淤泥质土-砂混合软土的固结压缩试验研究

邱模清， 艾志伟， 罗嗣海， 邓通发,2

（1.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000；2．广州大学土木工程学院，广州 510006）

0 引 言

由于软土具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩系数大、抗剪强度低和渗透系数小的工程特点，在公路、桥梁工程建设中，软土地基的处理问题已成为设计、施工者十分关注的课题，而软土的工程性质也倍受科研人员的关注.淤泥质土-砂混合土也属于软土的范畴，并且随着各类岩土工程建设的不断发展，遇到该土质的机率变得越来越大，使得对淤泥质土-砂混合土的工程性质的研究变得越显必要.

在岩土工程中，土的压缩特性问题一直是大家比较关注的问题之一.固结压缩试验是土力学中测定土的压缩特性的最基本试验，国内外学者对软土的固结特性做了相关的研究工作.Yasuhara K等[1]通过大量的室内试验对软基上低路堤在交通荷载作用下引起的固结变形量进行了研究，并提出了相应的预测模式；Weber[2]研究发现建于软土地基上的堤坝在固结期间压缩层厚度减小了80%，这显然与传统固结理论中的固结系数恒定的基本假定不相符.Duncan[3]认为固结系数的不确定性限制了传统固结理论在土体变形计算中的应用.Mikasa[4]和Gibson[5]则将传统的固结理论推广到了大变形的固结理论当中.Bo等[6]得出了用基本物性指标求软土固结沉降量的经验公式.孙立强[7]、邱长林等[8]通过室内真空预压试验对吹填软土的固结理论进行了深入的研究.张明等[9]通过室内试验对深圳湾吹填软土的固结系数进行了研究并提出了固结系数的估算方法.雷华阳等[10]通过室内固结试验，对在不同状态、不同方向下的软土的固结特性和固结系数随固结荷载的变化规律进行了研究.周翠英等[11]通过室内固结试验研究了外荷载作用下软土压缩模量的变化规律.

虽然国内外学者对软土的固结特性研究较广，但是对于山涧淤泥质土-砂混合软土的研究却少之又少，因此研究主要结合工程实际中的淤泥质土-砂混合软土，通过控制含砂量与含水率双因素，对该混合软土做了一系列固结压缩试验，目的是研究含砂量与含水率对该混合软土压缩性的影响，从而为今后相关的工程建设和类似的科学研究提供依据和借鉴.

1 工程概况

井睦高速公路全长43.318 km，起始于泰井高速 （K60+300处)，终止于江西省井冈山市的睦村乡，这是江西省高速公路规划网中的重要组成部分.

井睦高速路线带地形较平缓，沿线出露底层岩性单一，根据野外调查分析，区内主要发育边坡失稳、高液限土以及软土等不良软土地质.基岩岩性以中粗粒黑云母花岗岩为主，风化程度强烈，全风化层10～30 m，厚者可达40 m，岩体粘着力差，抗冲刷能力弱，抗剪强度低.路线“U”型沟谷发育，沟谷内常年积水，沟谷发育1～5.0 m花岗岩风化后残积、冲洪积的淤泥质土及淤泥质砂，含水率为很湿到饱和，地表覆盖的软塑-流塑状淤泥质砂（天然地基承载力 fa0≤80 kPa）.

结合该软基地质，对工程实际中的山涧淤泥质土-砂混合软土的压缩特性进行研究.

2 试验设计

2.1 试验仪器

试验采用快速固结试验法，严格遵循公路土工试验规程，对重塑试样进行固结压缩试验.试验仪器采用微机控制的GZQ-1型全自动气压固结仪.用环刀取样并制成尺寸为D×H=61.8mm×20mm的试样进行试验.

2.2 试样制备及试验方案

试验土样取自井睦高速公路工程现场的原状土-砂混合土，先进行筛分并分选出粗粒组砂和细粒淤泥质土，再按照不同混合比例重塑土-砂混合土试样.采用湿法（水洗法）做筛分试验对土-砂混合土进行筛分，其中粗粒砂的级配曲线如图1.

图1 砂的颗粒级配曲线

文中选取粒径在0.5～2.0 mm范围内的粗砂作为砂粒组，细粒淤泥质土以小于0.075mm粒组为主，对于少量超径颗粒采用剔除法[12]处理，土样基本性质如表1所示.

