砂-黏土混合物的固結(jié)試驗研究

李晨

摘要：針對吹填造陸工程中常見的粗細(xì)粒共存、砂含量分布不均的砂-黏土混合物，配制了7組不同含砂條件的試樣，研究不同含砂條件對吹填土固結(jié)特性的影響。結(jié)果表明：含砂量的增多和砂粒徑的增大均能提高混合土的壓縮性，且增加含砂量對土體壓縮性的提高效果略高于增大含砂粒徑;含砂量的增多和砂粒粒徑的增大均能提升砂-黏土混合物中土的透水能力，提高土體固結(jié)系數(shù)，加速土體固結(jié)。

Abstract： According to the sand-clay mixture with coexisting coarse and fine particles and uneven distribution of sand content， 7 sets of samples with different sand conditions were prepared to study the influence of different sand conditions on consolidation characteristics of blown fill soil. The results show that the increase of sand content and the increase of sand size can improve the compressibility of mixed soil， and the effect of increasing sand content on soil compressibility is slightly higher than that of increasing sand size; The increase of sand content and the increase of sand particle size can improve the permeability of soil in sand-clay mixture， improve the consolidation coefficient of soil and accelerate the consolidation of soil.

關(guān)鍵詞：砂-黏土混合物;固結(jié)試驗;含砂量

Key words： sand-clay mixture;consolidation test;sand content

中圖分類號：TU41 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）24-0141-02

0 ?引言

近年來隨著疏浚裝備和技術(shù)的發(fā)展，以及吹填造地、造島及海岸防護(hù)等的需求不斷擴(kuò)大，吹填工程具有良好的發(fā)展前景。而吹填造陸工程中通過水力吹填堆積形成的人工吹填土是粗細(xì)粒共存的混合物，土體中砂含量的分布極不均勻，且這種級配不良的砂-黏土混合土廣泛分布于上海黃浦江、廣州珠江等江河兩岸等濱海造陸地區(qū)[1]。針對這種砂-黏土混合物，大部分學(xué)者主要研究了砂含量對其液限和滲透特性等的影響[2]，而關(guān)于如何定量評價砂-黏土混合物的固結(jié)特性以及與純黏土固結(jié)特性之間的差異性，卻尚未見報道。

基于上述原因，筆者在室內(nèi)人工配制砂-黏土混合物模擬現(xiàn)場吹填土層，運用自制的滲透固結(jié)裝置[3]開展?jié)B透固結(jié)聯(lián)合試驗，研究不同含砂條件對砂-黏土混合物固結(jié)特性的影響，進(jìn)一步完善和發(fā)展吹填造陸技術(shù)在各地的應(yīng)用。

1 ?試驗材料與方法

1.1 試驗材料與試樣制備

試驗材料包括福建平潭的標(biāo)準(zhǔn)石英砂和黏土。黏土取自武漢某基坑底部，經(jīng)風(fēng)干碾壓，過2mm篩，再烘干備用。通過土工試驗測得黏土的干密度為1.65g/cm3，塑限為19.2%，液限為36.5%，塑性指數(shù)為17.2，比重為2.73;試驗用砂含少量雜質(zhì)，對其進(jìn)行篩分，將中砂（0.25～0.5mm）和粗砂（0.5～2mm）篩出進(jìn)行烘干備用。

根據(jù)不同含砂條件配置7種砂-黏土混合物，其中A為純黏土試樣，A-1，2，3分別為含砂量為10%，15%，20%的含中砂試樣，B-1，2，3分別為含砂量為10%，15%，20%的含粗砂試樣。確定配比后，控制各試樣的初始孔隙比（e0=0.882）不變，制樣時將兩種材料混合均勻，噴灑蒸餾水使其等于液限（試樣A;A-1，2，3;B-1，2，3液限分別為36.5%，32.9%，31.3%，29.0%，32.8%，31.0%，29.2%），再次攪拌均勻。將調(diào)配好的砂-黏土混合土密封24h后裝入直徑61.8mm，高度40mm的環(huán)刀內(nèi)，最后采用抽真空法對其進(jìn)行飽和。

1.2 試驗方法

本文運用團(tuán)隊自制的滲透固結(jié)裝置[3]開展試驗研究，依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）流程開展常規(guī)固結(jié)試驗，先施加1kPa的預(yù)加載，而后進(jìn)行加壓等級為50kPa—100kPa—200kPa—400kPa—800kPa的正式加載，固結(jié)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為每級壓力下固結(jié)時常達(dá)24h。

2 ?試驗結(jié)果及分析

2.1 壓縮曲線

各試樣的e-p曲線見圖1，壓縮系數(shù)a1-2見圖2。

由圖1得到以下結(jié)論：

①隨著固結(jié)壓力增加，曲線斜率逐漸減小，在400～800kPa的荷載范圍內(nèi)，各壓縮曲線已趨于平行;

