石英砂改良軟土力學特性試驗研究

劉東燦，王江鋒*，任艷婷，陳夢婷，苑 佳

（1.華北水利水電大學 地球科學與工程學院，鄭州 450046；2.鄭州一建集團有限公司，鄭州 450046）

軟土天然含水量高、孔隙比大，在我國沿海和內陸分布廣泛[1]。由于其抗剪強度低，常常給軟土地區的施工帶來許多問題，如地基塌陷、邊坡失穩等，阻礙了經濟的建設發展[2-4]。如何經濟有效地處理軟土地基成為該領域的重要議題[5-7]。

國內外學者對于軟土的改良進行了大量研究。Ahmet等[8]通過在土體中加入適量的煤粉，得出煤粉可有效改善土體的凍融特性；Yao等[9]對軟土添加納米材料，利用納米材料改良軟土，發現納米材料可以有效地提高軟土在酸性條件下的力學性質；張艷軍等[10]探究了纖維增強的聚合物對軟土強度的影響。戴巍等[11]利用木質纖維與水泥2種改良劑對軟土進行改良，從微觀角度闡述了改良的機制；余浩等[12]在軟土中添加PVA纖維，并與水泥改良的軟土進行對比；王春陽[13]研究了在凍融條件下石灰對軟土抗剪強度的影響。

石英砂化學性質穩定，耐酸堿腐蝕，取材便利，價格低廉，常被用于工程施工[14-15]。在軟土中加入適量的石英砂可有效地改良軟土各項力學性質，但以往的試驗研究中石英砂改良軟土的內容鮮有報道，為了準確分析石英砂改良軟土的性能，有必要對石英砂改良軟土的力學特性展開定性和定量研究。

1 試驗材料

試驗所用原狀軟土采集于河北省滄州市渤海新區板唐河沿岸，取土土深為1.5～2.0 m，灰色，呈軟塑狀態，天然含水量高，其基本物理參數見表1。試驗選用的石英砂為20～50目，呈灰白色，主要成分為二氧化硅。將試驗所用軟土放置于烘箱烘干10 h，溫度設置為110～115℃。對烘干的軟土進行切碎、碾壓，過0.5 mm篩。試驗中石英砂的摻量分別為0、10%、15%、20%、25%、30%（石英砂和干土之間的質量分數），稱取一定量的干土并加入相對應摻量的石英砂，混合攪拌均勻后，養護7 d后進行相關試驗。

表1 原狀軟土的物理性質參數

2 試驗方法及內容

2.1 擊實試驗

本次試驗采用輕型擊實試驗來計算土體的最優含水率和最大干密度。對石英砂摻量為0、10%、15%、20%、25%、30%的試樣進行擊實試驗，每次測定的試樣不高出筒頂面5 mm。

2.2 壓縮試驗

本次試驗采用WG型單杠桿雙聯中壓固結儀來測定土體的壓縮系數。將試樣制備為內徑61.8 mm，高20 mm的圓柱體，速率剪切設置為0.8～1.2 mm/min。壓縮試驗共分為7組，每組制備2個試樣。土體壓縮性高低由壓縮系數a1-2來評定，通過公式（1）計算。

式中：a1-2為土的壓縮系數，MPa-1；p1為固結壓力100 kPa；p2為固結壓力200 kPa；e1為固結壓力100 kPa作用下壓縮穩定后土的孔隙比，e2為固結壓力200 kPa作用下壓縮穩定后土的孔隙比。

2.3 物理參數試驗

無側限抗壓強度和抗剪強度反映了土體的基本物理參數。無側限抗壓強度試驗通過SANS Power Test壓力機進行，采用位移控制的方式，位移控制的速度設置為1 mm/min。試樣采用標準三軸圓柱試樣，高度80 mm，直徑39.1 mm。試驗共分為7組，每組制備2個試樣。抗剪試驗采用SDJ-1型自動應變控制直剪儀進行，試驗所用環刀為內徑61.8 mm，高20 mm的標準環刀。試驗共分為7組，每組制備4個試樣。

2.4 三軸固結不排水試驗（CU）

將待測試樣制備為直徑39.1 mm，高80 mm的圓柱形。將制備好的試樣進行保濕處理（包裹塑料薄膜），放入三軸壓縮儀中。固結不排水試驗的圍壓設置為3種參數，分別為100、200、300 kPa。儀器設備如圖1所示。

圖1 儀器設備

3 試驗結果分析

3.1 擊實特性

試驗的擊實試驗結果見表2。改良前原狀軟土的最佳含水率為16.3%，最大干密度為1.670 g/cm3。隨著參砂比的增加，改良軟土的最佳含水率逐漸降低，最大干密度逐漸增大。這說明石英砂改良的軟土的水穩定性明顯變強，最大干密度顯著增加，水敏性降低。土體的碾壓效果可以通過天然含水率與最優含水率的差值來分析，其差值越小則土體的碾壓效果越好。經過計算分析可以得到改良后的軟土含水率明顯減小，其碾壓效果明顯提高。由于軟土的孔隙度大，保水性好，在對軟土地基的實際操作處理過程中，通過摻砂改良軟土可以減少施工難度。

