孫延長　苗永紅　張新

摘 要：為了研究振動排水固結(jié)法加固漫灘相軟土的可行性，采用自主研制LD-8型動態(tài)固結(jié)滲透儀對漫灘相軟土進(jìn)行振動排水固結(jié)試驗。分析排水條件、振動荷載和頻率對其固結(jié)效果的影響及固結(jié)后試樣的抗剪強(qiáng)度和含水量。試驗結(jié)果表明：四邊加中間排水能夠顯著地提高軟土的固結(jié)效率；在不同頻率的振動荷載作用下，軟土的固結(jié)效果存在明顯差異。振動排水固結(jié)法比靜力排水固結(jié)法更加有效地提高軟土的固結(jié)效率和抗剪強(qiáng)度，顯著地降低含水量，對于軟土地基加固具有良好的效果。

關(guān)鍵詞：振動荷載；頻率；固結(jié)；軟土；試驗

中圖分類號：TU447 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）07-0053-04

改革開放至現(xiàn)在，我國城市建設(shè)和基礎(chǔ)建設(shè)等大型工程建設(shè)的步伐不斷加快，由于軟土在我國廣泛分布。因此，各種大型項目如高層建筑、港口、機(jī)場、鐵路、道路和隧道等工程項目不可避免地建于這類軟土地基上。軟土具有初始強(qiáng)度低、壓縮性大、滲透性低等特點(diǎn)。該類地基在上部荷載作用下具有強(qiáng)度低、變形大以及長期變形不穩(wěn)定的特征，導(dǎo)致其不能滿足許多工程建設(shè)的要求。因此，對其進(jìn)行處理以提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性成為巖土工程界普遍關(guān)心和首要解決的重要問題之一。目前，國內(nèi)已有多種方法對軟土地基進(jìn)行加固處理，如排水固結(jié)法、換填法和化學(xué)加固法等。由于軟土地基具有不良的工程特性，各種加固技術(shù)處理軟土地基時會有一些缺陷。因此，探索合適的軟土加固技術(shù)來處理軟土地基顯得尤為重要。振動采油方法是一種全新的采油方法。對震源設(shè)置不同的頻率，然后使其在地面進(jìn)行振動，當(dāng)振動頻率等于土層的固有頻率時，產(chǎn)生共振現(xiàn)象，從而取得良好的振動采油效果。

根據(jù)振動采油原理并結(jié)合動力排水固結(jié)技術(shù)，嘗試采用周期性振動荷載代替沖擊荷載，結(jié)合良好的排水通道，提出振動排水固結(jié)法加固漫灘相軟土地基。采用自主研發(fā)LD-8型動態(tài)固結(jié)滲透儀對漫灘相軟土進(jìn)行振動排水固結(jié)試驗，研究其加固效果。

2 試驗儀器及方法

2.1 試驗儀器介紹

該儀器可同時對軟土施加靜載和振動荷載，能夠?qū)崟r采集軸向位移、排水量、軸向累計應(yīng)變、荷載和排水體積應(yīng)變，可開展對振動荷載作用下飽和軟土固結(jié)和變形特性進(jìn)行研究。主要包括：控制裝置，壓力室，加載裝置和排水裝置，如圖1所示?？刂蒲b置包括位移顯示儀、壓力控制器。加載裝置主要由空壓機(jī)、伺服放大器、伺服油缸、伺服閥、荷載傳感器、高速AD/DA卡組成?？梢允┘拥撵o荷載和振動荷載為：0～2kN，振動頻率范圍為：0～10Hz。在試驗過程中采用應(yīng)力控制模式，振動荷載形式可選擇方形波、正弦波和三角波振動荷載。排水裝置主要由兩個帶刻度的排水管和傳感器組成，可以準(zhǔn)確記錄每秒鐘的排水體積應(yīng)變。

