土结构性对软土振动排水量的影响

苗永红 朱天骋 殷杰

文章編号：1671-3559（2024）01-0001-07DOI：10.13349/j.cnki.jdxbn.20231108.001

摘要：针对当前振动排水法加固软土地基未考虑土结构性影响的研究空白，以衡量振动排水效果的标准中最具代表性的振动排水量为研究对象，

探讨土结构性对软土振动排水量的影响；通过掺入不同质量的水泥调节软土的胶结程度，使用盐粒构造大孔隙结构，对孔隙比分别为1.3、1.5、1.7，掺入水泥的质量分数分别为2%、4%、6%，掺入盐粒的质量分数分别为0、5%、10%的结构性软土进行围压分别为40、70、120 kPa的振动排水试验，分析孔隙比、胶结程度、大孔隙结构3个结构性因素影响下软土的振动排水效果。结果表明：孔隙比对结构性软土振动排水效果的影响最大，在相同围压时，结构性软土的振动排水量随着孔隙比的增大而增大，随着胶结程度和大孔隙结构的增大而减小；围压的增大会劣化结构性软土的振动排水效果；在中、低围压时，胶结程度对结构性软土振动排水效果的影响较大且随着围压的增大而逐渐减小，大孔隙结构对结构性软土振动排水效果的影响较小。

关键词：软土；土结构性；振动排水；围压；振动排水量

中图分类号：TU447

文献标志码：A

开放科学识别码（OSID码）：

Influences of Soil Structure on Vibration Drainage Volume of Soft Soils

MIAO Yonghong， ZHU Tiancheng， YIN Jie

（Faculty of Civil Engineering and Mechanics， Jiangsu University， Zhenjiang 212013， Jiangsu， China）

Abstract： In view of the current research blank that influences of soil structure was not considered in vibration drainage methods to strengthen soft soil foundation， influences of soil structure on vibration drainage volume of soft soils were discussed taking the most representative vibration drainage volume among standards for measuring the vibration drainage effect as the research object. Cementation degree of soft soils was adjusted by adding cement with different masses， salt particles were used to construct macropore structure， and vibration drainage tests with confining pressures of 40， 70， 120 kPa were conducted for structural soft soils with void ratios of 1.3， 1.5， 1.7， cement mass fractions of 2%， 4%， 6%， and salt particle mass fractions of 0， 5%， 10% to analyze vibration drainage effect of soft soils under influences of three structural factors of void ratio， cementation degree， and macroporous structure. The results show that the void ratio has the greatest  influence on the vibration drainage effect of structrual soft soils. At the same confining pressure， the vibration drainage volume of structural soft soils increases with the increase of void ratio， and decreases with the increase of cementation degree and macropore structure. The increase of confining pressure can deteriorate  the vibration drainage effects of structural soft soils. At medium and low confining pressures， the influence of cementation degree on vibration drainage effect of structrual soft soils is great and gradually decreases with the increase of confining pressure， while the influence of macropore structure on vibration drainage effect of structrual soft soils  is small.

Keywords： soft soil; soil structure; vibration drainage; confining pressure; vibration drainage volume

收稿日期：2022-11-02          网络首发时间：2023-11-10T07：18：52

基金项目：国家自然科学基金项目（51978315）

第一作者简介：苗永红（1973—）， 男， 山西阳泉人。 副教授， 博士， 硕士生导师，研究方向为软土地基处理，原位测试新技术。E-mail：

yhmiao@ujs.edu.cn。

网络首发地址：https：//link.cnki.net/urlid/37.1378.N.20231108.1617.002

我国东南沿海、内河两岸区域多分布软土。软土的高压缩性、大孔隙比、低强度等特点［1］常诱发地基出现过度沉降或不均匀沉降等一系列问题［2-3］。近年来，众多学者提出了各种加固法，如化学电渗法［4］、交替式真空预压加固法［5］、多向搅拌水泥砂浆桩加固法［6］。软土普遍存在的土结构性不仅导致各向异性、固结系数和渗透系数差异显著，还可能使软土在不同应力状态下体现不同的力学性质［7］。如果忽视土结构性差异，就会对软土的振动排水效果产生重要影响。