表1 试验土-砂样的基本性质

利用上述筛分后的粗粒组砂和细粒淤泥质土，设计关于含砂量与含水率的双因素固结压缩试验，各土样含砂量 S分别为0%、10%、30%、50%、70%和80%，初始含水率W为15%、20%、25%和30%，共24组试验.制样时，以干密度为控制标准，通过击实的方式制备试样[13].静置一天后，再用环刀切取土样并制成尺寸为D×H=61.8 mm×20 mm的试样.同时，为提高试验结果的可靠性，每个配比试样做3个平行试验.

3 试验数据分析

3.1 试验数据处理

在侧限条件的压应力作用下，假定土颗粒是不发生压缩变形的.通常采用孔隙比与法向压力的关系来表示土体的压缩性，认为孔隙体积的压缩变化即是土体体积的压缩变形量.

在某级压力作用下，计算固结稳定后的孔隙比ei：

式（1）中：e0为试样初始孔隙比；Δhi为施加压应力后的压缩变形量/cm；h0为试样初始高度/cm.

利用式（1）计算结果绘制e-p曲线，取曲线上相应的割线斜率作为某级压力作用下压缩系数ɑv得：

式（2）中：pi为某级压力值 /kPa.

同时，压缩模量Es也是评价土体压缩特性的重要指标，它是指土在完全侧限条件下的竖向附加应力与相应的应变增量的比值[14].可根据式（3）计算求得.

根据上述公式计算得到不同压应力下的孔隙比e，绘制e-p图，如图2所示.

图2 e-p关系曲线图

由图2可知，e-p关系曲线呈双曲线形，孔隙比随压应力增大而逐渐减小，这是因为在压力作用下，混合土内的空气及孔隙水被排出，土体被压实，孔隙比减小.随着含砂量的增加，曲线逐渐变平缓，孔隙比减小速率降低，表现为压缩性减小，压缩模量增大；说明在工程中要改变土体压缩性，可以增加含砂量.孔隙比随含水率增加而逐渐减小，但含水率对曲线形态的影响较小，这可能是由于软土的含水率一般较高，而试验中软土含水率较低，造成试验现象不明显.

压缩系数和压缩模量均是土体压缩性的指标参数[15-16]，说明在某级压应力作用下，土体体积压缩变形量越大，压缩性就越高.试验数据计算结果见表2.

已有研究表明，含砂量S/%、含水率W/%与压缩模量E1-2(MPa)三者间具有显著的相关性.所以根据以上试验数据，分别对压缩模量和压缩系数进行多元回归分析，得到相关系数R2=0.93和R2=0.92的回归表达式如下：

由回归分析可知：混合土压缩模量与含砂量成正相关关系，与含水率成负相关关系；在分析含砂量及含水率对压缩模量的影响时，必须将含砂量与含水率结合起来考虑，下文采用控制某一因素的方法，较直观地分析了另一因素对压缩模量和压缩系数的影响规律.

表2 试验数据结果汇总

3.2 含砂量对土-砂混合土压缩特性的影响分析

根据试验数据，在不同的含水率条件下，压缩模量与含砂量的关系曲线见图3，压缩系数与含砂量的关系曲线见图4.

图3 压缩模量与含砂量的关系曲线

图4 压缩系数与含砂量的关系曲线

（1）由图3可知，相同含水率时，增加含砂量，压缩模量逐渐增大，且在含砂量为50%和70%处出现明显的拐点.当含砂量低于50%时，压缩模量增幅较小；当含砂量增至50%～70%时，压缩模量明显快速增长，增幅高达40%；含砂量超过70%后，压缩模量仍有增长但增幅减小，这与曹光栩、杨冰等[17-18]研究得出的规律是一致的.

（2）压缩模量与压缩系数呈负相关关系，由图4可知，随着含砂量的增加，压缩系数逐渐减小，含砂量在50%和70%处也同样存在拐点现象，可压缩性明显降低，强度提高，工程特性增强.

（3）此外，结合图3、图4可以得出：增加含水率，压缩模量逐渐减小，压缩系数增大，即压缩性增大，土体逐渐向软土特性发展，说明增大含水率，土样压缩性提高.

由界限含砂量[19-22]的研究分析可知，淤泥质土-砂混合土的界限含砂量为50%～70%，随着含砂量的增加，土-砂混合土的压缩模量和压缩系数存在一个明显的转化区间，它是混合土由密实-悬浮结构转化为密实-骨架再到骨架-空隙结构的两个转折点.

