劉勇健，符 納，林 輝

（廣東工業(yè)大學(xué) 巖土工程研究所，廣州 510006）

1 引 言

本文利用沖擊試驗和熱失重分析法，研究軟土的動力響應(yīng)特征和土中結(jié)合水，分析黏性土中弱結(jié)合水含量及其變化，旨在揭示海積軟黏土的動力釋水特征，有助于深入理解動力排水固結(jié)法的加固機(jī)理，亦可為軟基處理工程設(shè)計提供一定依據(jù)。

2 結(jié)合水及分析方法

茲洛切夫斯基卡婭1977年提出黏性土的結(jié)合水組構(gòu)，將土粒表面的水分為吸附結(jié)合水（相當(dāng)強結(jié)合水）、滲透吸收水（主要為弱結(jié)合水）與自由水[5]。結(jié)合水含量的確定是分析結(jié)合水行為的基礎(chǔ)，其測試方法有X 射線衍射法、加壓排水法、離心機(jī)法、離子交換法、等溫吸附法和比重瓶法等。研究表明，有的方法誤差偏高，有的方法僅適合干土樣的吸附結(jié)合水能力測試。本次試驗對象為高含水率海積軟土，選用熱失重法和理論計算法進(jìn)行分析。

2.1 熱失重法

熱失重分析儀主要由天平、爐子、程序控溫系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等幾部分構(gòu)成。熱天平與一般天平原理相同，但它可在受熱情況下連續(xù)稱重。本次試驗采用美國Thermal Analysis 公司的SDT-2960 差熱、熱重聯(lián)用儀(天平的稱重精度≤0.1 ug，溫度范圍為室溫～1 300 ℃，在恒定速率下(10 ℃/min)同時加熱一個試樣和一個惰性氣體，試驗溫度設(shè)置為25～300 ℃。試驗過程中，不斷測量該試樣和惰性氣體之間的溫度差，計算試樣質(zhì)量變化，得到各溫度區(qū)間的損失水分的質(zhì)量，繪制出試樣失重與溫度關(guān)系曲線（TGA 曲線）、樣品與參比物之間有溫度差曲線（DTA 曲線），利用熱失重曲線可求得黏土樣中結(jié)合水的相對含量。

王全平[9]、袁建濱[10]、趙炳峰等[11]、張先偉等[12]分別對彭潤土、高嶺土、鉀長石等進(jìn)行了大量熱失重分析試驗，得出熱力作用下水合黏土的脫水規(guī)律，即當(dāng)土中有自由水、弱結(jié)合水、強吸附結(jié)合水共存時，失水過程中范德華力作用下的自由水最先脫去(25～70 ℃)，其次是較弱靜電引力和范德華力作用下的弱結(jié)合水脫去(70～120 ℃)，最后脫去的是氫鍵和靜電引力作用下的強結(jié)合水(120～200 ℃)。本文考慮飽和軟土是由多種礦物組成，取自由水和結(jié)合水脫水溫度界限溫度為80 ℃，即25～80 ℃脫去自由水，大于80 ℃脫去的是結(jié)合水。目前關(guān)于強結(jié)合水與弱結(jié)合水界限仍存在分歧，故本文未對強結(jié)合水和弱結(jié)合水進(jìn)一步細(xì)分。

2.2 理論計算法

由于受靜電引力作用使吸附在土顆粒表面的結(jié)合水有不同程度的極化，結(jié)合水密度明顯大于自由水密度，且隨著水分子與顆粒表面的距離減小而逐漸增大。文獻(xiàn)顯示[9-10]，外層滲透結(jié)合水的密度接近1.0 g/cm3，內(nèi)層最大密度可達(dá)到1.8 g/cm3，平均密度大于1.0 g/cm3。由此可以得出，弱結(jié)合水密度大于孔隙水密度，在荷載作用下土體排出水體積大于土體體積壓縮量，通過計算可得到結(jié)合水的變化量。設(shè)三軸試驗前后土體的質(zhì)量與體積分別為m0、mt和 V0、Vt，弱結(jié)合水排出量與排出時密度分別記為Δmb和 ρb，土體中自由水密度為 ρw，可得[13]

