處理，才能滿足房屋建筑、道路交通等工程建設的需要，避免工程災害的發生［1］。

真空預壓法因加固成本低，加固過程中土體不易產生失穩破壞，且施工簡單，加固后土體沉降、強度等能夠滿足設計要求［2-5］，從而在工程建設中得到廣泛應用。但真空預壓法存在深層土體加固效果較差的問題，難以滿足對加固效果有更高要求的深厚軟基加固，極大限制了該技術的應用范圍［6］。

近年來，眾多學者研究表明摻砂能改變土體的力學性能，提高深層土體的加固效果。許豐岐［7］發現摻砂對真空預壓加固吹填土有積極作用，摻砂后土體的排水量增大，加固后土體的含水率降低；武亞軍等［8］探討了摻砂對沉降特性的影響，發現隨著摻砂率的增加，土體沉降速率加快，且初始含水率越低，摻砂效果越明顯；蘭恒水等［9］研究表明，摻砂后改良土無側限強度和直剪強度有較大提高，從改良土體物理力學特性及摻砂成本等方面綜合考慮，摻砂改良高液限土摻砂比例宜為20%左右；譚杰等［10］向淤泥土中摻入砂土，探討了復合土的滲透系數，結果表明，在一定摻砂范圍內（20%～40%），摻砂率越高，滲透系數越大，且土體的壓縮系數越低，摻砂越能加快土體的固結，但是其討論的摻砂率較高，在實際操作中會提高施工成本和作業的困難程度。

為合理指導現場施工，明確低摻砂率時土體摻砂后的壓縮性狀和滲透性狀，本文開展了摻砂率（質量分數）為0、5%、10%、15%、20%、25% 的土體壓縮試驗和滲透試驗，分析了摻砂對壓縮曲線特征的影響，探討了摻砂土體壓縮系數和壓縮指數、滲透系數和滲透指數隨摻砂率的變化規律，給出了摻砂影響下的土體歸一化壓縮公式，提出了壓縮指數和滲透指數與摻砂率的關系式，以期為負壓摻砂土體固結預測及加固效果提供參數支持和理論支撐。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土為浙江省臺州市路橋區淤泥質軟土，根據室內土工試驗方法測得的土樣基本物理參數如表1 所示。其中，土體液限和塑限采用液塑限聯合測定法測定，比重采用比重瓶法測定，土顆粒粒徑分布由密度計法測定。

表1 試驗用土基本物理性質Table 1 Basic physical properties of test soil

由表1 的土體液限和塑限性質可知，試驗土樣為高液限黏土。試驗用砂產地為浙江臺州，顆粒級配見圖1，砂的不均勻系數為1.46，曲率系數為0.97，屬于不良中砂。

圖1 砂的顆粒級配Fig. 1 Grain gradation of the sand

1.2 試驗設備

試驗模型由試驗模型箱、真空排水系統和量測系統組成，如圖2 所示。模型箱尺寸為φ30 cm×60 cm，真空排水系統由真空泵、排水板、塑料軟管、集水瓶組成，量測系統由百分表、電子天平、真空表等組成，其中模型箱、集水瓶和真空泵如圖3所示。

圖2 室內模型試驗圖Fig. 2 Test map of indoor models

圖3 試驗模型實物圖Fig. 3 Physical map of test model

1.3 試驗步驟

將從工地取回的土樣曬干磨碎，經過0.075 mm 的孔徑細篩，測定風干含水率；取滿足模型箱要求的一定質量的干土5 kg，配置成初始含水率（質量分數）為60%的土樣，分別摻入0、5%、10%、15%、20%、25%（干砂質量與土中土顆粒質量之比）的干砂；充分攪拌均勻后置入模型箱中開展真空預壓試驗，負壓荷載為-90 kPa。當總沉降H隨時間t的曲線趨于水平、集水瓶在12 h 內質量不發生改變時，即可認為土體達到穩定狀態，可結束抽真空。

考慮不同摻砂率對真空預壓效果的影響，在排水板中間及中間以下15 cm 處各設置真空表1個，在土體表面靠近模型箱邊緣處設置百分表1個，分別測量并記錄土體沉降量、排水板及土中真空度、出水量。

試樣固結穩定后，沿試樣徑、豎向不同位置取不同摻砂率的摻砂軟土，檢測土體含水率、十字板強度，并開展一維固結滲透試驗，試驗過程中，嚴格按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）［11］的要求進行數據記錄和分析。

