淤泥質土-砂混合軟土的固結壓縮試驗研究

邱模清， 艾志偉， 羅嗣海， 鄧通發,2

（1.江西理工大學建筑與測繪工程學院，江西 贛州 341000；2．廣州大學土木工程學院，廣州 510006）

0 引 言

由于軟土具有天然含水量高、天然孔隙比大、壓縮系數大、抗剪強度低和滲透系數小的工程特點，在公路、橋梁工程建設中，軟土地基的處理問題已成為設計、施工者十分關注的課題，而軟土的工程性質也倍受科研人員的關注.淤泥質土-砂混合土也屬于軟土的范疇，并且隨著各類巖土工程建設的不斷發展，遇到該土質的機率變得越來越大，使得對淤泥質土-砂混合土的工程性質的研究變得越顯必要.

在巖土工程中，土的壓縮特性問題一直是大家比較關注的問題之一.固結壓縮試驗是土力學中測定土的壓縮特性的最基本試驗，國內外學者對軟土的固結特性做了相關的研究工作.Yasuhara K等[1]通過大量的室內試驗對軟基上低路堤在交通荷載作用下引起的固結變形量進行了研究，并提出了相應的預測模式；Weber[2]研究發現建于軟土地基上的堤壩在固結期間壓縮層厚度減小了80%，這顯然與傳統固結理論中的固結系數恒定的基本假定不相符.Duncan[3]認為固結系數的不確定性限制了傳統固結理論在土體變形計算中的應用.Mikasa[4]和Gibson[5]則將傳統的固結理論推廣到了大變形的固結理論當中.Bo等[6]得出了用基本物性指標求軟土固結沉降量的經驗公式.孫立強[7]、邱長林等[8]通過室內真空預壓試驗對吹填軟土的固結理論進行了深入的研究.張明等[9]通過室內試驗對深圳灣吹填軟土的固結系數進行了研究并提出了固結系數的估算方法.雷華陽等[10]通過室內固結試驗，對在不同狀態、不同方向下的軟土的固結特性和固結系數隨固結荷載的變化規律進行了研究.周翠英等[11]通過室內固結試驗研究了外荷載作用下軟土壓縮模量的變化規律.

雖然國內外學者對軟土的固結特性研究較廣，但是對于山澗淤泥質土-砂混合軟土的研究卻少之又少，因此研究主要結合工程實際中的淤泥質土-砂混合軟土，通過控制含砂量與含水率雙因素，對該混合軟土做了一系列固結壓縮試驗，目的是研究含砂量與含水率對該混合軟土壓縮性的影響，從而為今后相關的工程建設和類似的科學研究提供依據和借鑒.

1 工程概況

井睦高速公路全長43.318 km，起始于泰井高速 （K60+300處)，終止于江西省井岡山市的睦村鄉，這是江西省高速公路規劃網中的重要組成部分.

井睦高速路線帶地形較平緩，沿線出露底層巖性單一，根據野外調查分析，區內主要發育邊坡失穩、高液限土以及軟土等不良軟土地質.基巖巖性以中粗粒黑云母花崗巖為主，風化程度強烈，全風化層10～30 m，厚者可達40 m，巖體粘著力差，抗沖刷能力弱，抗剪強度低.路線“U”型溝谷發育，溝谷內常年積水，溝谷發育1～5.0 m花崗巖風化后殘積、沖洪積的淤泥質土及淤泥質砂，含水率為很濕到飽和，地表覆蓋的軟塑-流塑狀淤泥質砂（天然地基承載力 fa0≤80 kPa）.

結合該軟基地質，對工程實際中的山澗淤泥質土-砂混合軟土的壓縮特性進行研究.

2 試驗設計

2.1 試驗儀器

試驗采用快速固結試驗法，嚴格遵循公路土工試驗規程，對重塑試樣進行固結壓縮試驗.試驗儀器采用微機控制的GZQ-1型全自動氣壓固結儀.用環刀取樣并制成尺寸為D×H=61.8mm×20mm的試樣進行試驗.

2.2 試樣制備及試驗方案

試驗土樣取自井睦高速公路工程現場的原狀土-砂混合土，先進行篩分并分選出粗粒組砂和細粒淤泥質土，再按照不同混合比例重塑土-砂混合土試樣.采用濕法（水洗法）做篩分試驗對土-砂混合土進行篩分，其中粗粒砂的級配曲線如圖1.

圖1 砂的顆粒級配曲線

文中選取粒徑在0.5～2.0 mm范圍內的粗砂作為砂粒組，細粒淤泥質土以小于0.075mm粒組為主，對于少量超徑顆粒采用剔除法[12]處理，土樣基本性質如表1所示.

