基于振動排水固結試驗的軟土動力特性研究

徐華榮，劉剛

(1.鎮江市勘察測繪研究院，江蘇 鎮江 212000； 2.鎮江技師學院，江蘇 鎮江 212000)

1 前 言

鎮江市位于我國東南地區，北鄰長江，屬于典型的沉積相軟土地質，承載能力低，滲透性差，地基容易發生明顯的差異性沉降和裂縫，對建筑物的影響較為嚴重。為了研究這種軟土的特性，設計了一種動態固結滲透儀，對鎮江地區的沉積相軟土試樣進行了振動排水固結試驗。動力排水固結方法是一種復合型軟土地基處理技術，可直接改善軟土地基本身的力學性能，能夠充分激發土體的潛在性能，使軟土地基的結構性能在較短時間內得到改善。

到目前為止，許多學者分別用不同的試驗方法對軟土的固結排水進行了研究。Kazuya等[1]運用動三軸儀對軟土在循環荷載作用下的固結沉降進行的研究發現，土體的變形由彈性變形逐步轉化為塑性變形，且隨著荷載作用時間的推移，塑性變形越來越大。Hansbo等[2]利用強夯加固的方法，從微觀角度對軟土的排水固結進行了解釋，認為軟土的孔隙水中存在可活動的微粒，這些微粒在強夯作用下可以被激活，從而使軟土中的結合水轉變為自由水被排出，再配合適當的排水通道，可以加速軟土的固結排水。李彰明、劉俊雄[3]利用高速電磁脈沖裝置對軟土進行了固結排水試驗，發現在軟土中動力能量的傳遞隨深度方向呈現衰減的特性，從而得出動力荷載的作用會導致軟土殘余應力的存在，并且這種殘余應力對沉降起到決定性的作用。

2 試驗設計

為了能夠對軟土進行振動排水固結試驗，所需要的動態固結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、三向應力、排水量等指標進行實時監測、采集、儲存，同時可對振動荷載作用下軟土固結、變形特性進行細化研究。圖1為本文所用試驗裝置的實物圖。該試驗裝置主要包括：控制系統、壓力室、加載系統、排水系統以及由各種傳感器組成的數據采集系統。其優點是結構簡單、節能高效，在試驗過程中能夠實時記錄試驗過程中的軸向應變、排水量、孔隙水壓力等的變化情況。

圖1 實驗裝置實物圖

試驗主要包括試樣制備、試樣安裝、固結試驗、土樣前后物理力學性狀指標的測試以及試驗數據整理。由于試驗儀器采用的是自行設計的動態固結滲透儀，儀器制作過程中可能存在誤差，且無相關成熟的試驗操作規程，所以參照動三軸儀器對試驗可能出現的問題進行校核。如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3的比較曲線可以看出，本文設計的動態固結滲透儀與動三軸儀器的試驗結果相近，偏差在5%之內，可以認為其精度能夠達到要求。

圖2 排水量與時間的關系

圖3 軸向應變與時間的關系

3 試驗結果及分析

試驗采用對比的方法，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變與排水效果的影響。

為了得到對比結果，表1列出了每組試驗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系曲線。

圖4圍壓與排水量的關系曲線

圖5 荷載頻率域排水量的關系曲線

由圖5可以看出，在同一圍壓作用下，振動排水固結的效果要優于靜壓排水固結，也就是說振動作用有利于提高排水效率，增加排水量。且當頻率為 1 Hz和 2 Hz時，固結排水的效果最好，說明軟土的固有頻率比較低。還可以發現，圍壓越大排水量就越大，因此圍壓的大小對軟土的固結排水影響很大。

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，可以發現相同的圍壓和振動頻率作用下，施加的振動荷載幅值越大，振動排水固結試驗過程中的排水速率就越大，總排水量增加。

為了研究試驗前后軟土的物理指標變化情況，對試驗前后軟土試驗的孔隙比和含水量進行了比較，如表2、圖7所示。

由表2和圖7不難發現，經過排水固結試驗后，土體的含水量和孔隙比都有很大程度的降低，抗剪強度明顯提高，且振動排水固結效果要好于靜壓排水固結。

試驗前后土的含水率變化情況(單位/%) 表2

圖7試驗前后軟土孔隙比的變化情況

4 結 論

通過對鎮江地區沉積相軟土進行振動固結試驗，可以得出以下結論：

(1)在相同的條件下，振動排水固結方法處理軟土較靜壓方式，具有更高的排水速率和軸向應變速率，因此，對軟土施加振動荷載，可以有效地加速和促進軟土的固結完成。

(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試驗有重要影響。當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。

(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，但同時會弱化振動效應，所以振動排水固結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，但其經濟性還需商榷。