菜肴2：將500 g西蘭花切成小塊，下沸水鍋氽一下，撈出控去水分；鍋中加入適量植物油燒熱后，下少量蔥花爆鍋，加入西蘭花，同時加入20～25 g蝦油調(diào)味汁，炒熟出鍋即可。

由于弱結(jié)合水的排出，導(dǎo)致實際含水率大于利用三相比例指標(biāo)換算公式計算得到的含水率，利用兩者之差來確定試樣中弱結(jié)合水含量。試驗中，令飽和試樣質(zhì)量為m，顆粒質(zhì)量為ms，則試樣中孔隙水質(zhì)量mw=m-ms，試樣實際含水率w=mw/ms?？紫侗萫，土粒相對密度 ds，根據(jù)三相比例換算公式（飽和度和孔隙比e 公式）可計算出試樣含水率w計=Sre/ds，則兩者差值Δw為

當(dāng) Sr=100%時，土體中弱結(jié)合水質(zhì)量mb為

土中結(jié)合水含量 wb為

借鑒土的體積壓縮系數(shù)，本文提出土的釋水體積增大率c=[(排出水體積-土體壓縮量)/土體壓縮量×100%，用c 間接反映荷載作用下因弱結(jié)合水排出導(dǎo)致排出水量的體積增大率，公式為

3 海積軟土三軸沖擊試驗

3.1 試驗土樣

本次試驗土樣為原狀淤泥類土，取自廣州南沙某軟基處理工程現(xiàn)場，取樣深度為3.0～10.0 m。廣州南沙地處珠江口與伶仃洋的交匯處，該地區(qū)的軟土屬于濱海相沉積，軟土厚度由幾米至幾十米不等[14]。軟土的主要物性力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表l 軟土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Table l Physico-mechanical parameters of soft clay

3.2 試驗設(shè)備

采用美國GCTS 公司制造的SPAX-2000 改進(jìn)型靜動真三軸測試系統(tǒng)，對飽和軟土進(jìn)行不同固結(jié)壓力、不同沖擊荷載、不同沖擊頻率、不同排水條件下軟土的三軸沖擊試驗。同時，用熱失重試驗和計算分析，比較三軸試驗前后結(jié)合水含量的變化，分析海積軟土的動力釋水規(guī)律。圖1為SPAX-2000改進(jìn)型靜動真三軸系統(tǒng)。

圖1 SPAX-2000 真三軸測試系統(tǒng)Fig.1 True triaxial test system SPAX-2000

真三軸系統(tǒng)主要由壓力室、壓力控制面板，圍壓/體積計算機(jī)伺服控制器、孔壓/體積計算機(jī)伺服控制器、數(shù)據(jù)伺服控制器和采集系統(tǒng)等組成。應(yīng)力和應(yīng)變由荷載傳感器和LVDT 進(jìn)行測量，位移由非接觸式光纖傳感器進(jìn)行測量。

3.3 沖擊試驗方案

試樣尺寸為50mm×50 mm×120 mm，采用靜動真三軸反壓飽和，圍壓和反壓分級施加，并保證圍壓大于反壓20 kPa。為了更好地模擬動力排水固結(jié)法，在試樣中心開孔，貫通試樣上下面，并用細(xì)砂填實，以模擬塑料排水板排水。設(shè)定兩種圍壓狀態(tài)，取有效圍壓σ3=30、100 kPa。為了模擬動力排水固結(jié)法沖擊荷載“先輕后重，少擊多遍，逐級加能”，設(shè)定三軸沖擊程序，如圖2 所示每個試樣循環(huán)沖擊3 遍，沖擊力依次100、200、300 kPa。每次間隔時間取孔壓消散80%。每次沖擊4 次，每次沖擊力大小相等，沖擊時關(guān)閉排水閥，沖擊間隔打開排水閥，軸向應(yīng)變達(dá)到20%，即停止沖擊。沖擊頻率取1、8、16 Hz。進(jìn)行8 種試驗加載方案，見表2。

表2 軟土沖擊試驗方案Table 2 Schemes of triaxial test of soft clay under impact loading

圖2 軸向沖擊荷載Fig.2 Form of axial impact loading

4 沖擊荷載作用下海積軟土的釋水規(guī)律

4.1 海積軟土的動力響應(yīng)