表1 試驗土-砂樣的基本性質

利用上述篩分后的粗粒組砂和細粒淤泥質土，設計關于含砂量與含水率的雙因素固結壓縮試驗，各土樣含砂量 S分別為0%、10%、30%、50%、70%和80%，初始含水率W為15%、20%、25%和30%，共24組試驗.制樣時，以干密度為控制標準，通過擊實的方式制備試樣[13].靜置一天后，再用環刀切取土樣并制成尺寸為D×H=61.8 mm×20 mm的試樣.同時，為提高試驗結果的可靠性，每個配比試樣做3個平行試驗.

3 試驗數據分析

3.1 試驗數據處理

在側限條件的壓應力作用下，假定土顆粒是不發生壓縮變形的.通常采用孔隙比與法向壓力的關系來表示土體的壓縮性，認為孔隙體積的壓縮變化即是土體體積的壓縮變形量.

在某級壓力作用下，計算固結穩定后的孔隙比ei：

式（1）中：e0為試樣初始孔隙比；Δhi為施加壓應力后的壓縮變形量/cm；h0為試樣初始高度/cm.

利用式（1）計算結果繪制e-p曲線，取曲線上相應的割線斜率作為某級壓力作用下壓縮系數ɑv得：

式（2）中：pi為某級壓力值 /kPa.

同時，壓縮模量Es也是評價土體壓縮特性的重要指標，它是指土在完全側限條件下的豎向附加應力與相應的應變增量的比值[14].可根據式（3）計算求得.

根據上述公式計算得到不同壓應力下的孔隙比e，繪制e-p圖，如圖2所示.

圖2 e-p關系曲線圖

由圖2可知，e-p關系曲線呈雙曲線形，孔隙比隨壓應力增大而逐漸減小，這是因為在壓力作用下，混合土內的空氣及孔隙水被排出，土體被壓實，孔隙比減小.隨著含砂量的增加，曲線逐漸變平緩，孔隙比減小速率降低，表現為壓縮性減小，壓縮模量增大；說明在工程中要改變土體壓縮性，可以增加含砂量.孔隙比隨含水率增加而逐漸減小，但含水率對曲線形態的影響較小，這可能是由于軟土的含水率一般較高，而試驗中軟土含水率較低，造成試驗現象不明顯.

壓縮系數和壓縮模量均是土體壓縮性的指標參數[15-16]，說明在某級壓應力作用下，土體體積壓縮變形量越大，壓縮性就越高.試驗數據計算結果見表2.

已有研究表明，含砂量S/%、含水率W/%與壓縮模量E1-2(MPa)三者間具有顯著的相關性.所以根據以上試驗數據，分別對壓縮模量和壓縮系數進行多元回歸分析，得到相關系數R2=0.93和R2=0.92的回歸表達式如下：

由回歸分析可知：混合土壓縮模量與含砂量成正相關關系，與含水率成負相關關系；在分析含砂量及含水率對壓縮模量的影響時，必須將含砂量與含水率結合起來考慮，下文采用控制某一因素的方法，較直觀地分析了另一因素對壓縮模量和壓縮系數的影響規律.

表2 試驗數據結果匯總

3.2 含砂量對土-砂混合土壓縮特性的影響分析

根據試驗數據，在不同的含水率條件下，壓縮模量與含砂量的關系曲線見圖3，壓縮系數與含砂量的關系曲線見圖4.

圖3 壓縮模量與含砂量的關系曲線

圖4 壓縮系數與含砂量的關系曲線

（1）由圖3可知，相同含水率時，增加含砂量，壓縮模量逐漸增大，且在含砂量為50%和70%處出現明顯的拐點.當含砂量低于50%時，壓縮模量增幅較??；當含砂量增至50%～70%時，壓縮模量明顯快速增長，增幅高達40%；含砂量超過70%后，壓縮模量仍有增長但增幅減小，這與曹光栩、楊冰等[17-18]研究得出的規律是一致的.

（2）壓縮模量與壓縮系數呈負相關關系，由圖4可知，隨著含砂量的增加，壓縮系數逐漸減小，含砂量在50%和70%處也同樣存在拐點現象，可壓縮性明顯降低，強度提高，工程特性增強.

（3）此外，結合圖3、圖4可以得出：增加含水率，壓縮模量逐漸減小，壓縮系數增大，即壓縮性增大，土體逐漸向軟土特性發展，說明增大含水率，土樣壓縮性提高.

由界限含砂量[19-22]的研究分析可知，淤泥質土-砂混合土的界限含砂量為50%～70%，隨著含砂量的增加，土-砂混合土的壓縮模量和壓縮系數存在一個明顯的轉化區間，它是混合土由密實-懸浮結構轉化為密實-骨架再到骨架-空隙結構的兩個轉折點.

