排水砂墊層，套用於鐵路技術之中，是為加速軟弱地基的固結，保證路基的強度和穩定，在路堤底部鋪設的砂層。砂墊層已在地基處理工程中廣泛套用 最為常見的是用作地基預壓固結時設定於地表的水平排水邊界。不過，如果設計和套用不當會導致無法充分發揮其排水能力，也無助於工後沉降量和地基穩定性的控制 其重要性不可忽視。目前 排水砂墊層的設計參數一般依據經驗或有關規範的規定來確定。
基本介紹
- 中文名：排水砂墊層
- 外文名：sand mat of subgrade
- 目的：加速軟弱地基的固結
- 方法：保證路基的強度和穩定
- 所屬類別：交通
- 套用領域：鐵路
排水砂墊層地基平面應變固結
《地基處理手冊》認為 砂墊層一般採用級配良好的中粗砂，滲透係數不低於2 × 10m /s，對陸上一般軟土地基，厚度為0. 3 ～0. 5 m;對於水下軟基，厚度大於1 m。文獻[6]規定，預壓法處理地基時，砂墊層砂料宜用中粗砂，滲透係數應大於10m /s，厚度不應小於0. 5 m;文獻[7-8]則規定，排水砂墊層的砂料宜採用含泥量不大於5% 且滲透係數不小於5 × 10m /s 的中、粗砂，砂墊層的厚度，陸上不宜小於0. 4 m，水下不宜小於1 m。上述排水砂墊層的設計參數主要包括滲透係數和厚度。然而，在實際工程中，砂墊層的設定主要起水平排水作用，砂墊層內孔隙水的滲流路徑通常是以平行於砂墊層與待固結地基土體邊界面方向的水平向滲流為主，並非像待固結土體那樣以垂直於邊界面方向的豎向滲流為主。理論分析結果 也表明，地基固結的效率並不僅僅取決於砂墊層的滲透係數( 或潔淨程度) 和厚度，還與砂墊層的長度或其中孔隙水的滲流路徑有關。不過，此觀點還未見有相關的試驗驗證。
為此，本文考慮絕大多數工程實踐中待固結土體以豎直向滲流為主、砂墊層以水平向滲流為主的特點，自主研製了能夠較真實模擬土堤等工程施工條件下的平面應變固結試驗裝置，獲得了國家實用長度和滲透係數的砂墊層條件下的固結試驗，選取其中具有代表性的試驗結果，對比分析這兩個主要參數對地基固結變形和孔壓消散的作用影響。
1平面應變固結試驗裝置
主要由固結試樣槽、側限機構和載入機構以及根據試驗方案要求而布置的測量系統組成。試驗裝置的側立面圖和平面圖如圖2 所示，圖中的陰影部分為固結試樣槽，由底座和透明有機玻璃側板組成，其內部尺寸為:長1 000 mm，寬150 mm，高400 mm。固結試樣槽外部和頂部分別是側限機構和載入機構。側限機構由8 套螺絲頂桿和墊塊組成，主要用於限制試樣槽內土體的側向變形，以實現平面應變固結為目的。載入機構由空氣壓縮機、氣壓調節器、載入氣缸組成，可提供最大15 kN 的荷載，載入行程為60 mm。固結試樣槽底座、載入氣缸以及側限機構中的螺絲頂桿均固定在外部剛性框架上，以保持試驗裝置的穩定性。
2實驗
2.1 試驗方案
為了解水平排水砂墊層對地基固結的作用影響，本文採用上述研製的平面應變固結試驗裝置，設計開展了砂墊層不同滲透係數和長度條件下的固結試驗。採用飽和重塑黏土試樣開展試驗，以規避土體結構性對固結的影響。根據試驗裝置的尺寸，將試樣的高度取250 mm，長度和寬度與固結試樣槽的內部尺寸一致。砂墊層厚度取20 mm，長度分別為450 mm 和600 mm，並分別採用純淨砂摻入20%質量的黏土，即細粒含量為20%的純淨砂與黏土混合料(FC20砂)作為砂墊層，以研究不同長度和滲透係數的砂墊層對固結作用的影響。試驗時，在黏土試樣中布置直徑6 mm、高14 mm、精度達0. 5 kPa 的微型孔隙水壓力感測器，並在砂墊層頂部剛性載入板上布置基恩士(LVDT)位移感測器。將感測器與數據採集裝置連線以實現自動量測固結過程中孔隙水壓力和砂墊層頂部豎向位移或沉降量的變化。
2.2 材料
固結試驗所用黏土為某公司生產的顆粒狀高嶺土，其粒徑d≤0. 005 mm、黏粒含量超過80%、密度2. 67 g /cm、液限43. 7%、塑限22. 2%、塑性指數21.5、風乾含水率4. 5%。黏土試樣經固結試驗開始之前的裝樣和預壓過程之後，其滲透係數處於10m/s 的量級。砂墊層所採用的純淨砂為公路灌砂法專用標準砂，粒徑為0. 25～0. 5 mm，屬於中砂，其滲透係數為2. 6×10m/s。此外，通過將純淨砂與高嶺土按質量比為1 ∶4進行配製，得到的混合料(FC20砂)，滲透係數為3. 6×10m/s，介於高嶺土試樣和純淨砂的滲透係數之間，也用作砂墊層開展固結試驗，並與純淨砂砂墊層固結試驗的結果進行對比。
2.3 試驗方法
