振动排水固结法加固漫滩相软土可行性试验研究

    孙延长　苗永红　张新

    摘 要：为了研究振动排水固结法加固漫滩相软土的可行性，采用自主研制LD-8型动态固结渗透仪对漫滩相软土进行振动排水固结试验。分析排水条件、振动荷载和频率对其固结效果的影响及固结后试样的抗剪强度和含水量。试验结果表明：四边加中间排水能够显著地提高软土的固结效率；在不同频率的振动荷载作用下，软土的固结效果存在明显差异。振动排水固结法比静力排水固结法更加有效地提高软土的固结效率和抗剪强度，显著地降低含水量，对于软土地基加固具有良好的效果。

    关键词：振动荷载；频率；固结；软土；试验

    中图分类号：TU447 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）07-0053-04

    改革开放至现在，我国城市建设和基础建设等大型工程建设的步伐不断加快，由于软土在我国广泛分布。因此，各种大型项目如高层建筑、港口、机场、铁路、道路和隧道等工程项目不可避免地建于这类软土地基上。软土具有初始强度低、压缩性大、渗透性低等特点。该类地基在上部荷载作用下具有强度低、变形大以及长期变形不稳定的特征，导致其不能满足许多工程建设的要求。因此，对其进行处理以提高其强度和稳定性成为岩土工程界普遍关心和首要解决的重要问题之一。目前，国内已有多种方法对软土地基进行加固处理，如排水固结法、换填法和化学加固法等。由于软土地基具有不良的工程特性，各种加固技术处理软土地基时会有一些缺陷。因此，探索合适的软土加固技术来处理软土地基显得尤为重要。振动采油方法是一种全新的采油方法。对震源设置不同的频率，然后使其在地面进行振动，当振动频率等于土层的固有频率时，产生共振现象，从而取得良好的振动采油效果。

    根据振动采油原理并结合动力排水固结技术，尝试采用周期性振动荷载代替冲击荷载，结合良好的排水通道，提出振动排水固结法加固漫滩相软土地基。采用自主研发LD-8型动态固结渗透仪对漫滩相软土进行振动排水固结试验，研究其加固效果。

    2 试验仪器及方法

    2.1 试验仪器介绍

    该仪器可同时对软土施加静载和振动荷载，能够实时采集轴向位移、排水量、轴向累计应变、荷载和排水体积应变，可开展对振动荷载作用下饱和软土固结和变形特性进行研究。主要包括：控制装置，压力室，加载装置和排水装置，如图1所示。控制装置包括位移显示仪、压力控制器。加载装置主要由空压机、伺服放大器、伺服油缸、伺服阀、荷载传感器、高速AD/DA卡组成。可以施加的静荷载和振动荷载为：0～2kN，振动频率范围为：0～10Hz。在试验过程中采用应力控制模式，振动荷载形式可选择方形波、正弦波和三角波振动荷载。排水装置主要由两个带刻度的排水管和传感器组成，可以准确记录每秒钟的排水体积应变。

    2.2 试验步骤

    试验所用软土取自江苏镇江某长江边地基处理现场，其典型的物理性质如表1。为了更好地模拟工程现场的受力情况，选择用模具将软土制备成直径为61.8mm，高度128mm的圆柱体。在制作土样时，根据试验方案，首先沿模具内侧四周等间隔放置土工布，土工布和模具底部和顶部的透水石组成排水通道。然后用和试样同尺寸的薄壁取土器取出土样，用推土器缓慢地将土样推至裹包橡皮膜的模具中。将制备完成的土样放置于压力室内，因软土的含水率大于液限，试样初始强度很小，在其重力作用下，试样很难直立。因此，需要在试样外侧加一套双瓣膜，使软土在荷载作用下仅发生竖向固结，实验操作步骤如图2所示。试验前将加载杆缓慢和土样上顶面接触，试验过程中可以通过数据采集系统对软土施加的静荷载和振动荷载，并且可以设置其他相关参数。为了分析振动荷载、频率和静荷载对软土固结效率的影响，振动荷载幅值分别为0.15kN和0.2kN，频率分别为0，1，2，5，10Hz。对试样采用正弦波形式的振动荷载，加载方式如图3所示，其函数表达式如下：

    f（t）=P + Fsin（2πft ） （1）

    式中P为静荷载，F为振动荷载幅值，f为振动频率，t为加载时间。

    3 漫滩软土加固试验分析

    3.1 排水条件对固结效果的影响

    采用土工布条均匀地贴在试样四周或者在其中间设置砂井作为排水通道。为了研究排水条件对软土固结效率的影响，设置了四种不同方式的排水条件，分别为四边排水（四条土工布条）、三边排水（三条土工布条）、四边加砂井组合排水三个试验方案见图4。