壓縮試驗采用常規固結儀加載，試樣直徑為61.8 mm、高度為20 mm，加荷0～1 600 kPa，加荷杠桿比為1∶1，起始荷載為12.5 kPa。每級加荷穩定后，進行滲透試驗，開展變水頭滲透系數測定；然后根據摻砂土體沉降和滲透數據，分析不同摻砂率下土體的壓縮和滲透性狀。

2 壓縮性狀分析

2.1 壓縮曲線形態分析

經壓縮試驗得到不同摻砂率的軟土壓縮曲線如圖4所示。

圖4 固結壓縮曲線Fig. 4 Consolidation compression curve

由圖4 可知，不同摻砂率的軟土壓縮曲線形態相近，均呈凹型，且摻砂率低的土樣壓縮曲線始終位于摻砂率高的土樣上方，即隨著摻砂率的增加，土中初始孔隙比隨著摻砂率的增加而減小；在初始固結階段，不同摻砂率的疏浚泥固結壓縮曲線差異較大，但隨著豎向有效應力的增加，不同摻砂率的土體固結壓縮曲線之間的差異越來越小，最后近似于發展成平行關系。這是由于對于同一摻砂粒徑，試樣摻砂率越大，試樣內部所含黏粒越少、砂粒越多，從而在試樣內部產生更多的砂粒-黏粒接觸面，導致孔隙比e減小。

從圖4 還可以看出，土體中的摻砂率從0 增加到25%，且荷載從0增加到1 600 kPa時，孔隙比e不斷減小，最終減小幅度均在45%左右。

2.2 摻砂軟土歸一化壓縮公式

Nagaraj等［12］通過引入歸一化參數e/eL（eL為液限下的孔隙比），提出孔隙比與其他參數的曲線歸一化方法，Achari 等［13］通過滲透試驗發現，Nagaraj 等提出的數據存在偏差，需要對試驗數據進行歸一化處理，從而獲得了液限為40%～60%的軟黏土滲透系數預測表達式。

本文所用的土體液限為50.1%，摻砂25%后土體液限變化為38.0%，引入歸一化壓縮指標e/eL對壓縮曲線進行歸一化處理后，結果如圖5所示，進而得到不同摻砂率的臺州軟土歸一化經驗公式，如式（1）所示，即

圖5 歸一化孔隙比與荷載關系Fig. 5 Relationship between normalized void ratio and load

從圖5 可以看出，在低壓力范圍內（小于400 kPa），摻砂土體的歸一化規律較好；而在800 kPa和1 600 kPa荷載下，摻砂土體的歸一化孔隙比則有一定的差異。

目前傳統的真空負壓荷載為100 kPa，因此，對于各初始含水率及摻砂率不同的摻砂軟土可以利用壓縮指標的歸一化公式進行分析。

2.3 摻砂率對壓縮系數和壓縮指數的影響

壓縮系數為壓縮試驗所得e-p壓縮曲線上某一壓力段割線的斜率，通常用來評價土體壓縮性的大小，壓縮系數越大，壓縮性越高。壓縮系數計算公式如式（2）所示，即

式中：av為土樣的壓縮系數，MPa-1；pi為單位壓力值，i=1，2，…，6；ei為pi作用下的孔隙比。

圖6 為壓縮系數與平均荷載的關系曲線，圖中各點的橫坐標為相鄰兩荷載的平均值。從圖6可以看出，壓縮系數av隨著荷載增大而減小，也隨著摻砂率的增加而減小，且減少的幅度越來越緩慢；不摻砂土體的壓縮系數始終高于摻砂土體的壓縮系數。

圖6 壓縮系數av與平均荷載的關系Fig. 6 Relationship between compression coefficient av and average load

顯然，摻砂改善了土體的結構，降低了土體的壓縮性。

壓縮指數為e-lgp壓縮曲線上大于先期固結應力后直線段的斜率，表達式為

式中：cc為土樣的壓縮指數，kPa-1。

圖7 為壓縮指數與平均荷載的關系曲線，圖中各點的橫坐標為相鄰兩荷載的平均值。

圖7 壓縮指數Cc與平均荷載的關系Fig. 7 Relationship between compression index Cc and average load

