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砂-黏土混合物的固结试验研究

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李晨

摘要：针对吹填造陆工程中常见的粗细粒共存、砂含量分布不均的砂-黏土混合物，配制了7组不同含砂条件的试样，研究不同含砂条件对吹填土固结特性的影响。结果表明：含砂量的增多和砂粒径的增大均能提高混合土的压缩性，且增加含砂量对土体压缩性的提高效果略高于增大含砂粒径;含砂量的增多和砂粒粒径的增大均能提升砂-黏土混合物中土的透水能力，提高土体固结系数，加速土体固结。

Abstract： According to the sand-clay mixture with coexisting coarse and fine particles and uneven distribution of sand content， 7 sets of samples with different sand conditions were prepared to study the influence of different sand conditions on consolidation characteristics of blown fill soil. The results show that the increase of sand content and the increase of sand size can improve the compressibility of mixed soil， and the effect of increasing sand content on soil compressibility is slightly higher than that of increasing sand size; The increase of sand content and the increase of sand particle size can improve the permeability of soil in sand-clay mixture， improve the consolidation coefficient of soil and accelerate the consolidation of soil.

關键词：砂-黏土混合物;固结试验;含砂量

Key words： sand-clay mixture;consolidation test;sand content

中图分类号：TU41 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文献标识码：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章编号：1006-4311（2020）24-0141-02

0 ?引言

近年来随着疏浚装备和技术的发展，以及吹填造地、造岛及海岸防护等的需求不断扩大，吹填工程具有良好的发展前景。而吹填造陆工程中通过水力吹填堆积形成的人工吹填土是粗细粒共存的混合物，土体中砂含量的分布极不均匀，且这种级配不良的砂-黏土混合土广泛分布于上海黄浦江、广州珠江等江河两岸等滨海造陆地区[1]。针对这种砂-黏土混合物，大部分学者主要研究了砂含量对其液限和渗透特性等的影响[2]，而关于如何定量评价砂-黏土混合物的固结特性以及与纯黏土固结特性之间的差异性，却尚未见报道。

基于上述原因，笔者在室内人工配制砂-黏土混合物模拟现场吹填土层，运用自制的渗透固结装置[3]开展渗透固结联合试验，研究不同含砂条件对砂-黏土混合物固结特性的影响，进一步完善和发展吹填造陆技术在各地的应用。

1 ?试验材料与方法

1.1 试验材料与试样制备

试验材料包括福建平潭的标准石英砂和黏土。黏土取自武汉某基坑底部，经风干碾压，过2mm筛，再烘干备用。通过土工试验测得黏土的干密度为1.65g/cm3，塑限为19.2%，液限为36.5%，塑性指数为17.2，比重为2.73;试验用砂含少量杂质，对其进行筛分，将中砂（0.25～0.5mm）和粗砂（0.5～2mm）筛出进行烘干备用。

根据不同含砂条件配置7种砂-黏土混合物，其中A为纯黏土试样，A-1，2，3分别为含砂量为10%，15%，20%的含中砂试样，B-1，2，3分别为含砂量为10%，15%，20%的含粗砂试样。确定配比后，控制各试样的初始孔隙比（e0=0.882）不变，制样时将两种材料混合均匀，喷洒蒸馏水使其等于液限（试样A;A-1，2，3;B-1，2，3液限分别为36.5%，32.9%，31.3%，29.0%，32.8%，31.0%，29.2%），再次搅拌均匀。将调配好的砂-黏土混合土密封24h后装入直径61.8mm，高度40mm的环刀内，最后采用抽真空法对其进行饱和。

1.2 试验方法

本文运用团队自制的渗透固结装置[3]开展试验研究，依据《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）流程开展常规固结试验，先施加1kPa的预加载，而后进行加压等级为50kPa—100kPa—200kPa—400kPa—800kPa的正式加载，固结稳定标准为每级压力下固结时常达24h。

2 ?试验结果及分析

2.1 压缩曲线

各试样的e-p曲线见图1，压缩系数a1-2见图2。

由图1得到以下结论：

①随着固结压力增加，曲线斜率逐渐减小，在400～800kPa的荷载范围内，各压缩曲线已趋于平行;

