基于振动排水固结试验的软土动力特性研究

徐华荣，刘刚

(1.镇江市勘察测绘研究院，江苏 镇江 212000； 2.镇江技师学院，江苏 镇江 212000)

1 前 言

镇江市位于我国东南地区，北邻长江，属于典型的沉积相软土地质，承载能力低，渗透性差，地基容易发生明显的差异性沉降和裂缝，对建筑物的影响较为严重。为了研究这种软土的特性，设计了一种动态固结渗透仪，对镇江地区的沉积相软土试样进行了振动排水固结试验。动力排水固结方法是一种复合型软土地基处理技术，可直接改善软土地基本身的力学性能，能够充分激发土体的潜在性能，使软土地基的结构性能在较短时间内得到改善。

到目前为止，许多学者分别用不同的试验方法对软土的固结排水进行了研究。Kazuya等[1]运用动三轴仪对软土在循环荷载作用下的固结沉降进行的研究发现，土体的变形由弹性变形逐步转化为塑性变形，且随着荷载作用时间的推移，塑性变形越来越大。Hansbo等[2]利用强夯加固的方法，从微观角度对软土的排水固结进行了解释，认为软土的孔隙水中存在可活动的微粒，这些微粒在强夯作用下可以被激活，从而使软土中的结合水转变为自由水被排出，再配合适当的排水通道，可以加速软土的固结排水。李彰明、刘俊雄[3]利用高速电磁脉冲装置对软土进行了固结排水试验，发现在软土中动力能量的传递随深度方向呈现衰减的特性，从而得出动力荷载的作用会导致软土残余应力的存在，并且这种残余应力对沉降起到决定性的作用。

2 试验设计

为了能够对软土进行振动排水固结试验，所需要的动态固结渗透仪可同时对软土施加静压荷载和振动荷载，并对轴向位移、三向应力、排水量等指标进行实时监测、采集、储存，同时可对振动荷载作用下软土固结、变形特性进行细化研究。图1为本文所用试验装置的实物图。该试验装置主要包括：控制系统、压力室、加载系统、排水系统以及由各种传感器组成的数据采集系统。其优点是结构简单、节能高效，在试验过程中能够实时记录试验过程中的轴向应变、排水量、孔隙水压力等的变化情况。

图1 实验装置实物图

试验主要包括试样制备、试样安装、固结试验、土样前后物理力学性状指标的测试以及试验数据整理。由于试验仪器采用的是自行设计的动态固结渗透仪，仪器制作过程中可能存在误差，且无相关成熟的试验操作规程，所以参照动三轴仪器对试验可能出现的问题进行校核。如图2和图3所示。

由图2和图3的比较曲线可以看出，本文设计的动态固结渗透仪与动三轴仪器的试验结果相近，偏差在5%之内，可以认为其精度能够达到要求。

图2 排水量与时间的关系

图3 轴向应变与时间的关系

3 试验结果及分析

试验采用对比的方法，即在相同条件对试样分别施加静载与振动荷载，以便分析振动荷载对软土的轴向应变与排水效果的影响。

为了得到对比结果，表1列出了每组试验的软土试样分组以及每一组试样的围压和加载频率情况。

软土试样的分组 表1

图4为不同频率荷载作用下，围压与排水量的关系曲线。由图4不难看出，荷载的频率越大，试样的排水量就越大，而且不论荷载频率多大，排水量都是先直线上升然后越来越慢，且在同一荷载频率作用下，围压越大，最终的排水量就越大。

图5为在同一围压下，荷载频率与排水量的关系曲线。

图4围压与排水量的关系曲线

图5 荷载频率域排水量的关系曲线

由图5可以看出，在同一围压作用下，振动排水固结的效果要优于静压排水固结，也就是说振动作用有利于提高排水效率，增加排水量。且当频率为 1 Hz和 2 Hz时，固结排水的效果最好，说明软土的固有频率比较低。还可以发现，围压越大排水量就越大，因此围压的大小对软土的固结排水影响很大。

图6 荷载幅值对排水量的影响

图6为振动荷载的幅值对软土排水量的影响，可以发现相同的围压和振动频率作用下，施加的振动荷载幅值越大，振动排水固结试验过程中的排水速率就越大，总排水量增加。

为了研究试验前后软土的物理指标变化情况，对试验前后软土试验的孔隙比和含水量进行了比较，如表2、图7所示。

由表2和图7不难发现，经过排水固结试验后，土体的含水量和孔隙比都有很大程度的降低，抗剪强度明显提高，且振动排水固结效果要好于静压排水固结。

试验前后土的含水率变化情况(单位/%) 表2

图7试验前后软土孔隙比的变化情况

4 结 论

通过对镇江地区沉积相软土进行振动固结试验，可以得出以下结论：

(1)在相同的条件下，振动排水固结方法处理软土较静压方式，具有更高的排水速率和轴向应变速率，因此，对软土施加振动荷载，可以有效地加速和促进软土的固结完成。

(2)对软土施加动载的振动频率、振动荷载幅值和围压的大小对振动排水固结试验有重要影响。当施加的振动频率接近软土固有频率时，会引起土体的共振，从而加速土体的排水固结。

(3)荷载的振幅越大，加固效果越好，且加固深度愈大。围压提高，有利于软土的排水固结，但同时会弱化振动效应，所以振动排水固结较适用于浅层软土地基处理，若要加固深层的软土，可以通过加大振幅，但其经济性还需商榷。