劉東燦，王江鋒*，任艷婷，陳夢婷，苑 佳

（1.華北水利水電大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450046；2.鄭州一建集團有限公司，鄭州 450046）

軟土天然含水量高、孔隙比大，在我國沿海和內(nèi)陸分布廣泛[1]。由于其抗剪強度低，常常給軟土地區(qū)的施工帶來許多問題，如地基塌陷、邊坡失穩(wěn)等，阻礙了經(jīng)濟的建設(shè)發(fā)展[2-4]。如何經(jīng)濟有效地處理軟土地基成為該領(lǐng)域的重要議題[5-7]。

國內(nèi)外學(xué)者對于軟土的改良進行了大量研究。Ahmet等[8]通過在土體中加入適量的煤粉，得出煤粉可有效改善土體的凍融特性；Yao等[9]對軟土添加納米材料，利用納米材料改良軟土，發(fā)現(xiàn)納米材料可以有效地提高軟土在酸性條件下的力學(xué)性質(zhì)；張艷軍等[10]探究了纖維增強的聚合物對軟土強度的影響。戴巍等[11]利用木質(zhì)纖維與水泥2種改良劑對軟土進行改良，從微觀角度闡述了改良的機制；余浩等[12]在軟土中添加PVA纖維，并與水泥改良的軟土進行對比；王春陽[13]研究了在凍融條件下石灰對軟土抗剪強度的影響。

石英砂化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐酸堿腐蝕，取材便利，價格低廉，常被用于工程施工[14-15]。在軟土中加入適量的石英砂可有效地改良軟土各項力學(xué)性質(zhì)，但以往的試驗研究中石英砂改良軟土的內(nèi)容鮮有報道，為了準確分析石英砂改良軟土的性能，有必要對石英砂改良軟土的力學(xué)特性展開定性和定量研究。

1 試驗材料

試驗所用原狀軟土采集于河北省滄州市渤海新區(qū)板唐河沿岸，取土土深為1.5～2.0 m，灰色，呈軟塑狀態(tài)，天然含水量高，其基本物理參數(shù)見表1。試驗選用的石英砂為20～50目，呈灰白色，主要成分為二氧化硅。將試驗所用軟土放置于烘箱烘干10 h，溫度設(shè)置為110～115℃。對烘干的軟土進行切碎、碾壓，過0.5 mm篩。試驗中石英砂的摻量分別為0、10%、15%、20%、25%、30%（石英砂和干土之間的質(zhì)量分數(shù)），稱取一定量的干土并加入相對應(yīng)摻量的石英砂，混合攪拌均勻后，養(yǎng)護7 d后進行相關(guān)試驗。

表1 原狀軟土的物理性質(zhì)參數(shù)

2 試驗方法及內(nèi)容

2.1 擊實試驗

本次試驗采用輕型擊實試驗來計算土體的最優(yōu)含水率和最大干密度。對石英砂摻量為0、10%、15%、20%、25%、30%的試樣進行擊實試驗，每次測定的試樣不高出筒頂面5 mm。

2.2 壓縮試驗

本次試驗采用WG型單杠桿雙聯(lián)中壓固結(jié)儀來測定土體的壓縮系數(shù)。將試樣制備為內(nèi)徑61.8 mm，高20 mm的圓柱體，速率剪切設(shè)置為0.8～1.2 mm/min。壓縮試驗共分為7組，每組制備2個試樣。土體壓縮性高低由壓縮系數(shù)a1-2來評定，通過公式（1）計算。

式中：a1-2為土的壓縮系數(shù)，MPa-1；p1為固結(jié)壓力100 kPa；p2為固結(jié)壓力200 kPa；e1為固結(jié)壓力100 kPa作用下壓縮穩(wěn)定后土的孔隙比，e2為固結(jié)壓力200 kPa作用下壓縮穩(wěn)定后土的孔隙比。

2.3 物理參數(shù)試驗

無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度反映了土體的基本物理參數(shù)。無側(cè)限抗壓強度試驗通過SANS Power Test壓力機進行，采用位移控制的方式，位移控制的速度設(shè)置為1 mm/min。試樣采用標準三軸圓柱試樣，高度80 mm，直徑39.1 mm。試驗共分為7組，每組制備2個試樣?？辜粼囼灢捎肧DJ-1型自動應(yīng)變控制直剪儀進行，試驗所用環(huán)刀為內(nèi)徑61.8 mm，高20 mm的標準環(huán)刀。試驗共分為7組，每組制備4個試樣。

2.4 三軸固結(jié)不排水試驗（CU）

將待測試樣制備為直徑39.1 mm，高80 mm的圓柱形。將制備好的試樣進行保濕處理（包裹塑料薄膜），放入三軸壓縮儀中。固結(jié)不排水試驗的圍壓設(shè)置為3種參數(shù)，分別為100、200、300 kPa。儀器設(shè)備如圖1所示。

圖1 儀器設(shè)備

3 試驗結(jié)果分析

3.1 擊實特性

試驗的擊實試驗結(jié)果見表2。改良前原狀軟土的最佳含水率為16.3%，最大干密度為1.670 g/cm3。隨著參砂比的增加，改良軟土的最佳含水率逐漸降低，最大干密度逐漸增大。這說明石英砂改良的軟土的水穩(wěn)定性明顯變強，最大干密度顯著增加，水敏性降低。土體的碾壓效果可以通過天然含水率與最優(yōu)含水率的差值來分析，其差值越小則土體的碾壓效果越好。經(jīng)過計算分析可以得到改良后的軟土含水率明顯減小，其碾壓效果明顯提高。由于軟土的孔隙度大，保水性好，在對軟土地基的實際操作處理過程中，通過摻砂改良軟土可以減少施工難度。

