姚 達(dá)，花葉琦，夏竹嶺，徐鍵強(qiáng)

（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(qū)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(chǎn)生裂隙、傾斜，甚至倒塌等危害。因此必須對軟土地基進(jìn)行加固處理，才能滿足房屋建筑、道路交通等工程建設(shè)的需要，避免工程災(zāi)害的發(fā)生［1］。

真空預(yù)壓法因加固成本低，加固過程中土體不易產(chǎn)生失穩(wěn)破壞，且施工簡單，加固后土體沉降、強(qiáng)度等能夠滿足設(shè)計要求［2-5］，從而在工程建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。但真空預(yù)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(shù)的應(yīng)用范圍［6］。

近年來，眾多學(xué)者研究表明摻砂能改變土體的力學(xué)性能，提高深層土體的加固效果。許豐岐［7］發(fā)現(xiàn)摻砂對真空預(yù)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(fā)現(xiàn)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(cè)限強(qiáng)度和直剪強(qiáng)度有較大提高，從改良土體物理力學(xué)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(fù)合土的滲透系數(shù)，結(jié)果表明，在一定摻砂范圍內(nèi)（20%～40%），摻砂率越高，滲透系數(shù)越大，且土體的壓縮系數(shù)越低，摻砂越能加快土體的固結(jié)，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(yè)的困難程度。

為合理指導(dǎo)現(xiàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)）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(shù)和壓縮指數(shù)、滲透系數(shù)和滲透指數(shù)隨摻砂率的變化規(guī)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(shù)和滲透指數(shù)與摻砂率的關(guān)系式，以期為負(fù)壓摻砂土體固結(jié)預(yù)測及加固效果提供參數(shù)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(qū)淤泥質(zhì)軟土，根據(jù)室內(nèi)土工試驗方法測得的土樣基本物理參數(shù)如表1 所示。其中，土體液限和塑限采用液塑限聯(lián)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(zhì)Table 1 Basic physical properties of test soil

由表1 的土體液限和塑限性質(zhì)可知，試驗土樣為高液限黏土。試驗用砂產(chǎn)地為浙江臺州，顆粒級配見圖1，砂的不均勻系數(shù)為1.46，曲率系數(shù)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(shè)備

試驗?zāi)Ｐ陀稍囼災(zāi)Ｐ拖?、真空排水系統(tǒng)和量測系統(tǒng)組成，如圖2 所示。模型箱尺寸為φ30 cm×60 cm，真空排水系統(tǒng)由真空泵、排水板、塑料軟管、集水瓶組成，量測系統(tǒng)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(nèi)模型試驗圖Fig. 2 Test map of indoor models

圖3 試驗?zāi)Ｐ蛯嵨飯DFig. 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(jīng)過0.075 mm 的孔徑細(xì)篩，測定風(fēng)干含水率；取滿足模型箱要求的一定質(zhì)量的干土5 kg，配置成初始含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為60%的土樣，分別摻入0、5%、10%、15%、20%、25%（干砂質(zhì)量與土中土顆粒質(zhì)量之比）的干砂；充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾萌肽Ｐ拖渲虚_展真空預(yù)壓試驗，負(fù)壓荷載為-90 kPa。當(dāng)總沉降H隨時間t的曲線趨于水平、集水瓶在12 h 內(nèi)質(zhì)量不發(fā)生改變時，即可認(rèn)為土體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可結(jié)束抽真空。

考慮不同摻砂率對真空預(yù)壓效果的影響，在排水板中間及中間以下15 cm 處各設(shè)置真空表1個，在土體表面靠近模型箱邊緣處設(shè)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(jié)穩(wěn)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(qiáng)度，并開展一維固結(jié)滲透試驗，試驗過程中，嚴(yán)格按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）［11］的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和分析。

壓縮試驗采用常規(guī)固結(jié)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(wěn)定后，進(jìn)行滲透試驗，開展變水頭滲透系數(shù)測定；然后根據(jù)摻砂土體沉降和滲透數(shù)據(jù)，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(tài)分析

經(jīng)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(jié)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(tài)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??；在初始固結(jié)階段，不同摻砂率的疏浚泥固結(jié)壓縮曲線差異較大，但隨著豎向有效應(yīng)力的增加，不同摻砂率的土體固結(jié)壓縮曲線之間的差異越來越小，最后近似于發(fā)展成平行關(guān)系。這是由于對于同一摻砂粒徑，試樣摻砂率越大，試樣內(nèi)部所含黏粒越少、砂粒越多，從而在試樣內(nèi)部產(chǎn)生更多的砂粒-黏粒接觸面，導(dǎo)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(shù)e/eL（eL為液限下的孔隙比），提出孔隙比與其他參數(shù)的曲線歸一化方法，Achari 等［13］通過滲透試驗發(fā)現(xiàn)，Nagaraj 等提出的數(shù)據(jù)存在偏差，需要對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，從而獲得了液限為40%～60%的軟黏土滲透系數(shù)預(yù)測表達(dá)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(biāo)e/eL對壓縮曲線進(jìn)行歸一化處理后，結(jié)果如圖5所示，進(jìn)而得到不同摻砂率的臺州軟土歸一化經(jīng)驗公式，如式（1）所示，即