    从图5中可以看出，四边加中间排水条件下排水体积应变和轴向累计应变最大；三边排水条件下排水体积应变和轴向累计应变明显小于其他排水条件，四边排水条件下排水体积应变和轴向累计应变优于三边排水条件。另外，在0～30min以内，四边排水条件下排水体积应变和轴向累计应变与四边加中间排水条件下排水体积应变和轴向累计应变相差不大，在30～140min内两者的差异不断增大。由试验结果分析可知，四边加中间排水条件对软土固结效率最高，优于四边排水效果，四边排水条件下漫滩相软土的固结效果次之，三边排水条件下固结效果最差；四边加中间排水条件与四边排水条件下排水体积应变和轴向累计应变在固结前期没有明显的差异，而在固结后期才产生一定的差异性。在后续试验中采用四边加中间排水条件。

    3.2 轴向累计应变与时间的关系

    从图6可以看出，在固结初期（0～50min），在此阶段软土孔隙比大，在振动荷载和静荷载作用下孔隙水迅速排出，轴向累计应变快速增长。在固结中期（50～100min），此时试样的孔隙比都缓慢下降。静荷载作用下轴向累计应变缓慢增长；而振动荷载作用下轴向累计应任然继续增长，静荷载和振动荷载下轴向累计应变出现明显的差别。在固结后期（100～140min），土样孔隙率更加缓慢地减小，轴向累计应变趋于稳定，振动荷载和静荷载下轴向累计应变差别缓慢扩展并趋于停止。当振幅为0.15kN时，频率为1Hz时轴向累计应变最大，频率5Hz下轴向累计应变最小，其最大值和最小值分别比静荷载提高28.35%和9.95%；当振幅为0.2kN时，频率2Hz下轴向累计应变最大，频率5Hz下轴向累计应变最小，其最大值和最小值分别比静荷载提高22.42%和5.54%。由试验结果分析可知，在相同条件下，振动荷载下轴向累计应变比静荷载下轴向累计应变大，当静荷载下试样的轴向累计应变趋于稳定时，振动荷载作用下试样的轴向累计应变仍然在增长。随着振动荷载幅值的增大，轴向累计应变和排水体积应变相应地逐渐增大。不同的振动频率具有不同的固结效果，当振动荷载的频率接近于试样的固有频率时，会引起土体发生共振现象，当土体发生共振时产生更大的振幅，土颗粒和水分子更加剧烈地运动。因此，加快孔隙水渗流速度，导致轴向累计应变增加。由于在不同荷載幅值下，不同固结时间段内试样具有不同的固结程度，导致各个试样具有不同的固有频率。

    3.3 排水体积应变与时间的关系

    从图7可以看出，在固结初期（0～50min），振动排水固结和静力排水固结的排水体积应变占总排水体积应变的60%～78%以上，振动荷载作用下排水体积应变与静荷载作用下排水体积应变的差值比较小。在固结中期（50～100min），试样的含水率和孔隙率变小。静荷载作用下排水体积应变增长趋缓；而振动荷载作用下排水体积应变增长仍然较快，振动荷载作用下排水体积应变与静荷载作用下排水体积应变的差值更加明显。在固结后期（100 ～140min），试样的含水量和孔隙比更低，振动荷载作用下排水体积应变趋于平稳，振动荷载和静荷载作用下排水体积应变差别停止扩展。当振幅为0.15kN时，振动荷载作用下最大排水体积应变和最小排水体积应变分别比静荷作用下排水體积应变提高23.56%和10.83%。当振幅为0.2kN时，振动荷载作用下最大排水体积应变和最小排水体积应变分别比静荷载作用下排水体积应变提高为17.69%和7.26%。由试验结果分析可知，在相同条件下，振动荷载作用下排水体积应变大于静荷载作用下排水体积应变，表明振动荷载激发弱结合水并将其转化为自由水，促进土颗粒和水分子产生相对运动，有效改良软土的渗透性，加速土体中水分子的迁移，有利于土体固结，使得其固结效果优于静荷载。