從圖7可以看出，摻砂率為0～25%時，壓縮指數在平均荷載200 kPa 之前隨平均荷載的增加而急劇上升，在平均荷載200 kPa 之后趨于平緩；不摻砂土體的壓縮指數大于摻砂土體，且隨著摻砂率的增加壓縮指數逐漸減小。

由上可知，壓縮系數、壓縮指數均隨著摻砂率的增加而減小，它們的關系如式（4）、式（5）所示，即

式中：a1-2為壓力值100 kPa和200 kPa時的壓縮系數；cs為摻砂率。

由式（4）、式（5）得出它們的曲線，如圖8、圖9所示。

圖8 壓縮系數a1-2與摻砂率cs關系Fig. 8 Relationship between compression coefficient a1-2 and sand mixing ratio cs

圖9 壓縮指數cc與摻砂率cs關系Fig. 9 Relationship between compression index cc and sand mixing ratio cs

由圖8、圖9可以看出，摻砂土體的壓縮系數、壓縮指數均隨著摻砂率的增加而非線性減小，當摻砂率小于5%時，壓縮系數和壓縮指數均隨著摻砂率的增加而明顯下降，這與章鎮寧等［14］研究成果相吻合；當摻砂率接近20%時，壓縮指數降低趨勢變緩，壓縮性降低；摻砂率為25%時，壓縮系數、壓縮指數較不摻砂時分別降低了39.3%和35.7%，土體抗壓縮性極大提升。

2.4 滲透性狀分析

土體滲透性狀通常用滲透系數與滲透指數來表示。土體的滲透系數在固結過程中隨應力的增加呈現非線性變化［15］，目前常用e-lgk模型表征滲透系數的變化規律，其中k為土體滲透系數，可以通過變水頭試驗測得。

e-lgk關系如圖10所示。

圖10 e-lg k變化曲線Fig. 10 The change curve of e-lg k

從圖10 可以看出，摻砂率相同時，摻砂土體的滲透系數隨著孔隙比的增大而增大；孔隙比相同時，滲透系數隨著摻砂率的增大而增大。說明摻砂能提高土體的滲透性能，從而加快土體的固結速率。

從圖10 還可以看出，當摻砂率為0 時，土體的孔隙比隨荷載變化較大，但滲透系數隨荷載變化較小，且滲透系數基本維持在10-8數量級；隨著摻砂率的增加，尤其是摻砂率接近20%時，摻砂土體加載前后滲透系數能發生1 個數量級的變化，進一步驗證了土體滲透系數隨固結過程的非線性減小規律。因此，固結過程中若不考慮滲透系數的變化，將會引起較大的計算誤差。

按照文獻［16］，滲透指數cz計算公式如式（6）所示，即

式中：e0表示初始孔隙比；k0表示初始滲透系數。

滲透指數cz與摻砂率cs的關系如圖11 所示，計算公式如式（7）所示，即

圖11 滲透指數與摻砂率關系Fig. 11 Relationship between permeability index and sand mixing ratio

從圖11 可以看出，滲透指數cz隨摻砂率的增加而逐漸減小。

另外，有研究表明，滲透指數cz與初始孔隙比e0存在線性相關關系［17］。對于本文摻砂軟土，cz與e0良好的線性關系如圖12 所示，計算公式如式（8）所示，即

圖12 滲透指數與孔隙比關系Fig. 12 Relationship between permeability index and void ratio

3 結論

通過室內一維固結滲透試驗，對不同摻砂率影響下的軟土液塑限、壓縮性及滲透性進行對比分析，得出以下結論：

（1）不同摻砂率的土體壓縮曲線形態相近，在固結后期接近于平行關系；摻砂率低的土樣壓縮曲線始終位于摻砂率高的土樣上方；與初始孔隙比相比，1 600 kPa 荷載下的孔隙比減小幅度均在45%左右，摻砂率對孔隙比降低率沒有影響。

（2）摻砂軟土的壓縮規律可用指標e/eL進行歸一化描述；摻砂土體的壓縮系數、壓縮指數均隨著摻砂率的增加而非線性減小；摻砂率相同時，摻砂土體的滲透系數隨著孔隙比的增大而增大；孔隙比相同時，滲透系數隨著摻砂率的增大而增大。摻砂增大了土體的抗壓縮性和滲透性。

（3）壓縮系數、壓縮指數和滲透指數均與摻砂率存在良好的冪函數關系，工程中可根據摻砂率推算軟土的壓縮和滲透參數。