以試驗方案No.2（試樣中心設(shè)置1個排水砂井，在圍壓為30 kPa 下完成主固結(jié)后施加3 遍沖擊荷載）為例，說明海積軟土的動力響應(yīng)特征。圖3為孔隙水壓力與擊數(shù)關(guān)系曲線?？紫端畨毫﹄S著沖擊次數(shù)N 增加均有明顯上升，且較大沖擊能對應(yīng)較大孔隙水壓力升幅，后期雖然沖擊能量在不斷地加大，但孔壓增幅卻有所減少。

圖3 孔壓隨沖擊數(shù)變化的關(guān)系曲線Fig.3 Relationships between pore water pressure and impact number

圖4為偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變關(guān)系曲線。土樣的變形量隨沖擊次數(shù)的增加而增大，第2 遍沖擊荷載增量較大，產(chǎn)生的軸向變形大，當(dāng)沖擊荷載為300 kPa時，軸向應(yīng)變發(fā)展迅速，致使試樣產(chǎn)生剪切破壞。試驗曲線顯示，在沖擊荷載作用下海積軟土中形成較大孔隙水壓力梯度，孔隙水壓力發(fā)生多次升降，隨著孔隙水不斷排出，孔隙水壓力的消散，有效應(yīng)力不斷增長，孔隙體積減小，土體發(fā)生固結(jié)或再固結(jié)。在沖擊荷載作用下，土試樣產(chǎn)生了明顯的動力釋水現(xiàn)象和動力固結(jié)，二者之間聯(lián)系緊密。

圖4 偏應(yīng)力q 與軸向應(yīng)變ε1關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between stress and axial strain

研究表明，淤泥類軟土在沖擊荷載作用下土中應(yīng)力發(fā)生變化，通過土-水相互作用，引起結(jié)合水狀態(tài)變化。伴隨孔隙水壓力增長，土粒對水分子的作用力減弱，弱結(jié)合水膜受擠壓，促使弱結(jié)合水由高壓區(qū)向低壓區(qū)移動，引起低壓區(qū)的弱結(jié)合水膜厚度增加。若超過土粒表面靜電吸引力范圍，部分結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水。在動荷載作用下，自由水最早排出，然后是離土粒表面最遠(yuǎn)、靜電引力稍弱的弱結(jié)合水層轉(zhuǎn)化為孔隙水開始排出，隨著排出的弱結(jié)合水密度不斷增大，從而導(dǎo)致土體排出水體積與土體壓縮量差值產(chǎn)生。土粒表層的弱結(jié)合水膜隨著弱結(jié)合水的排出而逐漸變薄，弱結(jié)合水的密度隨之增大，受土粒靜電吸引力增大，導(dǎo)致弱結(jié)合水排出所需作用力增大，設(shè)計時，要特別注意設(shè)置合理的動荷載，促使土中水性轉(zhuǎn)化。若動荷載太小，則釋水量小、速度緩慢，若動力過大，則會徹底破壞土體結(jié)構(gòu)，適得其反。

4.2 三軸試驗前后土中結(jié)合水含量變化

在海積軟土動力排水固結(jié)過程中，自由水排出所占時間很短，更多的是弱結(jié)合水的不斷排出，固結(jié)實質(zhì)是弱結(jié)合水不斷排出，結(jié)合水膜逐漸變薄的過程（弱結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水并排出）。圖5、6分別為試驗方案No.2 作用前后海積軟土試樣的熱失重曲線TGA 和差熱曲線DTA。

圖5 三軸沖擊荷載作用前后熱失重分析曲線Fig.5 The thermal gravimetric analysis curves before and after triaxial tests

圖6 排水體積增大系數(shù)與含水率關(guān)系與孔隙比關(guān)系Fig.6 Relationship between drainage volume coefficient and water content

三軸沖擊試驗后，土的總含水率降幅為25.63%，結(jié)合水變化量為10.80%，降幅為23.17%，表明軟土動力固結(jié)變形與結(jié)合水變化同步變化。動力排水固結(jié)實質(zhì)是一個弱結(jié)合水甚至部分強結(jié)合水不斷轉(zhuǎn)化為自由水不斷排出，結(jié)合水膜厚度逐漸變薄，孔壓不斷消散，土體強度不斷增長的過程。