    3.4 抗剪强度的变化

    从图8中可以看出，固结完成后，试样的含水率显著降低，土体强度显著提高，土体从流塑状态转变为可塑甚至硬塑状态，呈现出可以直立的状态。

    抗剪强度指标主要与土粒的矿物成分、形状、大小及颗粒级配、含水量以等有关。试验中采用相同的软土，所以试样的矿物成分、形状、大小和含水量等相同。从图9中可知，振动排水固结法处理后试样内摩擦角和粘聚力分别为5.43°和19.107kPa；静力排水固结法处理后试样的内摩擦角和粘聚力分别为2.27°和16.963kPa。由试验结果分析可知，振动荷载作用下试样的内摩擦角和粘聚力明显大于静荷载作用下内摩擦角和粘聚力。振动荷载能够使土颗粒重新排列，组成更加稳定的结构，有效地提高排水体积应变，产生更大的轴向累计应变，从而使得土样的孔隙比减小，密实度增加，提高试样的抗剪强度。

    3.5 含水量变化

    为了探究固结完成后试样的水分分布情况，将试样沿高度平均分为9个部分，然后测定每个部分的含水量。从图10中可以看出，静载作用下试样的含水最低，当频率为2Hz时，试样的含水量最大，并且大于频率1Hz下试样的含水量；当频率为5Hz时，试样的含水量小于频率1Hz下试样的含水量，这与当振幅为0.2kN时，各个振动频率下软土的总排水体积应变变化规律相一致。

    另外，试样上、中、下三部分含水率不一样，而且以中部含水率最大，下部次之，上部最小。由试验结果分析可知，相较与静荷载，振动荷载作用下软土的含水量降低程度更大；试样上部与下部含水量较低，两者相差很小，而中部含水量却较大，符合试样双面排水固结规律。

    4 结论

    通过振动排水固结法加固漫滩相软土可行性研究，可以得出如下一些结论：

    （1）在相同条件下，四边加中间排水能够最为有效地提高软土固结效率，四边加中间排水条件下软土的固结效果与四边排水条件在固结前期没有明显的差异，而在固结后期才产生一定的差异性。研究表明在软土中设置的排水通道面积越大，固结效率越高。

    （2）相较于静荷载，振动荷载能够明显地提高软土抗剪强度，振动荷载作用下软土的固结效率显著地提高。

    （3）不同的振动频率对漫滩相软土固结具有一定的影响，且在不同的振动荷载幅值下，其最佳振动频率不同。当振动频率接近软土的固有频率时，土体发生共振，产生更大的振幅，土颗粒和水分子更加剧烈地运动。因此，加快孔隙水渗流速度，导致轴向累计应变和排水体积应变增加，从而提高软土的固结效率。

    参考文献：

    [1] 尹振宇. 天然软黏土的弹黏塑性本构模型：进展及发展[J]. 岩土工程学报， 2011， 33（9）： 1357-1369.

    [2] 薛茹， 李广慧. 动力排水固结法加固软土路基的模型试验研究[J]. 岩土力学， 2011， 32（11）：3242-3248.

    [3] 郑颖人， 李学志， 冯遗兴等. 软粘土地基的强夯机理及其工艺研究[J]. 岩石力学与工程学报， 1998， 17（5）：571-580.

    [4] 何义中， 贺振华， 张人雄. 弹性波提高原油采收率机理研究[J]. 物探化探计算技术， 2002， 24（3）：209-214.

    [5] 刘小芹， 何增军， 廖云山，等. 人工地震采油技术在扶余油田的应用[J]. 石油天然气学报， 2009（2）：332-333.

    [6] 杨平华， 蔡尧忠. 人工振动采油机理的初步研究[J]. Journal of Changchun University Ofence and Technology， 1999， 29（3）：255-258.

    [7] Westermark R V. Using downhole vibration stimulation for enhanced oil recovery - Statistical Data Included[J]. World Oil， 2001（Oct）.

    基金项目： 江苏省六大人才高峰项目：（2014JZ011）