石英砂改良软土力学特性试验研究

刘东灿，王江锋*，任艳婷，陈梦婷，苑 佳

（1.华北水利水电大学 地球科学与工程学院，郑州 450046；2.郑州一建集团有限公司，郑州 450046）

软土天然含水量高、孔隙比大，在我国沿海和内陆分布广泛[1]。由于其抗剪强度低，常常给软土地区的施工带来许多问题，如地基塌陷、边坡失稳等，阻碍了经济的建设发展[2-4]。如何经济有效地处理软土地基成为该领域的重要议题[5-7]。

国内外学者对于软土的改良进行了大量研究。Ahmet等[8]通过在土体中加入适量的煤粉，得出煤粉可有效改善土体的冻融特性；Yao等[9]对软土添加纳米材料，利用纳米材料改良软土，发现纳米材料可以有效地提高软土在酸性条件下的力学性质；张艳军等[10]探究了纤维增强的聚合物对软土强度的影响。戴巍等[11]利用木质纤维与水泥2种改良剂对软土进行改良，从微观角度阐述了改良的机制；余浩等[12]在软土中添加PVA纤维，并与水泥改良的软土进行对比；王春阳[13]研究了在冻融条件下石灰对软土抗剪强度的影响。

石英砂化学性质稳定，耐酸碱腐蚀，取材便利，价格低廉，常被用于工程施工[14-15]。在软土中加入适量的石英砂可有效地改良软土各项力学性质，但以往的试验研究中石英砂改良软土的内容鲜有报道，为了准确分析石英砂改良软土的性能，有必要对石英砂改良软土的力学特性展开定性和定量研究。

1 试验材料

试验所用原状软土采集于河北省沧州市渤海新区板唐河沿岸，取土土深为1.5～2.0 m，灰色，呈软塑状态，天然含水量高，其基本物理参数见表1。试验选用的石英砂为20～50目，呈灰白色，主要成分为二氧化硅。将试验所用软土放置于烘箱烘干10 h，温度设置为110～115℃。对烘干的软土进行切碎、碾压，过0.5 mm筛。试验中石英砂的掺量分别为0、10%、15%、20%、25%、30%（石英砂和干土之间的质量分数），称取一定量的干土并加入相对应掺量的石英砂，混合搅拌均匀后，养护7 d后进行相关试验。

表1 原状软土的物理性质参数

2 试验方法及内容

2.1 击实试验

本次试验采用轻型击实试验来计算土体的最优含水率和最大干密度。对石英砂掺量为0、10%、15%、20%、25%、30%的试样进行击实试验，每次测定的试样不高出筒顶面5 mm。

2.2 压缩试验

本次试验采用WG型单杠杆双联中压固结仪来测定土体的压缩系数。将试样制备为内径61.8 mm，高20 mm的圆柱体，速率剪切设置为0.8～1.2 mm/min。压缩试验共分为7组，每组制备2个试样。土体压缩性高低由压缩系数a1-2来评定，通过公式（1）计算。

式中：a1-2为土的压缩系数，MPa-1；p1为固结压力100 kPa；p2为固结压力200 kPa；e1为固结压力100 kPa作用下压缩稳定后土的孔隙比，e2为固结压力200 kPa作用下压缩稳定后土的孔隙比。

2.3 物理参数试验

无侧限抗压强度和抗剪强度反映了土体的基本物理参数。无侧限抗压强度试验通过SANS Power Test压力机进行，采用位移控制的方式，位移控制的速度设置为1 mm/min。试样采用标准三轴圆柱试样，高度80 mm，直径39.1 mm。试验共分为7组，每组制备2个试样。抗剪试验采用SDJ-1型自动应变控制直剪仪进行，试验所用环刀为内径61.8 mm，高20 mm的标准环刀。试验共分为7组，每组制备4个试样。

2.4 三轴固结不排水试验（CU）

将待测试样制备为直径39.1 mm，高80 mm的圆柱形。将制备好的试样进行保湿处理（包裹塑料薄膜），放入三轴压缩仪中。固结不排水试验的围压设置为3种参数，分别为100、200、300 kPa。仪器设备如图1所示。

图1 仪器设备

3 试验结果分析

3.1 击实特性

试验的击实试验结果见表2。改良前原状软土的最佳含水率为16.3%，最大干密度为1.670 g/cm3。随着参砂比的增加，改良软土的最佳含水率逐渐降低，最大干密度逐渐增大。这说明石英砂改良的软土的水稳定性明显变强，最大干密度显著增加，水敏性降低。土体的碾压效果可以通过天然含水率与最优含水率的差值来分析，其差值越小则土体的碾压效果越好。经过计算分析可以得到改良后的软土含水率明显减小，其碾压效果明显提高。由于软土的孔隙度大，保水性好，在对软土地基的实际操作处理过程中，通过掺砂改良软土可以减少施工难度。