為了簡化計算，取自由水密度ρw=1.0 g/cm3，結(jié)合水平均密度ρb=1.3 g/cm3[15]，通過三軸試驗量測系統(tǒng)可得土樣體積、水量變化量，經(jīng)計算，即可得到土中結(jié)合水含量和荷載作用前后結(jié)合水的變化量。見表3，荷載作用前后含水率變幅為15.6%～23.5%，結(jié)合水含量變幅為17.6%～29.4%，計算結(jié)果與熱失重分析結(jié)果較接近。

4.3 海積軟土的動力釋水規(guī)律

4.3.1 影響動力釋水的主要因素

（1）初始孔隙比和初始含水率

孔隙是容納水分子的空間和運移通道?？紫侗仍酱?，初始含水量越大，土體中孔隙水的組成中弱結(jié)合水所占比例也越大，在荷載作用下，釋放水量會越多。如圖7 所示，排水體積增大系數(shù)隨初始含水率、孔隙比增大而增大，體積增大系數(shù)c為2.1%～9.5%。由此可見，初始含水率和孔隙比是影響軟土動力釋水多少的2個基本因素。

表3 沖擊荷載作用前后軟土中結(jié)合水變化Table 3 Bound water transformation of soft soils before and after impact loading

圖7 排水體積增大系數(shù)Fig.7 Relationship between drainage volume coefficient and void ratio

（2）黏性土的狀態(tài)和土中結(jié)合水含量

黏性土的狀態(tài)和土中結(jié)合水含量大小對動力釋水有直接影響。見表4，軟土中孔隙以中小孔和微孔為主[2-4]。土表面吸附結(jié)合水量與顆粒表面的微電場強弱有關(guān)，電場強弱又與土顆粒礦物成分、大小、親水性，孔隙發(fā)育程度，孔隙液濃度、陽離子化合價、比表面積、土的固結(jié)狀態(tài)等綜合因素相關(guān)[14]。黏性土中高黏粒含量、高孔隙比、小孔徑是結(jié)合水含量高的重要原因，黏粒含量越多，尤其是蒙脫石含量越高，結(jié)合水含量越高。從土的狀態(tài)看，同種物質(zhì)成分土質(zhì)越軟、強度越低、固結(jié)時間越短，其強結(jié)合水含量越少。即黏性土結(jié)合水的含量是：欠固結(jié)<正常固結(jié)<超固結(jié)，自由水的含量則相反。

表4 不同地區(qū)軟土的孔隙分布特征Table 4 The pore distribution of soft clay in different regions

（3）外力作用

外荷載作用是土體大量釋水的誘導(dǎo)因素，包括外荷載性質(zhì)（靜荷載、動荷載）、靜荷載大小，動荷大小、頻率等。張炳峰等[11]通過靜三軸試驗研究了飽水黏土的釋水壓力響應(yīng)規(guī)律：靜荷載作用下孔隙壓縮，首先排出的是自由水，當(dāng)壓力達(dá)到臨界壓力土體中弱結(jié)合水才能排出，若沒達(dá)到臨界壓力時，結(jié)合水不能排出。大量室內(nèi)固結(jié)試驗表明，海積軟土在荷載0～100 kPa 作用下，其孔隙比急劇降低。荷載大于100 kPa 后，孔隙比隨荷載增大降低的幅度顯著減緩，并逐漸趨于穩(wěn)定。加壓初期，大、中孔隙快速轉(zhuǎn)化為微孔隙，但超微孔隙的壓縮非常困難，需在外加荷載400 kPa 以上。

本次試驗研究表明，三軸沖擊荷載作用前后軟土中結(jié)合水含量有明顯變化，軟土動力釋水特征明顯不同于靜力作用下的釋水特征。在動力荷載作用下，當(dāng)動應(yīng)力能克服土的黏聚力時，可激發(fā)土中結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水，形成孔隙水壓力梯度，隨著孔隙水從人工排水體系及微裂隙排水系統(tǒng)不斷排出，孔隙水壓力消散，土體固結(jié)。因此，在動荷載作用下從軟土中釋水相對較容易，達(dá)到同等排水量所需動荷載小于靜荷載，且作用時間縮短。在一定圍壓和排水條件下，對于某一軟土存在飽和沖擊能（最佳沖擊能），此時激發(fā)土中結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水多而且排水快。