2.2 試驗步驟

試驗所用軟土取自江蘇鎮(zhèn)江某長江邊地基處理現(xiàn)場，其典型的物理性質(zhì)如表1。為了更好地模擬工程現(xiàn)場的受力情況，選擇用模具將軟土制備成直徑為61.8mm，高度128mm的圓柱體。在制作土樣時，根據(jù)試驗方案，首先沿模具內(nèi)側(cè)四周等間隔放置土工布，土工布和模具底部和頂部的透水石組成排水通道。然后用和試樣同尺寸的薄壁取土器取出土樣，用推土器緩慢地將土樣推至裹包橡皮膜的模具中。將制備完成的土樣放置于壓力室內(nèi)，因軟土的含水率大于液限，試樣初始強(qiáng)度很小，在其重力作用下，試樣很難直立。因此，需要在試樣外側(cè)加一套雙瓣膜，使軟土在荷載作用下僅發(fā)生豎向固結(jié)，實驗操作步驟如圖2所示。試驗前將加載桿緩慢和土樣上頂面接觸，試驗過程中可以通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對軟土施加的靜荷載和振動荷載，并且可以設(shè)置其他相關(guān)參數(shù)。為了分析振動荷載、頻率和靜荷載對軟土固結(jié)效率的影響，振動荷載幅值分別為0.15kN和0.2kN，頻率分別為0，1，2，5，10Hz。對試樣采用正弦波形式的振動荷載，加載方式如圖3所示，其函數(shù)表達(dá)式如下：

f（t）=P + Fsin（2πft ） （1）

式中P為靜荷載，F(xiàn)為振動荷載幅值，f為振動頻率，t為加載時間。

3 漫灘軟土加固試驗分析

3.1 排水條件對固結(jié)效果的影響

采用土工布條均勻地貼在試樣四周或者在其中間設(shè)置砂井作為排水通道。為了研究排水條件對軟土固結(jié)效率的影響，設(shè)置了四種不同方式的排水條件，分別為四邊排水（四條土工布條）、三邊排水（三條土工布條）、四邊加砂井組合排水三個試驗方案見圖4。

從圖5中可以看出，四邊加中間排水條件下排水體積應(yīng)變和軸向累計應(yīng)變最大；三邊排水條件下排水體積應(yīng)變和軸向累計應(yīng)變明顯小于其他排水條件，四邊排水條件下排水體積應(yīng)變和軸向累計應(yīng)變優(yōu)于三邊排水條件。另外，在0～30min以內(nèi)，四邊排水條件下排水體積應(yīng)變和軸向累計應(yīng)變與四邊加中間排水條件下排水體積應(yīng)變和軸向累計應(yīng)變相差不大，在30～140min內(nèi)兩者的差異不斷增大。由試驗結(jié)果分析可知，四邊加中間排水條件對軟土固結(jié)效率最高，優(yōu)于四邊排水效果，四邊排水條件下漫灘相軟土的固結(jié)效果次之，三邊排水條件下固結(jié)效果最差；四邊加中間排水條件與四邊排水條件下排水體積應(yīng)變和軸向累計應(yīng)變在固結(jié)前期沒有明顯的差異，而在固結(jié)后期才產(chǎn)生一定的差異性。在后續(xù)試驗中采用四邊加中間排水條件。