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

從圖5 可以看出，在低壓力范圍內(nèi)（小于400 kPa），摻砂土體的歸一化規(guī)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(tǒng)的真空負(fù)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(biāo)的歸一化公式進(jìn)行分析。

2.3 摻砂率對壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)的影響

壓縮系數(shù)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(shù)越大，壓縮性越高。壓縮系數(shù)計算公式如式（2）所示，即

式中：av為土樣的壓縮系數(shù)，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(shù)與平均荷載的關(guān)系曲線，圖中各點的橫坐標(biāo)為相鄰兩荷載的平均值。從圖6可以看出，壓縮系數(shù)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(shù)始終高于摻砂土體的壓縮系數(shù)。

圖6 壓縮系數(shù)av與平均荷載的關(guān)系Fig. 6 Relationship between compression coefficient av and average load

顯然，摻砂改善了土體的結(jié)構(gòu)，降低了土體的壓縮性。

壓縮指數(shù)為e-lgp壓縮曲線上大于先期固結(jié)應(yīng)力后直線段的斜率，表達(dá)式為

式中：cc為土樣的壓縮指數(shù)，kPa-1。

圖7 為壓縮指數(shù)與平均荷載的關(guān)系曲線，圖中各點的橫坐標(biāo)為相鄰兩荷載的平均值。

圖7 壓縮指數(shù)Cc與平均荷載的關(guān)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(shù)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(shù)大于摻砂土體，且隨著摻砂率的增加壓縮指數(shù)逐漸減小。

由上可知，壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)均隨著摻砂率的增加而減小，它們的關(guān)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(shù)；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(shù)a1-2與摻砂率cs關(guān)系Fig. 8 Relationship between compression coefficient a1-2 and sand mixing ratio cs

圖9 壓縮指數(shù)cc與摻砂率cs關(guān)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(shù)、壓縮指數(shù)均隨著摻砂率的增加而非線性減小，當(dāng)摻砂率小于5%時，壓縮系數(shù)和壓縮指數(shù)均隨著摻砂率的增加而明顯下降，這與章鎮(zhèn)寧等［14］研究成果相吻合；當(dāng)摻砂率接近20%時，壓縮指數(shù)降低趨勢變緩，壓縮性降低；摻砂率為25%時，壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)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(shù)與滲透指數(shù)來表示。土體的滲透系數(shù)在固結(jié)過程中隨應(yīng)力的增加呈現(xiàn)非線性變化［15］，目前常用e-lgk模型表征滲透系數(shù)的變化規(guī)律，其中k為土體滲透系數(shù)，可以通過變水頭試驗測得。

e-lgk關(guān)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(shù)隨著孔隙比的增大而增大；孔隙比相同時，滲透系數(shù)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(jié)速率。

從圖10 還可以看出，當(dāng)摻砂率為0 時，土體的孔隙比隨荷載變化較大，但滲透系數(shù)隨荷載變化較小，且滲透系數(shù)基本維持在10-8數(shù)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(shù)能發(fā)生1 個數(shù)量級的變化，進(jìn)一步驗證了土體滲透系數(shù)隨固結(jié)過程的非線性減小規(guī)律。因此，固結(jié)過程中若不考慮滲透系數(shù)的變化，將會引起較大的計算誤差。

按照文獻(xiàn)［16］，滲透指數(shù)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(shù)。

滲透指數(shù)cz與摻砂率cs的關(guān)系如圖11 所示，計算公式如式（7）所示，即

圖11 滲透指數(shù)與摻砂率關(guān)系Fig. 11 Relationship between permeability index and sand mixing ratio

從圖11 可以看出，滲透指數(shù)cz隨摻砂率的增加而逐漸減小。

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

圖12 滲透指數(shù)與孔隙比關(guān)系Fig. 12 Relationship between permeability index and void ratio

3 結(jié)論

通過室內(nèi)一維固結(jié)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(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）不同摻砂率的土體壓縮曲線形態(tài)相近，在固結(jié)后期接近于平行關(guān)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(guī)律可用指標(biāo)e/eL進(jìn)行歸一化描述；摻砂土體的壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)均隨著摻砂率的增加而非線性減?。粨缴奥氏嗤瑫r，摻砂土體的滲透系數(shù)隨著孔隙比的增大而增大；孔隙比相同時，滲透系數(shù)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(shù)、壓縮指數(shù)和滲透指數(shù)均與摻砂率存在良好的冪函數(shù)關(guān)系，工程中可根據(jù)摻砂率推算軟土的壓縮和滲透參數(shù)。