表2 击实试验结果数据表

3.2 压缩性能

原状软土及改良软土的压缩系数随掺砂量变化趋势如图2所示。由图2可知，掺砂改良能够有效降低土体的压缩系数。通过计算分析可知土体随着石英砂的掺入，土体的压缩系数呈现减小的变化趋势。由此可以得出掺砂对于软土的变形可以起到有效减缓作用。

图2 压缩系数随掺砂量变化趋势图

3.3 物理参数试验

无侧限抗压强度随掺砂量变化情况如图3所示。由图3可知，在同一掺砂率下，改良软土的无侧限抗压强度随着压实度的增大不断增加；在同一压实度下，改良软土的无侧限抗压强度随着掺砂率的增大呈现先增加后减小的变化趋势，并在掺砂率为20%时出现峰值。从试验结果可知，原状软土无侧限抗压强度较低，掺砂后，无侧限强度有较大提高。在掺砂率达到一定值后，虽然随着掺砂量的增加改良软土无侧限抗压强度呈现降低趋势，但仍然远大于原状软土强度。

图3 无侧限抗压强度随掺砂量变化趋势图

抗剪强度指标变化趋势如图4所示。由图4可以看出，改良软土的黏聚力随着掺砂量的增加而减小，内摩擦角却随着掺砂量的增加而增大；当掺砂量在20%以内时，其黏聚力变化相对缓慢，而内摩擦角变化幅度较大；当掺砂量超20%时，改良软土内摩擦角变化很小趋于稳定值，而黏聚力下降很快。与无侧限抗压强度变化趋势相似，改良软土抗剪强度随掺砂量增加而先增大后减小，当掺砂量达到20%时，抗剪强度出现最大值，掺砂比超过20%时，抗剪强度逐渐减小。改良软土的有效抗剪强度参数与原状软土的有效抗剪强度参数相比有所增大。有效应力是作用在土颗粒和土骨架上的应力，掺砂改良后土的有效抗剪强度增大，改良软土形成了密实的砂土骨架，有效应力由黏土和砂粒共同承担，抵抗外部剪切破坏的能力变强。

图4 黏聚力和内摩擦角随掺砂量的变化趋势图

3.4 三轴固结不排水试验（CU）

为了对最优砂改软土的力学性质进行分析探究，对掺砂比为20%的软土进行了固结不排水剪切试验，对土的有效抗剪强度参数、总抗剪强度参数和孔隙水压力进行了测定。结果如图5和图6所示。

图5 重塑原状软土试样的应力-应变关系曲线

图6 重塑改良软土试样的应力-应变关系曲线

由重塑软土试样以及重塑改良软土试样的应力－应变曲线可知，在试验初期，主应力差随着轴向应变的增大呈线性快速增大，小应变会引起较大的应力差，原状软土和改良软土试样均处于弹性阶段；主应力差仍随着轴向应变的增大而呈现增大趋势，但其增加速率变慢，原状软土和改良软土试样进入塑性变形阶段；随着围压的增加，相同轴向应变的主应力差也显著提高，主应力差峰值也随即增大，但是改良软土试样的主应力差峰值增长幅度明显大于原状软土试样，高围压固结后改良软土试样的抗剪强度较原状软土明显增强。

石英砂的掺入提高了相同围压下软土的抗剪强度。对于改良软土试样，剪切过程中除了要克服颗粒滑动摩擦阻力外，还要破坏相邻颗粒间相互咬合的作用，即通过剪胀而达到。含砂量越大的土体，单位面积里相互嵌合的不同大小的颗粒就越多，对应破坏这个咬合作用的力就越大，表现为抗剪强度的增加。

4 结论

本文以河北省沧州市渤海新区板唐河沿岸的软土为对象，进行了改良处理，通过相关试验探究了改良前后的物理力学性质，得出以下结论。

（1）随着石英砂掺量的增加，改良软土的粗颗粒含量增加，黏聚力下降，压缩性能减弱，无侧限抗压强度和抗剪强度明显提高。

（2）改良软土的水稳定性变强，最大干密度显著增加，水敏性明显降低，使得改良软土获得较好的碾压效果，有利于施工建设。

（3）最优砂改土的黏聚力由改良前的30 kPa减小到改良后的20 kPa；内摩擦角由改良前的16.6°增大到改良后的20°。由三轴试验分析可以验证，掺砂改良软土是可行的，可以增强软土的抗剪能力。