湖相土砂井径向排水室内试验模拟分析

摘 要：本文以洞庭湖区湖相土为研究对象，开展了常规固结试验与砂井模拟径向排水固结试验，对比分析不同排水条件下固结试验的应变变化与固结系数的差异，结果表明砂井法有利于加速洞庭湖区湖相土的主固结速率。

关键词：湖相土；砂井法；径向排水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.210

0 引言

天然软粘土排水固结慢，地基稳定性差，是公路建设中遇到最多需要处理的特殊地基。近年来，软土地基加固处理的新方法、新技术越来越多，堆载预压法因其施工简便、费用较低、加固效果较好，成为应用最广泛的软基加固方法之一[1-3]。

对深厚软粘土地基，堆载预压处理时应设置砂井、塑料排水带等竖向排水体辅助施工，其中砂井法适用于水平夹砂或砂粉层的饱和软土地基。洞庭湖区经过长期缓慢水流，沉积下大量水平夹砂的湖相土，较适用砂井法排水。本文通过设计砂井模型试验，对比洞庭湖区南益公路湖相土在不同排水条件下固结试验结果，分析砂井法径向排水条件下土体固结沉降的特点，为该地堆载预压砂井法的选用提供理论依据。

1 试验思路

堆载预压处理中如何提高孔隙水排出速率，一直以来都是被关注的问题。根据太沙基一维固结理论，土的固结是孔隙水的排出，有效应力增大的过程，固结度可采用表达式（1）计算，粘性土地基达到一定固结度所需时间，与最大排水距离的平方呈正比。当排水路径越小时，所需时间越短，为了加速固结，最有效的办法就是减小排水距离，增加排水途径。

综上所述，探讨土体的径向固结系数对工程来说具有重大意义。目前得到径向固结系数的方法有以下四类：一是通过室内试验采取横向切样法得到固结系数；二是通过竖向固结系数乘上经验值求得；三是在竖向固结系数测定的基础上采用水平向固结的径向多孔环，在环的内壁与土样之间贴上滤纸模拟径向排水测得；四是通过普通环刀样中心设置砂井模拟径向排水状态的Rowe法测得。显然这四种方法中，经验法与横向切样法容易造成较大误差，多孔环刀法需要专门的改装仪器，因此推广受限；Rowe法采用常规固结仪进行试验，且能较好的模拟现场施工状态，得到可靠的参数，目前使用较为广泛[5]。

通过四种方法的比较，本文选用Rowe法测定洞庭湖区湖相土（南益高速）径向固结系数，具体处理方法包括：用金属麻花钻使土样中心预留砂井尺寸空隙，空隙中放入干净无泥适量细砂，将土样用塑料薄膜包裹，仅砂井两端留开口，保证在固结过程中既可以阻断试样中的孔隙水从竖向排出，又可使其径向渗流到砂井，从砂井排出。

通常普通砂井直径为30～50cm，井径比n=6～8；袋装砂井的直径为70mm～120mm，井径比n=15～22[6]。考虑到本文试验土样直径较小，设置砂井后加压过程中不会出现类似工程“断桩”等情况，因此近似按袋装砂井取值。试验采用土样尺寸为?=61.8mm，H=20mm，砂井直径设置为3mm，以土样直径为有效排水直径，砂井直径为竖向排水体直径，则模拟井径比为n=20.6，砂井设置如图1所示。

2 试验结果分析

将四组普通土样与四组设置砂井的土样分别在GDS高级固结系统上进行分级加载固结试验，其中分级加载压力设置为25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa，每級荷载的加载时间为24h，试验结果如图2、图3所示。

如图2所示，应变随着应力的增长，不同排水方式下土样均表现出压硬性；对比径向与竖向排水方式下应变-应力曲线，土体在每级荷载下最终应变差异较小，说明土体的沉降量主要取决于土体结构，与排水方式联系不大。

如图3所示，试验结果表明竖向排水的固结系数范围为6.6×10-4

～1.2×10-3，径向排水的固结系数范1.27×10-3～2.65×10-3，通过径向与

竖向排水方式下固结系数-应力曲线对比分析，径向固结系数约为竖向固结系数的2倍，孔隙水的径向渗流速度明显快于孔隙水的竖向渗流速度。洞庭湖区湖相土具有典型的千层糕状，即粘土层中夹杂着细砂层，竖向排水过程中，受到粘性土层影响，土体的固结系数较小，设置砂井后不仅增加了额外渗流路径，且充分利用了水平夹砂层的优点，大大提高了排水速度。

3 结论

综上所述，洞庭湖区湖相土堆载预压施工过程中，设置砂井虽不能明显减小总沉降量，但可以通过加快土体的主固结速率缩短施工工期，根据实际工程压缩沉降的要求，可以直接应用或辅助其他处理方法应用。

参考文献：

[1]周婕.高速公路施工中的软土地基处理技术[J].工程建设与设计，

2017（17）：184-186.

[2]崔伯华.袋装砂井加固处理珠江三角洲某高速公路软基效果分析[J].水利水运科学研究，1999（01）：59-66.

[3]高峰，王朱亮.软粘土地基砂井排水固结沉降研究[J].中国高新技术企业，2008（01）：147-148.

[4]崔伯华.袋装砂井加固处理珠江三角洲某高速公路软基效果分析[J].水利水运科学研究，1999（01）：59-66.

[5]崔军.径向固结系数试验方法浅谈[J].山西建筑，2008（17）：122-123.

[6]敖长荣.堆载预压法（袋装砂井排水）在软土地基加固工程的应用[J].广东建材，2006（02）：73-74.

基金项目：湖南科技大学研究生科研创新项目（CX2016B564）

作者简介：肖兰（1992-），女，湖南涟源人，硕士研究生在读，研究方向：岩土工程。