當含砂量低于界限含砂量（50%）時，隨著含砂量的增加，混合土的密實性逐漸增大，砂顆粒在土體中具有一定的骨架作用，由于砂顆粒的壓縮模量遠遠大于細粒粘土顆粒的，使得砂顆粒骨架對混合土的抗壓縮性能有增強作用.當含砂量增至界限含砂量時，混合土密實度較好，土-砂顆粒間咬合性能明顯增強，骨架作用占主要地位，抗壓縮性明顯提高，從而使壓縮模量增大，壓縮系數減小.

超過界限含砂量（70%）后，砂顆粒骨架作用仍較強，但由于此時細粒土含量很少，不能完全填充在顆粒間的孔隙中，砂與砂界面間的孔隙增多；在外力作用下，強度較低的砂顆粒被壓碎，一定程度上增大了混合土體積壓縮變形量，表現為壓縮模量增幅減緩，壓縮系數減小也趨緩慢，壓縮性變化較小.但隨著含水率的增加，對土體內部的粘土礦物及砂顆粒具有一定的軟化及潤滑作用，對砂顆粒骨架有一定的弱化作用；隨含水率提高，影響趨勢更加的顯著.

3.3 含水率對土-砂混合土壓縮特性的影響分析

由試驗數據得到壓縮模量與含水率的關系曲線（圖5）和壓縮系數與含水率的關系曲線（圖6）.

圖5 壓縮模量與含水率的關系曲線

圖6 壓縮系數與含水率的關系曲線

由圖5可知：增加軟土含水率，壓縮模量逐漸減小，壓縮性增大，且表現為兩頭減幅小，中間減幅大的現象.當含水率較低(15%～20%)時，含砂量低于界限含砂量（50%）的土樣壓縮模量減幅較小，超過界限含砂量對應的壓縮模量減幅較大.當含水率增至25%時，壓縮模量明顯減小，且其減小幅度隨含砂量的增加而略有增大.繼續增大含水率至30%時，壓縮模量仍繼續減小，但降幅明顯變小，曲線較平緩.

同樣，由圖6可知：壓縮系數隨含水率增加而逐漸增大，壓縮性增大，淤泥質土-砂混合土的工程特性明顯降低；當含水率增至30%時，不含砂的土體壓縮系數超過0.5 MPa-1，根據規范可知，此時的土體屬于高壓縮性軟土.

淤泥質土-砂混合土的壓縮性隨含水率的增加而增大，這是因為水對土體具有較強的軟化效應，含水率越高，軟化效應越顯著；其次是土、砂顆粒的持水特性差異較大，砂顆粒的吸水量很小，飽和時砂粒的吸水量約為6%～7%，而細粒土的持水能力很強.在側限條件下，含水率相同時，對于較低含砂量的混合土可能還很干，對于高含砂量的混合土中，可能已經出現了裂隙水，水的軟化效應卻更大；這與試驗中含水率較低時，高含砂量的土體壓縮模量降幅更大的試驗結論是一致的.隨著含水率增大，混合土中粘土礦物及氧化物被溶解，水對土、砂顆粒的軟化效應更大，土體強度明顯降低，工程壓縮性增大，表現為壓縮模量減小，壓縮系數增大的趨勢.繼續增大含水率時，混合土中的孔隙水增多，在壓應力作用下，孔隙水逐漸排出，混合土被壓密，軟化效應有所減弱，表現為壓縮模量降幅減緩.

4 結束語

通過對淤泥質土-砂混合軟土做的一系列固結壓縮試驗，研究了不同含砂量和不同含水率對混合土壓縮特性的影響規律.由上述的研究分析可以得出以下結論：

（1）淤泥質土-砂混合土的壓縮模量與含砂量成正相關關系，與含水率成負相關關系；壓縮系數與含砂量成負相關關系，與含水率成正相關關系，在分析含砂量與含水率對壓縮特性的影響時要將二者結合起來考慮.

（2）固結壓縮試驗中，隨著含砂量的增加，土-砂混合土的壓縮模量和壓縮系數存在一個明顯的轉化區間，這個區間為界限含砂量（50%～70%）.在界限含砂量區間內，抗壓縮性明顯提高，壓縮模量增大，壓縮系數減小.

（3）在控制含水率的情況下，增加含砂量，混合軟土的壓縮模量逐漸增大，壓縮系數逐漸減小，混合土的壓縮性減??；在控制含砂量的情況下，增加含水率，混合軟土的壓縮模量逐漸減小，壓縮系數逐漸增大，混合土的壓縮性增大.

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