②砂-黏土混合物的e-p曲线，均在纯黏土A的下方，即相同应力作用下，砂-黏土混合物的孔隙比，均小于纯黏土的孔隙比，说明砂-黏土混合物的压缩性均略高于纯黏土;

③随着含砂量的增多，土体在同一荷载压缩下孔隙比越小，在固结试验加荷初期尤为明显，曲线斜率最大，即单位压力下产生的应变最大;

④砂粒的粒径同样对土样的压缩固结有一定的影响，在砂含量相同的情况下，含粗砂试样的压缩曲线位于含中砂试样曲线的下方，即在同一荷载作用下孔隙比数值更小。

由图2可知，各试样的压缩系数a1-2均大于0.5MPa-1，均属于高压缩性土。随着含砂量增加，压缩系数逐渐增大;不同含砂量条件下，含粗砂试样的压缩系数均高于含中砂试样的压缩系数。相较于纯黏土A（Rs=0%），试样A-1（Rs=10%）的压缩系数增大了0.008MPa-1，试样B-1（Rs=10%）的压缩系数增大了0.017MPa-1;相较于试样A-1，试样B-1压缩系数增加了0.009MPa-1，说明增加含砂量对土体压缩性的提高效果略高于增大含砂粒径。

2.2 固结系数

将计算得到的固结系數进行分析，并对常用的几种拟合公式进行比较，发现固结系数Cv和固结压力p的双对数关系曲线具有明显的二次函数曲线特征，利用Origin软件对lgCv和lgp的关系曲线进行拟合，结果见图3。

由图3可知，固结系数是随固结压力增大而非线性增大的变量;含砂量越高，砂粒粒径越大，各级固结压力作用下土体的固结系数越大。说明砂-黏土混合物试样中含砂量的增多和砂粒粒径的增大均能提升土体透水能力，加速土体固结。这一结论与许丰岐[4]的试验结论相同，但与吴子龙[1]等人的结论相反，经过试验条件的对比发现，吴子龙[1]等人研究的砂-黏土混合物内的砂含量较高，能在固结过程中形成砂骨架，对土体的压缩变形有阻碍作用，而本文中含砂量不超过20%的砂-黏土混合物在固结过程中并未形成砂骨架，土中砂对于混合物试样的压缩变形、固结排水起到了积极的作用。

固结系数与固结压力（lgCv-lgp）的拟合公式为：

式中a0，b0，c0为拟合参数，上述固结系数与固结压力（lgCv-lgp）关系曲线拟合的显著性程度优良，相关系数R2在0.914～0.992之间，故可以利用公式（1）对本文试样在逐级荷载作用下的固结系数进行预测分析。

3 ?结论

本文基于常规固结试验研究了不同含砂条件的砂-黏土混合物的固结特性，提出了固结系数的预测公式，并得到了以下结论：

①砂-黏土混合物的压缩性均略高于纯黏土，含砂粒径一定时，压缩系数随含砂量的增加而增大;

②含砂量一定时，含粗砂混合土的压缩系数均高于含中砂混合土，说明增加含砂量对土体压缩性的提高效果略高于增大含砂粒径;

③砂-黏土混合物中含砂量的增多和砂粒粒径的增大均能提升土体透水能力，提高土体固结系数，加速土体固结。

参考文献：

[1]吴子龙，朱向阳，邓永锋，等.砂-黏土混合物的压缩性状及其粗颗粒骨架形成机制[J].土木工程学报，2016，49（02）：121-128.

[2]Wang Q， Tang A M， Cui Y J， et al. Experimental study on the swelling behaviour of bentonite/claystone mixture[J]. Engineering Geology， 2012， 124（2）： 59-66.

[3]张季如，郑湘云，芦剑锋，赵瑞.一种可自动采集孔压的渗透固结仪[P].CN208140705U，2018-11-23.

[4]许丰岐.掺砂对真空预压法加固高粘性吹填土效果影响的试验研究[D].哈尔滨工业大学，2016.

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