②砂-黏土混合物的e-p曲線，均在純黏土A的下方，即相同應(yīng)力作用下，砂-黏土混合物的孔隙比，均小于純黏土的孔隙比，說明砂-黏土混合物的壓縮性均略高于純黏土;

③隨著含砂量的增多，土體在同一荷載壓縮下孔隙比越小，在固結(jié)試驗加荷初期尤為明顯，曲線斜率最大，即單位壓力下產(chǎn)生的應(yīng)變最大;

④砂粒的粒徑同樣對土樣的壓縮固結(jié)有一定的影響，在砂含量相同的情況下，含粗砂試樣的壓縮曲線位于含中砂試樣曲線的下方，即在同一荷載作用下孔隙比數(shù)值更小。

由圖2可知，各試樣的壓縮系數(shù)a1-2均大于0.5MPa-1，均屬于高壓縮性土。隨著含砂量增加，壓縮系數(shù)逐漸增大;不同含砂量條件下，含粗砂試樣的壓縮系數(shù)均高于含中砂試樣的壓縮系數(shù)。相較于純黏土A（Rs=0%），試樣A-1（Rs=10%）的壓縮系數(shù)增大了0.008MPa-1，試樣B-1（Rs=10%）的壓縮系數(shù)增大了0.017MPa-1;相較于試樣A-1，試樣B-1壓縮系數(shù)增加了0.009MPa-1，說明增加含砂量對土體壓縮性的提高效果略高于增大含砂粒徑。

2.2 固結(jié)系數(shù)

將計算得到的固結(jié)系數(shù)進(jìn)行分析，并對常用的幾種擬合公式進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)固結(jié)系數(shù)Cv和固結(jié)壓力p的雙對數(shù)關(guān)系曲線具有明顯的二次函數(shù)曲線特征，利用Origin軟件對lgCv和lgp的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，結(jié)果見圖3。

由圖3可知，固結(jié)系數(shù)是隨固結(jié)壓力增大而非線性增大的變量;含砂量越高，砂粒粒徑越大，各級固結(jié)壓力作用下土體的固結(jié)系數(shù)越大。說明砂-黏土混合物試樣中含砂量的增多和砂粒粒徑的增大均能提升土體透水能力，加速土體固結(jié)。這一結(jié)論與許豐岐[4]的試驗結(jié)論相同，但與吳子龍[1]等人的結(jié)論相反，經(jīng)過試驗條件的對比發(fā)現(xiàn)，吳子龍[1]等人研究的砂-黏土混合物內(nèi)的砂含量較高，能在固結(jié)過程中形成砂骨架，對土體的壓縮變形有阻礙作用，而本文中含砂量不超過20%的砂-黏土混合物在固結(jié)過程中并未形成砂骨架，土中砂對于混合物試樣的壓縮變形、固結(jié)排水起到了積極的作用。

固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力（lgCv-lgp）的擬合公式為：

式中a0，b0，c0為擬合參數(shù)，上述固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力（lgCv-lgp）關(guān)系曲線擬合的顯著性程度優(yōu)良，相關(guān)系數(shù)R2在0.914～0.992之間，故可以利用公式（1）對本文試樣在逐級荷載作用下的固結(jié)系數(shù)進(jìn)行預(yù)測分析。

3 ?結(jié)論

本文基于常規(guī)固結(jié)試驗研究了不同含砂條件的砂-黏土混合物的固結(jié)特性，提出了固結(jié)系數(shù)的預(yù)測公式，并得到了以下結(jié)論：

①砂-黏土混合物的壓縮性均略高于純黏土，含砂粒徑一定時，壓縮系數(shù)隨含砂量的增加而增大;

②含砂量一定時，含粗砂混合土的壓縮系數(shù)均高于含中砂混合土，說明增加含砂量對土體壓縮性的提高效果略高于增大含砂粒徑;

③砂-黏土混合物中含砂量的增多和砂粒粒徑的增大均能提升土體透水能力，提高土體固結(jié)系數(shù)，加速土體固結(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳子龍，朱向陽，鄧永鋒，等.砂-黏土混合物的壓縮性狀及其粗顆粒骨架形成機(jī)制[J].土木工程學(xué)報，2016，49（02）：121-128.

[2]Wang Q， Tang A M， Cui Y J， et al. Experimental study on the swelling behaviour of bentonite/claystone mixture[J]. Engineering Geology， 2012， 124（2）： 59-66.

[3]張季如，鄭湘云，蘆劍鋒，趙瑞.一種可自動采集孔壓的滲透固結(jié)儀[P].CN208140705U，2018-11-23.

[4]許豐岐.摻砂對真空預(yù)壓法加固高粘性吹填土效果影響的試驗研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016.