海口软土中细砂复合土的试验研究

谭 杰，李光范，胡 伟，赵记领，刘顺凯

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

海口软土中细砂复合土的试验研究

谭 杰，李光范，胡 伟，赵记领，刘顺凯

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

对海口软土掺中细砂形成的复合土进行了系列试验研究，分析了不同围压下，不同配合比复合土与原状软土的强度、应力应变关系、压缩性以及有效应力路径的特性.试验结果表明：随着中细砂掺量的增加，于同围压下，复合土的剪切强度越高，剪胀现象越明显，复合土在低围压下表现出一定的应变软化，而在高围压下，无论是复合土还是原状土，其都表现出应变硬化现象；随着砂掺入量的增加，复合土的有效应力路径由斜线或弧形向“S”形过渡.

复合土； 三轴试验； 淤泥质软土

软土在中国沿海地区分布较为广泛，厚度变化大，土质软弱.在工程实践中经常会遇到软土地基及由此引发的工程问题[1-3].在土的分类中，软土是指沿海、沿江的滨海相、三角洲相、河谷相，内陆平原或山区的河流相、湖泊相、沼泽相等主要由细粒土组成的含水率高、孔隙比大(一般大于1)、压缩性能高和强度低的软塑到流塑状态的天然土层[4].

传统的淤泥质软土的处理方法有吹填造陆、晾晒、热处理等，但由于淤泥具有量大、含水率高、富含有机质等特点，这使得这几种方法往往受到限制，从而使淤泥的另一种处理方法——淤泥的固化处理，越来越多地被应用到工程实践当中.本文对淤泥质软土掺入不同量中细砂所形成的复合土进行了三轴试验，以研究其强度特性，旨在为淤泥土的固化提供更多方式.

在土的室内三轴试验时，对土采用的是各向等压固结，围压不变，仅轴向加载破坏，而取自天然土层的原状土通常认为是处于k0固结状态[5].本试验中复合土试样与原状土试样的强度参数对比受到固结状态以及中细砂掺入量等因素的影响.

本试验对不同掺砂量的复合土以及原状土进行了常规三轴不排水试验，得出了不同围压与同一围压下，不同砂土配合比的应力应变关系以及应力路径特性.

1 试样制备和试验方案

1.1 试验仪器 本次三轴试验所用仪器为美国GEOCOMP生产的LoadTracII三轴仪，所有数据都由电脑自动收集和整理，极大减少了人为操作所产生的失误.

1.2 试样制备 试验土料取自海口市海甸岛某地的淤泥质软土，土质呈灰、黑色；有腥臭味，含有一定的有机质；其基本物理力学性质参数见表1，复合土的物理力学性质见表3.

进行CU试验的复合土为重塑土，试样制备过程以及试验过程如下：

(1)取1m左右深度的土料进行风干，碾碎后过直径为2mm的土工筛，测定其风干含水率，严格按照《土工试验规范》(GB/T50123—1999)验算所需加水量，再在所形成的重塑土中加入所需的中细砂(粒径0.25～0.5mm)，形成不同的砂土配合比，调成均匀的稀泥浆，再倒入铺有双层滤纸和土工膜的保湿缸上层，静置渗漏24h以上.

(2)用土工布吸走表面的泥浆，采用TYS-50型土样压实装置进行土样制作，制成直径为5cm、高度约为11cm的圆状土体，然后在制作土样外面贴一层塑料薄膜，放入直径为5cm、高度为10cm的饱和器，用细锯削平上部，使得试样高度为10cm.将试样以及饱和器放入饱和缸饱和10h以上(复合土的试验采用饱和缸饱和以及三轴反压饱和双重饱和，直到土样饱和度达到95%以上)[6].

(3)按照《土工试验规范》(GB/T50123—1999)进行固结不排水三轴试验.实验步骤为排气-反压饱和-固结-剪切，其中固结为等向固结.

表1 淤泥质软土的基本物理力学参数

1.3 试验方案 具有不同砂土配合比的复合土以及原状淤泥质软土的三轴试验方案见表2.

表2 三轴试验方案

表3 复合土的基本物理力学性质

由表1、表3的对比可知，原状土为高压缩土，在加入一定量中细砂后，其压缩系数、压缩模量、初始孔隙比随着掺入量的增加而有明显的下降，即复合土的渗透性降低，抗压强度、承载能力有明显提升.

本试验制作了3种比例的复合土，每种配合比试样为8个，每两个一小组，分别进行50kPa到200kPa围压下的固结不排水三轴试验(CU)；原状土则采用直径φ=5cm，内部涂有凡士林的PVC塑料管来进行现场选取，然后与管一并用润湿土工布包裹，放入塑料袋，于实验室密封保存，尽可能使土样的性质不变[6].

本常规三轴试验包括原状土在内的4种土样的剪切应变速率均为0.05%，剪切的轴向应变最大设置为15%.