軟土的動力釋水量除與初始的孔隙比、初始含水率有關(guān)外，還與動荷載的大小、級次、頻率和排水井設(shè)置、周圍壓力有關(guān)。試驗結(jié)果表明，在其他條件相同情況下，周圍壓力3σ=100kPa 比3σ=30kPa 釋水量多，故沖擊頻率不宜過大；動荷載作用不同于靜荷載作用，并不是動荷載越大釋水越多，荷載過大頻率過大，有可能使土體結(jié)構(gòu)徹底擾動，土中水無法排出，形成“橡皮土”。另外，由于動荷載作用下孔隙水壓力上升快，可通過設(shè)置排水井改善排水條件，縮短排水距離，加快動力排水固結(jié)速率。

4.3.2 軟土動力釋水規(guī)律的啟示

在動力固結(jié)過程中土中總含水率和結(jié)合水含量不斷減小，可用結(jié)合水轉(zhuǎn)化率來間接衡量土的動力排水固結(jié)程度，足夠大小的沖擊力是激發(fā)土中水性轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素。軟土的微孔隙排水和微裂隙排水起著非常重要的作用，這種排水是以軟土本身的微結(jié)構(gòu)不被破壞為前提的，反之，一旦軟土受到過分?jǐn)_動，微結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致其本身正常的排水通道將被破壞，會導(dǎo)致大量自由水和弱結(jié)合水無法排出而滯留其中。普通預(yù)壓法處理軟基在荷載大于100 kPa以后就已較難取得進(jìn)一步顯著的加固效果，超微孔隙的壓縮非常困難，需要更大外荷載（>400 kPa），并且排水固結(jié)持續(xù)時間長，變形穩(wěn)定所需時間長，往往工后沉降量大。由于動力荷載下地基中產(chǎn)生的動應(yīng)力大，軟土動力釋水相對快 速，從加固深度和工期來看動力排水固結(jié)處理軟土地基具有較強優(yōu)勢。

動力排水固結(jié)法處理軟土地基是從地表依次向地下深處逐層加固（由表及里）。另外，從土中水性轉(zhuǎn)化的角度分析，隨著地層深度加大，固結(jié)壓力增大，克服阻力釋水需要的外力增大，動力排水固結(jié)法宜采用“少擊多遍、先輕后重、逐級加能、逐層加固”的施工工藝。

從海積軟土的動力釋水規(guī)律和影響因素分析可知，動力排水固結(jié)法工程設(shè)計需要設(shè)置水平向和豎直向排水體系，確定合適的靜動荷載大小、夯擊參數(shù)、間隔時間，處理好靜、動力（沖擊荷載）關(guān)系，促使大量的結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水并釋放出來，加快排水固結(jié)，達(dá)到預(yù)期的加固效果。

5 結(jié) 論

（1）黏性土中高黏粒含量、高孔隙比、小孔徑是結(jié)合水含量高的重要原因。沖擊荷載作用前后含水率變幅為15.6%～23.5%，結(jié)合水含量變幅為17.6%～29.4%，體積增大系數(shù)為2.1%～9.5%，表明沖擊荷載作用使土中結(jié)合水變化較大，動力釋水現(xiàn)象和動力固結(jié)特征二者密切相關(guān)。

（2）軟土的動力釋水和靜力釋水規(guī)律不盡相同。動力釋水與靜壓釋水相同點是釋水量都與初始孔隙比和含水率相關(guān)，不同之處是靜壓條件下存在臨界壓力。軟土動力釋水相對較容易，達(dá)到同等排水量所需動荷載小于靜荷載，且作用時間縮短。動力釋水量大小和速度還與動荷載的大小、級次、頻率和排水井設(shè)置、周圍壓力等因素有關(guān)。在動荷載作用下，不能徹底擾動土體結(jié)構(gòu)，存在飽和沖擊能（最佳沖擊能），此時激發(fā)土中結(jié)合水轉(zhuǎn)化為自由水并快速釋放出來，排水固結(jié)效果好。

動力排水固結(jié)法設(shè)計時需要設(shè)置合理的排水體系，確定合適的靜動荷載大小、動力參數(shù)、間隔時間，處理好靜力、動力相互關(guān)系，以便達(dá)到良好的加固效果。

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