3.2 軸向累計應(yīng)變與時間的關(guān)系

從圖6可以看出，在固結(jié)初期（0～50min），在此階段軟土孔隙比大，在振動荷載和靜荷載作用下孔隙水迅速排出，軸向累計應(yīng)變快速增長。在固結(jié)中期（50～100min），此時試樣的孔隙比都緩慢下降。靜荷載作用下軸向累計應(yīng)變緩慢增長；而振動荷載作用下軸向累計應(yīng)任然繼續(xù)增長，靜荷載和振動荷載下軸向累計應(yīng)變出現(xiàn)明顯的差別。在固結(jié)后期（100～140min），土樣孔隙率更加緩慢地減小，軸向累計應(yīng)變趨于穩(wěn)定，振動荷載和靜荷載下軸向累計應(yīng)變差別緩慢擴(kuò)展并趨于停止。當(dāng)振幅為0.15kN時，頻率為1Hz時軸向累計應(yīng)變最大，頻率5Hz下軸向累計應(yīng)變最小，其最大值和最小值分別比靜荷載提高28.35%和9.95%；當(dāng)振幅為0.2kN時，頻率2Hz下軸向累計應(yīng)變最大，頻率5Hz下軸向累計應(yīng)變最小，其最大值和最小值分別比靜荷載提高22.42%和5.54%。由試驗結(jié)果分析可知，在相同條件下，振動荷載下軸向累計應(yīng)變比靜荷載下軸向累計應(yīng)變大，當(dāng)靜荷載下試樣的軸向累計應(yīng)變趨于穩(wěn)定時，振動荷載作用下試樣的軸向累計應(yīng)變?nèi)匀辉谠鲩L。隨著振動荷載幅值的增大，軸向累計應(yīng)變和排水體積應(yīng)變相應(yīng)地逐漸增大。不同的振動頻率具有不同的固結(jié)效果，當(dāng)振動荷載的頻率接近于試樣的固有頻率時，會引起土體發(fā)生共振現(xiàn)象，當(dāng)土體發(fā)生共振時產(chǎn)生更大的振幅，土顆粒和水分子更加劇烈地運(yùn)動。因此，加快孔隙水滲流速度，導(dǎo)致軸向累計應(yīng)變增加。由于在不同荷載幅值下，不同固結(jié)時間段內(nèi)試樣具有不同的固結(jié)程度，導(dǎo)致各個試樣具有不同的固有頻率。

3.3 排水體積應(yīng)變與時間的關(guān)系

從圖7可以看出，在固結(jié)初期（0～50min），振動排水固結(jié)和靜力排水固結(jié)的排水體積應(yīng)變占總排水體積應(yīng)變的60%～78%以上，振動荷載作用下排水體積應(yīng)變與靜荷載作用下排水體積應(yīng)變的差值比較小。在固結(jié)中期（50～100min），試樣的含水率和孔隙率變小。靜荷載作用下排水體積應(yīng)變增長趨緩；而振動荷載作用下排水體積應(yīng)變增長仍然較快，振動荷載作用下排水體積應(yīng)變與靜荷載作用下排水體積應(yīng)變的差值更加明顯。在固結(jié)后期（100 ～140min），試樣的含水量和孔隙比更低，振動荷載作用下排水體積應(yīng)變趨于平穩(wěn)，振動荷載和靜荷載作用下排水體積應(yīng)變差別停止擴(kuò)展。當(dāng)振幅為0.15kN時，振動荷載作用下最大排水體積應(yīng)變和最小排水體積應(yīng)變分別比靜荷作用下排水體積應(yīng)變提高23.56%和10.83%。當(dāng)振幅為0.2kN時，振動荷載作用下最大排水體積應(yīng)變和最小排水體積應(yīng)變分別比靜荷載作用下排水體積應(yīng)變提高為17.69%和7.26%。由試驗結(jié)果分析可知，在相同條件下，振動荷載作用下排水體積應(yīng)變大于靜荷載作用下排水體積應(yīng)變，表明振動荷載激發(fā)弱結(jié)合水并將其轉(zhuǎn)化為自由水，促進(jìn)土顆粒和水分子產(chǎn)生相對運(yùn)動，有效改良軟土的滲透性，加速土體中水分子的遷移，有利于土體固結(jié)，使得其固結(jié)效果優(yōu)于靜荷載。

3.4 抗剪強(qiáng)度的變化

從圖8中可以看出，固結(jié)完成后，試樣的含水率顯著降低，土體強(qiáng)度顯著提高，土體從流塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤苌踔劣菜軤顟B(tài)，呈現(xiàn)出可以直立的狀態(tài)。