土结构性泛指土颗粒和孔隙的性状、排列方式及粒间相互作用［8］。沈珠江［9］称土结构性为21世纪土力学的核心。土结构性作为软土力学的一种固有属性，是原状和扰动或重塑状态区分的重要特征。由于在对天然软土进行取样、运输、储存、试验时，扰动和试样离散性的影响使土结构性的研究产生难度［10］，因此诸学者选择室内制备结构性软土开展研究。蒋明镜等［11］通过掺入冰粒和水泥制备结构性软土，王智超等［12］采用淤泥土、水泥、高岭土和尿素混合制备结构性软土，均发现制得结构性软土的孔隙比与设计孔隙比存在一定偏差。刘恩龙等［13］通过掺入水泥、盐粒，模拟天然软土的大孔隙结构和胶结强度。以上研究均反映出通过掺料模拟天然软土结构性的可行性，但是现有研究主要侧重于结构性软土的制备和土结构性对软土强度、屈服应力、应变特性等的影响。目前土结构性对软土地基加固的影响鲜有报道，特别是在软土振动排水处理中尚未考虑土结构性的影响。

本文中参照现有结构性软土制备方法，从孔隙比、胶结程度、大孔隙结构3个结构性因素出发，以衡量振动排水效果的标准中最具代表性的振动排水量为研究对象，探讨土结构性对软土振动排水量的影响，分析3个结构性因素影响下软土的振动排水效果。

1  试验

1.1  试验设备

试验采用课题组自主研发的振动排水系统，该系统主要包括加压、监测、传力、排水及数据采集控制系统，可以同时对试样施加静、动荷载，实时采集排水量、轴向应变等参数。振动排水系统结构如图1所示。

1.2  结构性软土制样

原料土取自江苏省镇江市长江流域某地基处理项目，采用高度为30 cm、直径为30 cm的聚氯乙烯

（PVC）圆管，以静压的方式压至设计深度进行获取。土粒比重即土粒与等体积4 ℃纯水的质量比为2.715，含水率为57.12%，密度为1.69 g/cm3。

参照文献［13］中结构性软土的制备方法，在重塑土中掺入标号为P.O42.5的普通硅酸盐水泥调节土颗粒间的胶结程度，掺入盐粒并将盐粒溶解以构造土体内部的大孔隙结构。

步骤1  配料。依据配比，将烘干、碾碎后过孔径为0.5 mm筛的原料土、盐粒和水泥混合并搅拌均匀。

步骤2  土样制备。在承膜筒内侧四周等间距放置4根与底部透水石相连的长度为15 cm、宽度为1.5 cm的排水条，随后将混合料装入承膜筒并击实，土样如图2（a）所示。

步骤3  水浴养护。 为了实现大孔隙结构， 将土样放入饱和盐水中养护24 h， 以防止盐粒在水泥水化完成前被溶解， 然后放入流动的水槽中养护72 h使盐粒溶解。

步骤4  有效性分析。图2（b）所示为水浴养护后制得结构性软土试样的截面。从图中可以清晰地看到，试样中盐粒溶解后留下较多大孔隙。水浴养护后风干的试样如图2（c）所示，未发现风干的试样表面有盐晶体析出，表明制得的结构性软土达到了预期目的，并且盐粒最终完全溶解。

1.3  试验方案

试样含水率高且強度低，为了防止直接加载导致试样破坏，在进行振动排水试验前，将试样在围压为40、70、120 kPa的条件下先固结0.5 h，加载期间不改变围压。

根据文献［14］，分4级逐级施加静荷载至0.2 kN，每级加载时间为10 min， 而后保持静荷载为0.2 kN， 施加频率为1 Hz、幅值为0.05 kN的振动荷载。加载