表2 擊實試驗結(jié)果數(shù)據(jù)表

3.2 壓縮性能

原狀軟土及改良軟土的壓縮系數(shù)隨摻砂量變化趨勢如圖2所示。由圖2可知，摻砂改良能夠有效降低土體的壓縮系數(shù)。通過計算分析可知土體隨著石英砂的摻入，土體的壓縮系數(shù)呈現(xiàn)減小的變化趨勢。由此可以得出摻砂對于軟土的變形可以起到有效減緩作用。

圖2 壓縮系數(shù)隨摻砂量變化趨勢圖

3.3 物理參數(shù)試驗

無側(cè)限抗壓強度隨摻砂量變化情況如圖3所示。由圖3可知，在同一摻砂率下，改良軟土的無側(cè)限抗壓強度隨著壓實度的增大不斷增加；在同一壓實度下，改良軟土的無側(cè)限抗壓強度隨著摻砂率的增大呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢，并在摻砂率為20%時出現(xiàn)峰值。從試驗結(jié)果可知，原狀軟土無側(cè)限抗壓強度較低，摻砂后，無側(cè)限強度有較大提高。在摻砂率達到一定值后，雖然隨著摻砂量的增加改良軟土無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)降低趨勢，但仍然遠大于原狀軟土強度。

圖3 無側(cè)限抗壓強度隨摻砂量變化趨勢圖

抗剪強度指標變化趨勢如圖4所示。由圖4可以看出，改良軟土的黏聚力隨著摻砂量的增加而減小，內(nèi)摩擦角卻隨著摻砂量的增加而增大；當摻砂量在20%以內(nèi)時，其黏聚力變化相對緩慢，而內(nèi)摩擦角變化幅度較大；當摻砂量超20%時，改良軟土內(nèi)摩擦角變化很小趨于穩(wěn)定值，而黏聚力下降很快。與無側(cè)限抗壓強度變化趨勢相似，改良軟土抗剪強度隨摻砂量增加而先增大后減小，當摻砂量達到20%時，抗剪強度出現(xiàn)最大值，摻砂比超過20%時，抗剪強度逐漸減小。改良軟土的有效抗剪強度參數(shù)與原狀軟土的有效抗剪強度參數(shù)相比有所增大。有效應(yīng)力是作用在土顆粒和土骨架上的應(yīng)力，摻砂改良后土的有效抗剪強度增大，改良軟土形成了密實的砂土骨架，有效應(yīng)力由黏土和砂粒共同承擔，抵抗外部剪切破壞的能力變強。

圖4 黏聚力和內(nèi)摩擦角隨摻砂量的變化趨勢圖

3.4 三軸固結(jié)不排水試驗（CU）

為了對最優(yōu)砂改軟土的力學(xué)性質(zhì)進行分析探究，對摻砂比為20%的軟土進行了固結(jié)不排水剪切試驗，對土的有效抗剪強度參數(shù)、總抗剪強度參數(shù)和孔隙水壓力進行了測定。結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 重塑原狀軟土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖6 重塑改良軟土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

由重塑軟土試樣以及重塑改良軟土試樣的應(yīng)力－應(yīng)變曲線可知，在試驗初期，主應(yīng)力差隨著軸向應(yīng)變的增大呈線性快速增大，小應(yīng)變會引起較大的應(yīng)力差，原狀軟土和改良軟土試樣均處于彈性階段；主應(yīng)力差仍隨著軸向應(yīng)變的增大而呈現(xiàn)增大趨勢，但其增加速率變慢，原狀軟土和改良軟土試樣進入塑性變形階段；隨著圍壓的增加，相同軸向應(yīng)變的主應(yīng)力差也顯著提高，主應(yīng)力差峰值也隨即增大，但是改良軟土試樣的主應(yīng)力差峰值增長幅度明顯大于原狀軟土試樣，高圍壓固結(jié)后改良軟土試樣的抗剪強度較原狀軟土明顯增強。

石英砂的摻入提高了相同圍壓下軟土的抗剪強度。對于改良軟土試樣，剪切過程中除了要克服顆?；瑒幽Σ磷枇ν?，還要破壞相鄰顆粒間相互咬合的作用，即通過剪脹而達到。含砂量越大的土體，單位面積里相互嵌合的不同大小的顆粒就越多，對應(yīng)破壞這個咬合作用的力就越大，表現(xiàn)為抗剪強度的增加。

4 結(jié)論

本文以河北省滄州市渤海新區(qū)板唐河沿岸的軟土為對象，進行了改良處理，通過相關(guān)試驗探究了改良前后的物理力學(xué)性質(zhì)，得出以下結(jié)論。

（1）隨著石英砂摻量的增加，改良軟土的粗顆粒含量增加，黏聚力下降，壓縮性能減弱，無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度明顯提高。

（2）改良軟土的水穩(wěn)定性變強，最大干密度顯著增加，水敏性明顯降低，使得改良軟土獲得較好的碾壓效果，有利于施工建設(shè)。

（3）最優(yōu)砂改土的黏聚力由改良前的30 kPa減小到改良后的20 kPa；內(nèi)摩擦角由改良前的16.6°增大到改良后的20°。由三軸試驗分析可以驗證，摻砂改良軟土是可行的，可以增強軟土的抗剪能力。