表2 擊實試驗結果數據表

3.2 壓縮性能

原狀軟土及改良軟土的壓縮系數隨摻砂量變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，摻砂改良能夠有效降低土體的壓縮系數。通過計算分析可知土體隨著石英砂的摻入，土體的壓縮系數呈現減小的變化趨勢。由此可以得出摻砂對于軟土的變形可以起到有效減緩作用。

圖2 壓縮系數隨摻砂量變化趨勢圖

3.3 物理參數試驗

無側限抗壓強度隨摻砂量變化情況如圖3所示。由圖3可知，在同一摻砂率下，改良軟土的無側限抗壓強度隨著壓實度的增大不斷增加；在同一壓實度下，改良軟土的無側限抗壓強度隨著摻砂率的增大呈現先增加后減小的變化趨勢，并在摻砂率為20%時出現峰值。從試驗結果可知，原狀軟土無側限抗壓強度較低，摻砂后，無側限強度有較大提高。在摻砂率達到一定值后，雖然隨著摻砂量的增加改良軟土無側限抗壓強度呈現降低趨勢，但仍然遠大于原狀軟土強度。

圖3 無側限抗壓強度隨摻砂量變化趨勢圖

抗剪強度指標變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出，改良軟土的黏聚力隨著摻砂量的增加而減小，內摩擦角卻隨著摻砂量的增加而增大；當摻砂量在20%以內時，其黏聚力變化相對緩慢，而內摩擦角變化幅度較大；當摻砂量超20%時，改良軟土內摩擦角變化很小趨于穩定值，而黏聚力下降很快。與無側限抗壓強度變化趨勢相似，改良軟土抗剪強度隨摻砂量增加而先增大后減小，當摻砂量達到20%時，抗剪強度出現最大值，摻砂比超過20%時，抗剪強度逐漸減小。改良軟土的有效抗剪強度參數與原狀軟土的有效抗剪強度參數相比有所增大。有效應力是作用在土顆粒和土骨架上的應力，摻砂改良后土的有效抗剪強度增大，改良軟土形成了密實的砂土骨架，有效應力由黏土和砂粒共同承擔，抵抗外部剪切破壞的能力變強。

圖4 黏聚力和內摩擦角隨摻砂量的變化趨勢圖

3.4 三軸固結不排水試驗（CU）

為了對最優砂改軟土的力學性質進行分析探究，對摻砂比為20%的軟土進行了固結不排水剪切試驗，對土的有效抗剪強度參數、總抗剪強度參數和孔隙水壓力進行了測定。結果如圖5和圖6所示。

圖5 重塑原狀軟土試樣的應力-應變關系曲線

圖6 重塑改良軟土試樣的應力-應變關系曲線

由重塑軟土試樣以及重塑改良軟土試樣的應力－應變曲線可知，在試驗初期，主應力差隨著軸向應變的增大呈線性快速增大，小應變會引起較大的應力差，原狀軟土和改良軟土試樣均處于彈性階段；主應力差仍隨著軸向應變的增大而呈現增大趨勢，但其增加速率變慢，原狀軟土和改良軟土試樣進入塑性變形階段；隨著圍壓的增加，相同軸向應變的主應力差也顯著提高，主應力差峰值也隨即增大，但是改良軟土試樣的主應力差峰值增長幅度明顯大于原狀軟土試樣，高圍壓固結后改良軟土試樣的抗剪強度較原狀軟土明顯增強。

石英砂的摻入提高了相同圍壓下軟土的抗剪強度。對于改良軟土試樣，剪切過程中除了要克服顆粒滑動摩擦阻力外，還要破壞相鄰顆粒間相互咬合的作用，即通過剪脹而達到。含砂量越大的土體，單位面積里相互嵌合的不同大小的顆粒就越多，對應破壞這個咬合作用的力就越大，表現為抗剪強度的增加。

4 結論

本文以河北省滄州市渤海新區板唐河沿岸的軟土為對象，進行了改良處理，通過相關試驗探究了改良前后的物理力學性質，得出以下結論。

（1）隨著石英砂摻量的增加，改良軟土的粗顆粒含量增加，黏聚力下降，壓縮性能減弱，無側限抗壓強度和抗剪強度明顯提高。

（2）改良軟土的水穩定性變強，最大干密度顯著增加，水敏性明顯降低，使得改良軟土獲得較好的碾壓效果，有利于施工建設。

（3）最優砂改土的黏聚力由改良前的30 kPa減小到改良后的20 kPa；內摩擦角由改良前的16.6°增大到改良后的20°。由三軸試驗分析可以驗證，摻砂改良軟土是可行的，可以增強軟土的抗剪能力。