土結構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構性影響的研究空白，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，

探討土結構性對軟土振動排水量的影響；通過摻入不同質量的水泥調節軟土的膠結程度，使用鹽粒構造大孔隙結構，對孔隙比分別為1.3、1.5、1.7，摻入水泥的質量分數分別為2%、4%、6%，摻入鹽粒的質量分數分別為0、5%、10%的結構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、膠結程度、大孔隙結構3個結構性因素影響下軟土的振動排水效果。結果表明：孔隙比對結構性軟土振動排水效果的影響最大，在相同圍壓時，結構性軟土的振動排水量隨著孔隙比的增大而增大，隨著膠結程度和大孔隙結構的增大而減??；圍壓的增大會劣化結構性軟土的振動排水效果；在中、低圍壓時，膠結程度對結構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，大孔隙結構對結構性軟土振動排水效果的影響較小。

關鍵詞：軟土；土結構性；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????????? 網絡首發時間：2023-11-10T07：18：52

基金項目：國家自然科學基金項目（51978315）

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

yhmiao@ujs.edu.cn。

網絡首發地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231108.1617.002

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

土結構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］稱土結構性為21世紀土力學的核心。土結構性作為軟土力學的一種固有屬性，是原狀和擾動或重塑狀態區分的重要特征。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構性的研究產生難度［10］，因此諸學者選擇室內制備結構性軟土開展研究。蔣明鏡等［11］通過摻入冰粒和水泥制備結構性軟土，王智超等［12］采用淤泥土、水泥、高嶺土和尿素混合制備結構性軟土，均發現制得結構性軟土的孔隙比與設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構和膠結強度。以上研究均反映出通過摻料模擬天然軟土結構性的可行性，但是現有研究主要側重于結構性軟土的制備和土結構性對軟土強度、屈服應力、應變特性等的影響。目前土結構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構性的影響。

本文中參照現有結構性軟土制備方法，從孔隙比、膠結程度、大孔隙結構3個結構性因素出發，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，探討土結構性對軟土振動排水量的影響，分析3個結構性因素影響下軟土的振動排水效果。

1? 試驗

1.1? 試驗設備

試驗采用課題組自主研發的振動排水系統，該系統主要包括加壓、監測、傳力、排水及數據采集控制系統，可以同時對試樣施加靜、動荷載，實時采集排水量、軸向應變等參數。振動排水系統結構如圖1所示。

1.2? 結構性軟土制樣

原料土取自江蘇省鎮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計深度進行獲取。土粒比重即土粒與等體積4 ℃純水的質量比為2.715，含水率為57.12%，密度為1.69 g/cm3。

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

步驟1? 配料。依據配比，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。在承膜筒內側四周等間距放置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? 水浴養護。 為了實現大孔隙結構， 將土樣放入飽和鹽水中養護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）所示為水浴養護后制得結構性軟土試樣的截面。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。水浴養護后風干的試樣如圖2（c）所示，未發現風干的試樣表面有鹽晶體析出，表明制得的結構性軟土達到了預期目的，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0.5 h，加載期間不改變圍壓。

根據文獻［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）水浴養護后試樣的截面（c）水浴養護后風干的試樣

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。結構性軟土的振動排水試驗方案如表1所示。

2? 結果與分析

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，摻入水泥的質量分數為2%，摻入鹽粒的質量分數為5%的結構性軟土，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構性軟土振動排水量與時間的關系。由圖可知：在3種圍壓條件下，不同孔隙比時結構性軟土振動排水量均呈現拋物線增大趨勢，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，因土體固結排水量減少而導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，達到控制值的相應時間為150、170、190 min。產生這種現象的原因是低孔隙比的結構性軟土顆粒排列更緊湊，土結構性相對較弱，振動作用下土體內部的顆粒排列和孔隙狀態不易進一步調整，因此滲透性差，難以排出土中水。高孔隙比軟土的土結構性較強，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系，分析3種圍壓條件下結構性軟土排水控制值隨孔隙比的變化，結果如圖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，產生該現象的主要原因是在前期固結時，高圍壓時自由水排水較多，在土體排水總量不變的前提下，后續階段排水量減少。

2.2? 膠結程度對振動排水量的影響

結構性軟土的兩大主要物理特征是土顆粒間存在膠結和大孔隙結構［15］。為了分析膠結程度對振動排水量的影響，對孔隙比為1.5，鹽粒摻入質量分數為5%，摻入水泥的質量分數分別為2%、4%、6%的結構性軟土在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程度時結構性軟土振動排水量與時間的關系。由圖可知，隨著膠結程度的強化，軟土的振動排水量逐漸減小。產生這種現象的原因主要是膠結增強了土骨架剛度，使得結構性軟土能承受更大荷載，并且水泥水化產物存在于內部的孔隙中，導致水泥水化之后的結構性軟土的孔隙比小于設計孔隙比［12］，土體內部孔隙減少，孔隙中的自由水也減少。此外，水化產物與土顆粒相互搭接，導致土體致密性增強，使得滲透性劣化，導致振動排水過程中膠結程度高的結構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，膠結差異對振動排水量的影響減小，即隨著圍壓的增大，膠結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構性軟土在固結過程中會排出更多自由水，強化土顆粒間聯結并減少內部孔隙，導致滲透性變差，而膠結進一步增強該趨勢，從而劣化后期振動排水效果。