（a）土样（b）水浴养护后试样的截面（c）水浴养护后风干的试样

方程［14］为

F=0.2+0.05sin［2π（t-40）］ ，

式中：F为总荷载；t为有效加载时间。结构性软土的振动排水试验方案如表1所示。

2  结果与分析

2.1  孔隙比对振动排水量的影响

为了分析孔隙比对振动排水量的影响，制得孔隙比为1.3、1.5、1.7，掺入水泥的质量分数为2%，掺入盐粒的质量分数为5%的结构性软土，并在围压分别为40、70、120 kPa时进行试验，3种围压分别称为低、中、高围压。图3所示为3种围压条件下不同孔隙比时结构性软土振动排水量与时间的关系。由图可知：在3种围压条件下，不同孔隙比时结构性软土振动排水量均呈现抛物线增大趋势，振动排水量随着孔隙比的增大而增大。振动排水过程大致可分为快速增长和趋稳2个阶段。这主要归因于饱和试样在施加正弦谐波载荷后，土中水被排出，超孔隙水压力逐渐消散。在施加振动荷载后期，因土体固结排水量减少而导致超孔隙水压力几乎完全消散［15］。如果将最终排水体积的90%作为排水控制值，则孔隙比越小时越先达到相应控制值。以围压为40 kPa为例，当孔隙比分别为1.3、1.5、1.7时，达到控制值的相应时间为150、170、190 min。产生这种现象的原因是低孔隙比的结构性软土颗粒排列更紧凑，土结构性相对较弱，振动作用下土体内部的颗粒排列和孔隙状态不易进一步调整，因此渗透性差，难以排出土中水。高孔隙比软土的土结构性较强，孔隙体积占比较大，在振动作用下需要更久才能达到排水控制值。

为了进一步探讨排水控制值与孔隙比的关系，分析3种围压条件下结构性软土排水控制值随孔隙比的变化，结果如图4所示。由图可知：排水控制值受围压的影响显著。在不同孔隙比时，排水控制值随着围压的增大呈线性衰减。低围压时的控制值最大，中围压时的次之，高围压时的最小。高、低圍压时的排水控制体积极差最大可达17.014 mL，产生该现象的主要原因是在前期固结时，高围压时自由水排水较多，在土体排水总量不变的前提下，后续阶段排水量减少。

2.2  胶结程度对振动排水量的影响

结构性软土的两大主要物理特征是土颗粒间存在胶结和大孔隙结构［15］。为了分析胶结程度对振动排水量的影响，对孔隙比为1.5，盐粒掺入质量分数为5%，掺入水泥的质量分数分别为2%、4%、6%的结构性软土在3种围压条件下进行试验。图5所示为3种围压条件下不同胶结程度时结构性软土振动排水量与时间的关系。由图可知，随着胶结程度的强化，软土的振动排水量逐渐减小。产生这种现象的原因主要是胶结增强了土骨架刚度，使得结构性软土能承受更大荷载，并且水泥水化产物存在于内部的孔隙中，导致水泥水化之后的结构性软土的孔隙比小于设计孔隙比［12］，土体内部孔隙减少，孔隙中的自由水也减少。此外，水化产物与土颗粒相互搭接，导致土体致密性增强，使得渗透性劣化，导致振动排水过程中胶结程度高的结构性软土振动排水量更小。

由图5（a）、（b）可知，在中、低围压条件下，胶结程度强化对振动排水量的减小影响显著，振动排水体积极差可达12.234 mL。由图5（c）可知，在高围压条件下，振动排水量差异较小，振动排水体积极差仅为4.826 mL，表明随着围压的增大，胶结差异对振动排水量的影响减小，即随着围压的增大，胶结程度对振动排水效果的影响逐渐弱化。这主要归因于高围压下结构性软土在固结过程中会排出更多自由水，强化土颗粒间联结并减少内部孔隙，导致渗透性变差，而胶结进一步增强该趋势，从而劣化后期振动排水效果。

图6所示为3种围压条件下结构性软土排水控制值随胶结程度的变化。从图中可以看出：在3种围压条件下，排水控制值总体上随着胶结程度的增加呈现喇叭闭口型线性衰减趋势，即胶结程度对控制值的影响存在边界。在中、低围压条件下，胶结程度对结构性软土的排水控制值影响较大，高围压条件下的影响较小，当围压为40 kPa时，结构性软土的排水控制体积相差可达11.011 mL，相较于围压为120 kPa时的4.343 mL增大了约1.54倍，表明围压的增大减小了胶结差异对振动排水量的影响，与由图5得到的结论一致。