抗剪強(qiáng)度指標(biāo)主要與土粒的礦物成分、形狀、大小及顆粒級配、含水量以等有關(guān)。試驗中采用相同的軟土，所以試樣的礦物成分、形狀、大小和含水量等相同。從圖9中可知，振動排水固結(jié)法處理后試樣內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為5.43°和19.107kPa；靜力排水固結(jié)法處理后試樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力分別為2.27°和16.963kPa。由試驗結(jié)果分析可知，振動荷載作用下試樣的內(nèi)摩擦角和粘聚力明顯大于靜荷載作用下內(nèi)摩擦角和粘聚力。振動荷載能夠使土顆粒重新排列，組成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，有效地提高排水體積應(yīng)變，產(chǎn)生更大的軸向累計應(yīng)變，從而使得土樣的孔隙比減小，密實度增加，提高試樣的抗剪強(qiáng)度。

3.5 含水量變化

為了探究固結(jié)完成后試樣的水分分布情況，將試樣沿高度平均分為9個部分，然后測定每個部分的含水量。從圖10中可以看出，靜載作用下試樣的含水最低，當(dāng)頻率為2Hz時，試樣的含水量最大，并且大于頻率1Hz下試樣的含水量；當(dāng)頻率為5Hz時，試樣的含水量小于頻率1Hz下試樣的含水量，這與當(dāng)振幅為0.2kN時，各個振動頻率下軟土的總排水體積應(yīng)變變化規(guī)律相一致。

另外，試樣上、中、下三部分含水率不一樣，而且以中部含水率最大，下部次之，上部最小。由試驗結(jié)果分析可知，相較與靜荷載，振動荷載作用下軟土的含水量降低程度更大；試樣上部與下部含水量較低，兩者相差很小，而中部含水量卻較大，符合試樣雙面排水固結(jié)規(guī)律。

4 結(jié)論

通過振動排水固結(jié)法加固漫灘相軟土可行性研究，可以得出如下一些結(jié)論：

（1）在相同條件下，四邊加中間排水能夠最為有效地提高軟土固結(jié)效率，四邊加中間排水條件下軟土的固結(jié)效果與四邊排水條件在固結(jié)前期沒有明顯的差異，而在固結(jié)后期才產(chǎn)生一定的差異性。研究表明在軟土中設(shè)置的排水通道面積越大，固結(jié)效率越高。

（2）相較于靜荷載，振動荷載能夠明顯地提高軟土抗剪強(qiáng)度，振動荷載作用下軟土的固結(jié)效率顯著地提高。

（3）不同的振動頻率對漫灘相軟土固結(jié)具有一定的影響，且在不同的振動荷載幅值下，其最佳振動頻率不同。當(dāng)振動頻率接近軟土的固有頻率時，土體發(fā)生共振，產(chǎn)生更大的振幅，土顆粒和水分子更加劇烈地運(yùn)動。因此，加快孔隙水滲流速度，導(dǎo)致軸向累計應(yīng)變和排水體積應(yīng)變增加，從而提高軟土的固結(jié)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 尹振宇. 天然軟黏土的彈黏塑性本構(gòu)模型：進(jìn)展及發(fā)展[J]. 巖土工程學(xué)報， 2011， 33（9）： 1357-1369.

[2] 薛茹， 李廣慧. 動力排水固結(jié)法加固軟土路基的模型試驗研究[J]. 巖土力學(xué)， 2011， 32（11）：3242-3248.

[3] 鄭穎人， 李學(xué)志， 馮遺興等. 軟粘土地基的強(qiáng)夯機(jī)理及其工藝研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 1998， 17（5）：571-580.

[4] 何義中， 賀振華， 張人雄. 彈性波提高原油采收率機(jī)理研究[J]. 物探化探計算技術(shù)， 2002， 24（3）：209-214.

[5] 劉小芹， 何增軍， 廖云山，等. 人工地震采油技術(shù)在扶余油田的應(yīng)用[J]. 石油天然氣學(xué)報， 2009（2）：332-333.

[6] 楊平華， 蔡堯忠. 人工振動采油機(jī)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）.

基金項目： 江蘇省六大人才高峰項目：（2014JZ011）