圖6所示為3種圍壓條件下結構性軟土排水控制值隨膠結程度的變化。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程度的增加呈現喇叭閉口型線性衰減趨勢，即膠結程度對控制值的影響存在邊界。在中、低圍壓條件下，膠結程度對結構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，結構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差異對振動排水量的影響，與由圖5得到的結論一致。

排水控制值隨膠結程度的變化

2.3? 大孔隙結構對振動排水量的影響

大孔隙結構決定了自由水在試樣內部流動的難易，同時也是影響結構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構時孔隙比為1.5，摻入水泥的質量分數為2%的結構性軟土振動排水量與時間的關系。從圖中可以發現，在3種圍壓條件下，鹽粒摻量大的結構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轉折，即前期大孔隙結構多的振動排水量大，后期大孔隙結構少的振動排水量大，并且2種振動排水量曲線會在某個時刻相交，表明大孔隙結構對振動排水量的影響存在臨界值。產生該現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部孔隙直徑，因此鹽粒溶解后會形成大孔隙結構，隨著鹽粒摻量的增大，養護后的試樣內部孔隙直徑增大，而軟土的滲透性隨著孔隙直徑的減小而劣化［16］。摻入鹽粒的質量分數為10%的結構性軟土具有更大的孔隙直徑，滲透性較好，在固結過程和加載初期能排出更多的自由水，但是在后期，試樣受壓發生豎向應變，土體顆粒重新排列，孔隙面積減小，導致土體滲透性減小。由于摻量大的結構性軟土在初期固結時就排出了更多的水，因此在排水總量相差較小的條件下，導致鹽粒摻量大的結構性軟土在中后期振動排水量減小。

圖8所示為3種圍壓條件下結構性軟土排水控制值隨大孔隙結構的變化。從圖中可以看出：在中、低圍壓條件下，大孔隙結構對結構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，摻入鹽粒的質量分數每增大5%，排水控制體積分別減小約5%、8%、18%，表明隨著圍壓的增大，不同孔隙結構軟土的排水控制值的差異變大，即隨著圍壓的增大，大孔隙結構對振動排水效果的影響較大。導致該現象的原因可能是在低圍壓條件下，雖然摻入鹽粒質量分數大的結構性軟土滲透性更好，但是在圍壓較小時，固結排水量較小，在進行振動排水時，含水率較大，振動排水效果好，導致3種大孔隙結構的結構性軟土振動排水效果相接近。在高圍壓條件下固結后的結構性軟土因滲透性的差距而導致摻入鹽粒質量分數大的結構性軟土在固結時的排水量大于摻入鹽粒質量分數小的，該差距在之后的振動排水過程中會進一步加大。

2.4? 結構性因素對振動排水量極差的影響

對不同圍壓時孔隙比、膠結程度、大孔隙結構3個結構性因素影響下軟土的振動排水量極差進行對比，結果如圖9所示。從圖中可以發現： 在圍壓為40 kPa時，孔隙比與膠結程度影響下軟土的振動排水量極差接近，大孔隙結構影響下的振動排水量極差最小。在圍壓為70 kPa時，結構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、膠結程度、大孔隙結構。在圍壓為120 kPa時，結構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、大孔隙結構、膠結程度。上述結果表明，在3個結構性因素影響下的振動排水量極差對比低、中、高圍壓下，孔隙比對結構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， 膠結程度的影響次之， 大孔隙結構的影響最小， 而在高圍壓條件下， 膠結程度的影響小于大孔隙結構的。 由此可知， 在使用振動排水法加固軟土地基時， 需要先關注土體的孔隙比以獲得最佳振動排水效果， 可結合實際土層情況選取合理的優化參數組合， 從而實現最佳振動排水效果。

3? 結論

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

1）低孔隙比結構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定，孔隙比的增大有利于優化振動排水效果。

2）軟土的孔隙比、膠結程度、大孔隙結構與振動排水效果密切相關，孔隙比的影響程度最大。在實施振動排水時，應根據現場孔隙比大小調節處理時間，低孔隙比的結構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）膠結程度的增強在一定程度上會劣化結構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，摻入鹽粒的質量分數大的結構性軟土排水量略大，在某個轉折點后，摻入鹽粒的質量分數小的結構性軟土的排水量略大，總體上大孔隙結構對結構性軟土排水量的影響較小。

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（責任編輯：王? 耘）