徐華榮，劉剛

(1.鎮(zhèn)江市勘察測繪研究院，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)江市位于我國東南地區(qū)，北鄰長江，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)了一種動態(tài)固結(jié)滲透儀，對鎮(zhèn)江地區(qū)的沉積相軟土試樣進(jìn)行了振動排水固結(jié)試驗(yàn)。動力排水固結(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)方法對軟土的固結(jié)排水進(jìn)行了研究。Kazuya等[1]運(yùn)用動三軸儀對軟土在循環(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?，再配合適當(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軟土進(jìn)行了固結(jié)排水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在軟土中動力能量的傳遞隨深度方向呈現(xiàn)衰減的特性，從而得出動力荷載的作用會導(dǎo)致軟土殘余應(yīng)力的存在，并且這種殘余應(yīng)力對沉降起到?jīng)Q定性的作用。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)浲吝M(jìn)行振動排水固結(jié)試驗(yàn)，所需要的動態(tài)固結(jié)滲透儀可同時對軟土施加靜壓荷載和振動荷載，并對軸向位移、三向應(yīng)力、排水量等指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測、采集、儲存，同時可對振動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)簡單、節(jié)能高效，在試驗(yàn)過程中能夠?qū)崟r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，所以參照動三軸儀器對試驗(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)的動態(tài)固結(jié)滲透儀與動三軸儀器的試驗(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 排水量與時間的關(guān)系

圖3 軸向應(yīng)變與時間的關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

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

為了得到對比結(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，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，因此圍壓的大小對軟土的固結(jié)排水影響很大。

圖6 荷載幅值對排水量的影響

圖6為振動荷載的幅值對軟土排水量的影響，可以發(fā)現(xiàn)相同的圍壓和振動頻率作用下，施加的振動荷載幅值越大，振動排水固結(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

通過對鎮(zhèn)江地區(qū)沉積相軟土進(jìn)行振動固結(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，對軟土施加振動荷載，可以有效地加速和促進(jìn)軟土的固結(jié)完成。

(2)對軟土施加動載的振動頻率、振動荷載幅值和圍壓的大小對振動排水固結(jié)試驗(yàn)有重要影響。當(dāng)施加的振動頻率接近軟土固有頻率時，會引起土體的共振，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)，但同時會弱化振動效應(yīng)，所以振動排水固結(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。