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摘要：软土的流动会导致很多工程事故和地质灾害的发生。为了探究地下软土在局部振动情况下的流动特性，并寻找防止或减弱其流动性的措施，本文借助拖球试验，通过改变试验中软土所处环境的振动频率，从流体力学角度研究了振动频率对软土流动性的影响规律；同时也研究了向软土掺入粗砂是否能改善软土的流动特性。研究结果表明，软土的流动性会随着振动频率的增大而增强，其中振动频率当超过临界值时，振动频率对软土的流动性的影响最为明显。此外在有压情况下，存在一个临界振动频率：当振动频率小于临界值时，软土流动性随振动频率变化不明显；但当振动频率超过临界值时，软土会呈现较强的流动性并随振动频率增大快速增强。向软土中掺入粗砂的试验结果表明，随着掺砂量的增加，软土的流动性得到抑制，抵抗变形的能力增强。
关键词：软土；流动特性；局部振动；拖球试验；掺砂；
1 前言
饱和砂土在振动情况下能够发生液化现象，砂土表现出流体特性。砂土液化已经被广泛的研究并且其机理也得到了很明确的阐释。那么对于天然含水量高处于软塑或流塑状态下的黏性土——软土而言，其在振动情况下表现出的力学性质还尚不明确。近年来在我国沿江沿海软土地区，地铁隧道发生持续沉降且长期不收敛，鉴于地铁运行期间列车会对土体产生振动作用，这更表明了研究软土在振动情况下的力学特性具有极大的现实意义和应用价值。
目前已有部分学者对软土的流动性质进行了研究。在砂土振动液化的研究中，人们更多的是使用振动台进行试验：聶守智等[11-15]通过饱和砂土振动台试验发现，饱和砂土在振动条件下会产生较大的振动空隙水压力，有效应力大大减小，且振动频率越大，液化强度越大，还发现振动频率对松砂的影响效果更明显，振动频率是饱和砂土的液化的重要影响因素。可以发现，砂土的液化与振动是有密切联系的，然而这些振动液化的研究是整体振动，在实际地铁运行过程中，列车产生的振动相对于一个软土分布地区而言，属于局部振动情况，振动台试验很难准确模拟局部振动激励机理。同时，围压对土的力学性质影响的试验研究，目前大多是研究压强对土体的剪切及多种固结试验[16-17]，主要集中在固态土，而围压引起的软土流动性质变化目前还不清楚。
本文通过总结以上研究的局限性和不足，借助拖球试验从流体力学角度研究软土在改变局部振动频率的条件下软土的流动特性；通过向软土中掺入粗砂，来考察含砂量对软土流动性的抑制效果。并希望以此给实际的工程建设提供一定的参考。
2 试验原理及试验土样制备
2.1 试验原理
拖球试验是由宫岛昌克首次提出，是一种进行土体力学性质研究的一种重要试验方法，在研究砂土液化的流动特性时被用到，是根据低雷诺数均匀流的绕球流动理论得出的落球粘度计原理设计的。试验时，土颗粒粒径、小球直径、试验箱的尺寸处于不同的数量级，可以忽略尺寸效应，且控制小球的拖动速度保持低速，这些条件能够满足低雷诺数试验条件的要求。光滑小球的半径为，拉力通过导线作用在小球上，以速度通过无限宽广粘度为的流体时，在这种情况下，可认为小球所受的阻力即为该流体发生形变的粘滞力，即：
（1）
式中：为小球所受的粘滞力，为土体的动态粘度，为小球的半径，为小球的移动速度。通过试验，可以直接测得拉力，用来反映软黏土对小球的阻碍作用。如果测得的拉力越小，说明实验样土对小球阻力越小，流动性越强。
如图1为试验设备连接示意图，图中的所有部分是根据试验的原理及本文的研究内容进行设计：
（1）气囊：控制围压为一稳定值；
（2）振动机与调速马达：只带动振动机及导轨附近样土振动，模拟局部振动，能提供5Hz，15Hz，25Hz，35Hz，45Hz 5种不同振动频率。
（3）步进机与数控系统：控制小球前进的速度和距离，本文试验设计小球以48mm/min的速度前进10cm。
（4）拉力传感器和静态应变测试仪：用来实时量测小球运动中所受的阻力。
（a）含水率44%、围压100kPa
（a）含水率66%、围压100kPa
图2 不同含水率下振动情况的影响
此外，66%的软土也在相同条件下进行了拖球试验。图2为100kPa围压下不同振动频率条件的拉力-时间曲线。在两图中，当振动频率在5Hz~35Hz范围内时，软土的拉力-时间曲线几乎重合，振动频率基本没有给软土力学性质带来影响。而当振动频率提高到45Hz时，其曲线突然降低，曲线稳定时的拉力只有其他频率情况下的一半左右。这说明在66%含水率情况下，存在一个临界的振动频率：当低于该频率时，软土流动性受振动频率影响可以忽略不计；而当所受高于该频率时，软土力学性质发生突变，土体工程性质变坏，流动性快速增强。
此外，对比44%和66%含水率下的软土所表现出的流动特性可知，上述所言临界频率与软土含水率必然有着密不可分的关系。本文限于试验土样及试验条件的限制，对此暂无进一步的研究。
3.2 掺砂对软土的影响
通过以上分析可见，软土的流动性随着振动频率的提高会变大，而从研究的背景出发，在工程中要尽可能的抑制软土的这种不利变化，从而抑制软土层的大变形能力，控制地基的沉降。在下文的掺砂试验中，本文展示了向软土中掺入粗砂对软土力学行为的改善作用。
（a）围压200kPa、振动频率5Hz
（b）围压200kPa、振动频率45Hz
图3 不同掺砂量条件下拉力-时间曲线
试验中分别有18%、36%、54%三种质量比的掺砂量。
图3分别为在200kPa压强下振动频率5Hz和45Hz时，不同的掺砂量的软土的拖球试验曲线。由图中可以看出，拖球拉力曲线位置随着掺砂量的增大在逐渐上升，无论在5Hz的低频率下还是在45Hz的高频率下，54%掺砂量的软土流动性比不掺砂的软土流动性得到大大减弱。说明，向软土中掺入粗砂能够很好的抑制软土的流动性，使软土性质更趋于稳定，改善其易发生大变形的力学行为，从而可以提高软土地基的承载力，控制软土地基的沉降。
4 结论
本文借助拖球试验从流体力学角度探究了局部振动频率对软土流体力学性质的影响，考量了掺砂对软土流动性质的改善作用，最终得到了局部振动、和软土掺砂量对软土流动性的影响规律，得到如下的结论：
1）当软土含水率仅高出土样液限含水率时，软土会随着局部振动频率的提高，土颗粒之间更加松散，其流动能力持续增强；当软土含水率远高于土样液限含水率时，土体存在一个临界振动频率，在该频率以下的低频振动对软土流动性质的影响甚小，而高于该频率的高频局部振动会使软土力学性质发生快速变化，流动性突然增强，土体更易变形。
2）向高含水率的软土中掺入粗砂的拖球试验表明，掺砂可以很好地抑制软土流动性，增强软土的固态性质。若将此措施用于工程中，可以很大程度地改善软土低承载力易变形的特点，提高软土地基承载力，控制地基的沉降变形。
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论文作者:龚可1,王信波1,王懂1
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/28
标签：频率论文; 砂土论文; 流动性论文; 小球论文; 特性论文; 性质论文; 局部论文; 《建筑学研究前沿》2018年第32期论文;