2 三轴试验结果与讨论

2.1 强度特性分析 根据三轴试验个案进行了原状土的K0固结三轴剪切试验以及3类复合土的等向固结的三轴剪切试验.原状土与3类复合土的偏差应力-轴向应变关系曲线呈非线性，对于20%掺砂以及40%掺砂配合的复合土，其偏应力-轴向应变关系在低围压下呈一定程度的应变软化，在较高围压下则呈应变硬化现象(图1)；而图2、图3、图4表明，30%、40%掺砂复合土与原状土在不同围压下呈应变硬化现象.由4类土的偏应力与轴向应变关系曲线可以看出，原状土以及3种复合土的三轴抗剪强度都随着围压的增加而增大[7].

由图1、图2以及图3可知，围压50kPa下的抗剪强度在应变为15%的范围内都大于围压在100kPa下的抗剪强度，但应变超过15%时，σ3=100kPa下的土仍然呈上升趋势，即可看作土的抗剪强度随围压增加而增大.

在同一围压下，原状土以及3种不同配合比的复合土偏应力与轴向应变曲线的关系表明，在淤泥质软土中掺入砂子，随着掺入量的提升，其所形成的复合土的抗剪强度较原状土都有一个较为明显的提升(图5,6,7,8)；但在掺入量为20%(8 ∶2复合土)时，所形成的复合土在100kPa、150kPa、200kPa围压下与其所对应的原状土应力应变曲线对比，20%的复合土其初期抗剪强度相对于原状土都有较为明显的提升，但随着轴向应变的增大，原状土的抗剪强度反而慢慢增大，直到最后超过掺砂量为20%的复合土(图6,7,8)；在围压为50kPa时，于15%轴向应变范围内，20%的复合土抗剪强度高于原状土，但变化趋势仍然是原状土抗剪强度上升，而20%复合土的抗剪强度达到峰值，开始下降并持续稳定，从而使得原状土的抗剪强度也有超过的趋势(图5).

为了进一步分析不同掺砂量，特别是20%掺砂量与原状土抗剪强度对比的变化特性，根据4种土的应力-应变关系整理出其抗剪强度指标，见表4.即4种土体的强度指标：黏聚力c和内摩擦角φ，淤泥质原状软土试验，c=15kPa,φ=33.13°；20%掺砂量复合土试验，c=66.1kPa,φ=18.36°；30%掺砂量复合土试验，c=54.4kPa，φ=31.64°；40%掺砂量复合土试验，c=46.1kPa，φ=54.9°.

可以看出，20%掺砂量复合土以及30%掺砂量复合土的内摩擦角都要小于原状土的内摩擦角，由此可见，在同一围压下当竖向应力增加到一定程度，即轴向应变到一定量时，软土的内摩擦角越大，其抗剪强度越强，如图5,6,7,8，原状软土的抗剪强度在轴向应变达到15%时仍有向上增加的趋势，而20%与30%掺砂量的复合土的抗剪强度却有降低变缓的趋势，由此可见，原状土的抗剪强度随着轴向应变朝着更大变化，最终可能超过内摩擦角小的20%与30%掺砂量复合土的抗剪强度[6].

由表4可以看出，在淤泥质软土中掺砂形成的复合土，其黏聚力变化较大，且是朝着变大方向变化，究其原因，本文所选软土为含有机质的淤泥质软土，掺入砂子后，其物理力学性质都有了较大的变化，由表1、表3可见，土孔隙比由1.563降低至0.377以下，压缩系数由0.97MPa-1降低到0.39MPa-1，软土内部的结构明显被破坏，由此可见，对于在含有机质的淤泥质软土中掺砂所形成的复合土，不宜将其黏聚力c、内摩擦角φ的变化趋势作为对比标准.

而在复合土中，随着掺砂量不断提高，其内摩擦角φ不断增大，而黏聚力c则不断减小.

表4 土体的抗剪强度指标

2.2 有效应力路径的特性分析 对于加荷过程的土体内某点，其应力状态的变化可在应力坐标图中以应力点的移动轨迹表示，此种轨迹即为应力路径.由于土体的变形和强度不仅与受力大小有关，而且它们还与土的应力历史有关，因此土的应力路径可以模拟土体实际的应力历史[7].文南[8]认为，根据剪切时的有效应力路径来确定土体遭受破坏时的应力是一种可取的方法.

图9,10,11,12分别为淤泥质原状软土以及3种不同掺砂配合比所形成的复合土在50kPa、100kPa、150kPa、200kPa不同围压下的有效应力路径图，由图中可以看出：在剪切初期应力路径点较为分散，到土体强度达到最大值及其附近时而变得密集[9]；

由图10,11可知，两种类型的复合土在同围压下的应力路径有较大的相似性，其中100kPa、150kPa、200kPa的应力路径点均呈明显的“S”形分布，图12表明，40%掺砂量的复合土在高围压下呈不明显‘S’曲线，为正常固结状态，而图10,11,12中，在围压50kPa时应力路径向右倾斜，有超固土应力路径的特性[7].