試驗前，飽和高嶺土固結試樣的製備方法: 將高嶺土置於容器中，按60%含水率加水製成泥漿，然後將泥漿放入攪拌機中攪拌均勻，攪拌後的泥漿再用振動棒振搗均勻使之飽和，然後將飽和泥漿按每批次30mm 的高度裝入平面應變固結試驗裝置的試樣槽中，裝樣過程中土樣均保持浸沒在水面以下。裝樣至高度270 mm 後，保持試樣浸沒於水中，靜置24 h 以上，使試樣在自重作用下完成固結，試樣高度最終降至250mm。此時，測定表層土樣含水率並與試樣初始含水率對比，誤差控制在5%以內。此外，考慮到飽和重塑黏土試樣含水率較高，土質較為鬆軟，在荷載作用下的變形量較大，載入板的沉降量將超出氣缸最大行程。因此，先用長90 cm 的剛性載入板，通過氣缸施加20 kPa 的荷載，對試樣進行預壓，待預壓固結完成後，卸除荷載及90 cm 長的載入板。
隨後，在飽和黏土試樣頂部依次鋪設濾紙和20am厚的砂墊層，濾紙起到隔離黏土試樣和砂墊層的作用，防止黏土試樣在固結變形過程中侵入砂墊層而引起砂墊層滲透係數的變化，規避其對地基固結的作用影響，從而使得試驗結果及其分析僅僅反映和展現不同滲透係數的砂墊層對地基固結作用的影響。砂墊層鋪設完成後，將剛性載入板放置於砂墊層上，再在剛性載入板上安裝載入氣缸和 4 個位移感測器( 在距離載入板兩端 5 cm 處對稱布置，標記為 A1 ～ A4) 。將位移感測器和之前飽和黏土試樣裝樣時埋設的微型孔隙水壓力感測器與數據採集裝置連線並設定初值 並將載入氣缸與氣壓調節器和空壓機連線，至此，完成試驗的裝樣過程。試驗時，載入分 2 個階段，第 1 階段施加 30 kPa的荷載至變形穩定和超孔隙水壓力消散完成; 第 2階段施加 10 kPa 荷載增量，將荷載施加至 40 kPa，直至變形穩定和超孔隙水壓力消散完成。
3 結果及分析
3. 1 砂墊層長度對固結作用的影響
即砂墊層滲透係數相同但長度分別為 450 和 600 mm 時，在 0 ～30 kPa 和 30 ～ 40 kPa 載入作用下，黏土試樣底部中心超靜孔壓以及載入板平均沉降量的測試結果。超靜孔壓隨著荷載的增加而增大; 在載入結束後，超靜孔壓達到峰值; 在恆載階段，超靜孔壓逐漸消散。在載入階段，沉降快速發展; 在恆載階段，則隨著超靜孔壓消散，沉降速率逐漸變慢。在 0 ～ 30 kPa 載入階段，超靜孔壓的峰值達 15. 4 kPa; 在 30 ～ 40 kPa 即 10 kPa 增量載入階段，超靜孔壓的峰值約為 8 kPa。超靜孔壓的峰值明顯小於載入量，雖然通過剛性載入板作用在試樣上，但不可避免地會引起應力的重分布。另外，本文試驗中的平面應變條件也會使得實際作用於試樣上的荷載將小於施加的荷載。不過，這並不影響本文對於不同砂墊層長度對固結影響的分析在相同的載入量作用下，所引起的超靜孔壓的峰值以及最終沉降量基本相同，但是，超靜孔壓的消散速率和沉降速率卻明顯不同。
可以看出: 對於長度為 450 mm 的砂墊層，試樣達到 90% 固結度的時間均約為 16 h，固結完成時間均約為 40 h; 對於長度為 600 mm 的砂墊層，試樣達到 90% 固結度的時間均約為 29 h，固結完成時間均約為 60 h。這說明，土體固結完成的時間與載入量的大小關係不大，而主要取決於土體本身的水力參數、滲流路徑以及水力邊界條件，這與眾所周知的 Terzaghi 一維固結理論以及軸對稱固結所得到的結果是一致的。載入量的大小主理論要影響超靜孔壓的峰值和沉降量，載入量越大，則超靜孔壓的峰值和沉降量越大。由圖 5 還可以看出: 砂墊層的長度對於固結速率卻有著重要的影響 砂墊層越長 則固結速率越慢 固結完成所需要的時間越長; 其原因在於，砂墊層的長度決定了平面應變固結中水平向滲流路徑的長短。
3. 2 砂墊層滲透係數對固結作用的影響
即砂墊層長度相同但滲透係數分別為 3. 6 × 10－7 m /s 的摻 20% 黏土 FC20砂和 2. 6×10－5 m /s 的純淨砂時，在 30 ～ 40 kPa 載入作用下，黏土試樣中部近頂面處超靜孔壓以及載入板平均沉降量的測試結果( 孔壓測點為圖 3 所示上部孔壓測點) 。可知:對於滲透係數為3. 6 × 10m /s的摻黏土砂墊層，固結度達到90% 的時間約為16 h，固結完成時間約為30 h。對於滲透係數為2. 6×10m /s 的純淨砂砂墊層，固結度達到90%的時間約為6.5 h，固結完成時間約為15 h。很明顯，砂墊層的滲透係數越大，土體超靜孔壓的消散速率和沉降速率即固結速率則越快。
4結論
1)自主研製了一套平面應變固結試驗裝置，利用該裝置，可以模擬土堤施工，開展載入或堆載條件下的固結試驗。
2)採用水平排水砂墊層進行地基預壓處理時，砂墊層的滲透係數越大，地基固結速率越快。但是，地基的固結速率並不僅僅取決於砂墊層的滲透係數，砂墊層的長度也是影響地基固結速率的重要設計參數。
3)砂墊層越長，則地基固結速率越慢，固結完成所需要的時間越長，其原因在於，砂墊層的長度決定了土堤等工程平面應變固結中水平向滲流路徑的長短。