当含砂量低于界限含砂量（50%）时，随着含砂量的增加，混合土的密实性逐渐增大，砂颗粒在土体中具有一定的骨架作用，由于砂颗粒的压缩模量远远大于细粒粘土颗粒的，使得砂颗粒骨架对混合土的抗压缩性能有增强作用.当含砂量增至界限含砂量时，混合土密实度较好，土-砂颗粒间咬合性能明显增强，骨架作用占主要地位，抗压缩性明显提高，从而使压缩模量增大，压缩系数减小.

超过界限含砂量（70%）后，砂颗粒骨架作用仍较强，但由于此时细粒土含量很少，不能完全填充在颗粒间的孔隙中，砂与砂界面间的孔隙增多；在外力作用下，强度较低的砂颗粒被压碎，一定程度上增大了混合土体积压缩变形量，表现为压缩模量增幅减缓，压缩系数减小也趋缓慢，压缩性变化较小.但随着含水率的增加，对土体内部的粘土矿物及砂颗粒具有一定的软化及润滑作用，对砂颗粒骨架有一定的弱化作用；随含水率提高，影响趋势更加的显著.

3.3 含水率对土-砂混合土压缩特性的影响分析

由试验数据得到压缩模量与含水率的关系曲线（图5）和压缩系数与含水率的关系曲线（图6）.

图5 压缩模量与含水率的关系曲线

图6 压缩系数与含水率的关系曲线

由图5可知：增加软土含水率，压缩模量逐渐减小，压缩性增大，且表现为两头减幅小，中间减幅大的现象.当含水率较低(15%～20%)时，含砂量低于界限含砂量（50%）的土样压缩模量减幅较小，超过界限含砂量对应的压缩模量减幅较大.当含水率增至25%时，压缩模量明显减小，且其减小幅度随含砂量的增加而略有增大.继续增大含水率至30%时，压缩模量仍继续减小，但降幅明显变小，曲线较平缓.

同样，由图6可知：压缩系数随含水率增加而逐渐增大，压缩性增大，淤泥质土-砂混合土的工程特性明显降低；当含水率增至30%时，不含砂的土体压缩系数超过0.5 MPa-1，根据规范可知，此时的土体属于高压缩性软土.

淤泥质土-砂混合土的压缩性随含水率的增加而增大，这是因为水对土体具有较强的软化效应，含水率越高，软化效应越显著；其次是土、砂颗粒的持水特性差异较大，砂颗粒的吸水量很小，饱和时砂粒的吸水量约为6%～7%，而细粒土的持水能力很强.在侧限条件下，含水率相同时，对于较低含砂量的混合土可能还很干，对于高含砂量的混合土中，可能已经出现了裂隙水，水的软化效应却更大；这与试验中含水率较低时，高含砂量的土体压缩模量降幅更大的试验结论是一致的.随着含水率增大，混合土中粘土矿物及氧化物被溶解，水对土、砂颗粒的软化效应更大，土体强度明显降低，工程压缩性增大，表现为压缩模量减小，压缩系数增大的趋势.继续增大含水率时，混合土中的孔隙水增多，在压应力作用下，孔隙水逐渐排出，混合土被压密，软化效应有所减弱，表现为压缩模量降幅减缓.

4 结束语

通过对淤泥质土-砂混合软土做的一系列固结压缩试验，研究了不同含砂量和不同含水率对混合土压缩特性的影响规律.由上述的研究分析可以得出以下结论：

（1）淤泥质土-砂混合土的压缩模量与含砂量成正相关关系，与含水率成负相关关系；压缩系数与含砂量成负相关关系，与含水率成正相关关系，在分析含砂量与含水率对压缩特性的影响时要将二者结合起来考虑.

（2）固结压缩试验中，随着含砂量的增加，土-砂混合土的压缩模量和压缩系数存在一个明显的转化区间，这个区间为界限含砂量（50%～70%）.在界限含砂量区间内，抗压缩性明显提高，压缩模量增大，压缩系数减小.

（3）在控制含水率的情况下，增加含砂量，混合软土的压缩模量逐渐增大，压缩系数逐渐减小，混合土的压缩性减小；在控制含砂量的情况下，增加含水率，混合软土的压缩模量逐渐减小，压缩系数逐渐增大，混合土的压缩性增大.

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