排水控制值随胶结程度的变化

2.3  大孔隙结构对振动排水量的影响

大孔隙结构决定了自由水在试样内部流动的难易，同时也是影响结构性软土振动排水量的主要因素之一。图7所示为3种围压条件下不同大孔隙结构时孔隙比为1.5，掺入水泥的质量分数为2%的结构性软土振动排水量与时间的关系。从图中可以发现，在3种围压条件下，盐粒掺量大的结构性软土前期振动排水量略大于掺量小的，但是在加载中后期出现转折，即前期大孔隙结构多的振动排水量大，后期大孔隙结构少的振动排水量大，并且2种振动排水量曲线会在某个时刻相交，表明大孔隙结构对振动排水量的影响存在临界值。产生该现象最主要的原因可能是渗透特性的影响：由于盐粒的直径大于土体内部孔隙直径，因此盐粒溶解后会形成大孔隙结构，随着盐粒掺量的增大，养护后的试样内部孔隙直径增大，而软土的渗透性随着孔隙直径的减小而劣化［16］。掺入盐粒的质量分数为10%的结构性软土具有更大的孔隙直径，渗透性较好，在固结过程和加载初期能排出更多的自由水，但是在后期，试样受压发生竖向应变，土体颗粒重新排列，孔隙面积减小，导致土体渗透性减小。由于掺量大的结构性软土在初期固结时就排出了更多的水，因此在排水总量相差较小的条件下，导致盐粒掺量大的结构性软土在中后期振动排水量减小。

图8所示为3种围压条件下结构性软土排水控制值随大孔隙结构的变化。从图中可以看出：在中、低围压条件下，大孔隙结构对结构性软土的排水控制值影响较小，而高围压条件下的影响较大。当围压分别为40、70、120 kPa时，掺入盐粒的质量分数每增大5%，排水控制体积分别减小约5%、8%、18%，表明随着围压的增大，不同孔隙结构软土的排水控制值的差异变大，即随着围压的增大，大孔隙结构对振动排水效果的影响较大。导致该现象的原因可能是在低围压条件下，虽然掺入盐粒质量分数大的结构性软土渗透性更好，但是在围压较小时，固结排水量较小，在进行振动排水时，含水率较大，振动排水效果好，导致3种大孔隙结构的结构性软土振动排水效果相接近。在高围压条件下固结后的结构性软土因渗透性的差距而导致掺入盐粒质量分数大的结构性软土在固结时的排水量大于掺入盐粒质量分数小的，该差距在之后的振动排水过程中会进一步加大。

2.4  结构性因素对振动排水量极差的影响

对不同围压时孔隙比、胶结程度、大孔隙结构3个结构性因素影响下软土的振动排水量极差进行对比，结果如图9所示。从图中可以发现： 在围压为40 kPa时，孔隙比与胶结程度影响下软土的振动排水量极差接近，大孔隙结构影响下的振动排水量极差最小。在围压为70 kPa时，结构性因素按照对振动排水量极差影响由大到小的顺序为孔隙比、胶结程度、大孔隙结构。在围压为120 kPa时，结构性因素按照对振动排水量极差影响由大到小的顺序为孔隙比、大孔隙结构、胶结程度。上述结果表明，在3个结构性因素影响下的振动排水量极差对比低、中、高围压下，孔隙比对结构性软土的振动排水量极差影响最大， 即孔隙比对振动排水效果影响最大， 在中、低围压条件下， 胶结程度的影响次之， 大孔隙结构的影响最小， 而在高围压条件下， 胶结程度的影响小于大孔隙结构的。 由此可知， 在使用振动排水法加固软土地基时， 需要先关注土体的孔隙比以获得最佳振动排水效果， 可结合实际土层情况选取合理的优化参数组合， 从而实现最佳振动排水效果。

3  结论

本文中通过制备不同的结构性软土进行振动排水试验， 分析孔隙比、胶结程度、大孔隙结构3个结构性因素对振动排水效果的影响， 得到以下主要结论：

1）低孔隙比结构性软土的可变性和渗透性较差，在高围压条件下通常更易达到排水稳定，孔隙比的增大有利于优化振动排水效果。

2）软土的孔隙比、胶结程度、大孔隙结构与振动排水效果密切相关，孔隙比的影响程度最大。在实施振动排水时，应根据现场孔隙比大小调节处理时间，低孔隙比的结构性软土易于快速达到排水控制值以缩短工时并获得最佳工效。

3）胶结程度的增强在一定程度上会劣化结构性软土的振动排水效果，但是随着围压的增大，最终排水量差距较小。

4）在振动排水前期，掺入盐粒的质量分数大的结构性软土排水量略大，在某个转折点后，掺入盐粒的质量分数小的结构性软土的排水量略大，总体上大孔隙结构对结构性软土排水量的影响较小。

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（责任编辑：王  耘）