20%与30%掺砂量的两种复合土的应力应变关系曲线表明，在低围压下，呈一定应变软化状态，所以其应力路径有较为明显的不同；而原状土以及40%掺砂量的复合土，其应力应变曲线则出现应变硬化现象，所以两者的应力路径曲线的形状相似，也有超固结土的特性，其主要是由土样的结构引起，较高的固结应力会部分或者全部破坏土颗粒之间的胶结强度，而在较低的固结应力状态下土颗粒之间的胶结强度是在加载过程中逐渐破损的[9-11].

3 结 论

(1)在原状淤泥质软土中掺砂，于20%～40%掺砂量范围内，掺量越多，中细砂与软土的结合就越密切，其内部胶结力也越大，其所形成的复合土的压缩系数亦越低，压缩模量亦越大，压缩性亦越弱.

(2)随着掺砂量的增加，复合土孔隙比逐渐变小，其内部结构变得更为密实，抗剪强度在高围压下有大幅度提升.但在50kPa以及100kPa的低围压下较原状土的提升不是很明显，即在实际工程中喷砂进入淤泥质软土地基，在围压较高以及掺砂量达到40%的情况下，效果显著.

(3)20%与30%掺砂量的复合土应力应变曲线，在低围压下呈一定应变软化现象，在高围压下呈应变硬化现象；而原状土以及40%掺砂量复合土在所有围压下都呈现应变硬化现象.

(4)本文3种配合比的复合土的应力路径，应力应变表现为应变硬化现象的情况下，在高围压下呈现明显或者不太明显的“S”形曲线，土体呈正常固结状态；原状土在高围压，应力应变表现为应力软化的复合土在低围压下时，应力路径向右倾斜，表现出超固结状态的特征.

[1] 翁鑫荣. 软土应力路径特性的试验研究[J]. 岩土工程学报, 2013,35(S2):825-828.

[2] 王铁儒, 陈龙珠, 李明逵. 正常固结饱和黏性土孔隙水压力特性的研究[J]. 岩土工程学报, 1987, 9(4): 23-32.

[3] 熊传祥, 周建安, 龚晓南,等. 软土结构性试验研究[J].工业建筑, 2002, 32(3): 35-37.

[4] 卢廷浩.土力学[M].南京:河海大学出版社，2005.

[5] 曾国熙，龚晓南，盛进源. 正常固结粘土K0固结剪切试验研究[J].浙江大学学报，1987,21(2)：2-9.

[6] 黄浩然，朱俊高，秦秀娟，等. 软土等向固结与K0固结条件下的三轴试验研究[J]. 防灾减灾工程学报，2012,32(5)：546-551.

[7] 孟庆山，汪稔，刘观仕. 动力固结后饱和软土三轴剪切性状的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2005,24(22)：4025-4029.

[8] 刘祖德，陆士强. 土的抗剪强度水平报告[J]. 岩土工程学报，1986,8(1)：22-27.

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[10] 曾玲玲，陈晓平． 软土在不同应力路径下的力学特性分析[J]． 岩土力学，2009，30( 5) :1264-1270.

[11] 刘恩龙，沈珠江．不同应力路径下结构土的力学特性[J]． 岩石力学与工程学报，2006，25( 10) : 2058-2064．

Compound Soil Incorporation of Medium-fine Sands in Soft Soil in Haikou

Tan Jie, Li Guangfan, Hu Wei, Zhao Jiling, Liu Shunkai

(College of Civil Engineering and Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

In the report, a series of tests on compound soil which mixed with medium-fine sands in soft soil in Haikou was performed. The strength, relationship between stress and strain, compressibility and the effective stress path properties of compound soil with different mix proportion and undisturbed soft soil under the different confining pressure were analyzed. The results indicated that with the increase of medium-fine sands in the soft soil, under same confining pressure, the greater shear strength, the more obvious the dilatancy; under the low confining pressure, compound soil showed strain softening, while under the higher confining pressure, two kinds of soils showed strain hardening phenomenon; with the increase of medium-fine sands in compound soil, the effective stress path of compound soil converts from oblique line or arc line to s-shape gradually.

compound soil; tri-axial test; muddy soft soil

2016-10-23

国家自然基金项目(51508141)；海南大学2016研究生实践创新项目(个人自然科学)

谭杰(1993-)，男，贵州务川县人，海南大学土木建筑工程学院2015级硕士研究生，E-mail：1454063368@qq.com

李光范(1959-)，男，吉林廷边人，博士，教授，研究方向为软土力学和生态护坡，E-mail:lgf1728@163.com

1004-1729(2017)01-0064-06

TU 43

A DOl：10.15886/j.cnki.hdxbzkb.2017.0012