更新时间：2022-09-13 14:00
排水砂垫层，应用于铁路技术之中，是为加速软弱地基的固结，保证路基的强度和稳定，在路堤底部铺设的砂层。砂垫层已在地基处理工程中广泛应用 最为常见的是用作地基预压固结时设置于地表的水平排水边界。不过，如果设计和应用不当会导致无法充分发挥其排水能力，也无助于工后沉降量和地基稳定性的控制 其重要性不可忽视。排水砂垫层的设计参数一般依据经验或有关规范的规定来确定。
排水砂垫层地基平面应变固结
《地基处理手册》认为 砂垫层一般采用级配良好的中粗砂，渗透系数不低于2 × 10m /s，对陆上一般软土地基，厚度为0. 3 ～0. 5 m;对于水下软基，厚度大于1 m。文献[6]规定，预压法处理地基时，砂垫层砂料宜用中粗砂，渗透系数应大于10m /s，厚度不应小于0. 5 m;文献[7-8]则规定，排水砂垫层的砂料宜采用含泥量不大于5% 且渗透系数不小于5 × 10m /s 的中、粗砂，砂垫层的厚度，陆上不宜小于0. 4 m，水下不宜小于1 m。上述排水砂垫层的设计参数主要包括渗透系数和厚度。然而，在实际工程中，砂垫层的设置主要起水平排水作用，砂垫层内孔隙水的渗流路径通常是以平行于砂垫层与待固结地基土体边界面方向的水平向渗流为主，并非像待固结土体那样以垂直于边界面方向的竖向渗流为主。理论分析结果 也表明，地基固结的效率并不仅仅取决于砂垫层的渗透系数( 或洁净程度) 和厚度，还与砂垫层的长度或其中孔隙水的渗流路径有关。不过，此观点还未见有相关的试验验证。
为此，本文考虑绝大多数工程实践中待固结土体以竖直向渗流为主、砂垫层以水平向渗流为主的特点，自主研制了能够较真实模拟土堤等工程施工条件下的平面应变固结试验装置，获得了国家实用长度和渗透系数的砂垫层条件下的固结试验，选取其中具有代表性的试验结果，对比分析这两个主要参数对地基固结变形和孔压消散的作用影响。
1平面应变固结试验装置
主要由固结试样槽、侧限机构和加载机构以及根据试验方案要求而布置的测量系统组成。试验装置的侧立面图和平面图，阴影部分为固结试样槽，由底座和透明有机玻璃侧板组成，其内部尺寸为:长1 000 mm，宽150 mm，高400 mm。固结试样槽外部和顶部分别是侧限机构和加载机构。侧限机构由8 套螺丝顶杆和垫块组成，主要用于限制试样槽内土体的侧向变形，以实现平面应变固结为目的。加载机构由空气压缩机、气压调节器、加载气缸组成，可提供最大15 kN 的荷载，加载行程为60 mm。固结试样槽底座、加载气缸以及侧限机构中的螺丝顶杆均固定在外部刚性框架上，以保持试验装置的稳定性。
2实验
2.1 试验方案
为了解水平排水砂垫层对地基固结的作用影响，本文采用上述研制的平面应变固结试验装置，设计开展了砂垫层不同渗透系数和长度条件下的固结试验。采用饱和重塑黏土试样开展试验，以规避土体结构性对固结的影响。根据试验装置的尺寸，将试样的高度取250 mm，长度和宽度与固结试样槽的内部尺寸一致。砂垫层厚度取20 mm，长度分别为450 mm 和600 mm，并分别采用纯净砂掺入20%质量的黏土，即细粒含量为20%的纯净砂与黏土混合料(FC20砂)作为砂垫层，以研究不同长度和渗透系数的砂垫层对固结作用的影响。试验时，在黏土试样中布置直径6 mm、高14 mm、精度达0. 5 kPa 的微型孔隙水压力传感器，并在砂垫层顶部刚性加载板上布置基恩士(LVDT)位移传感器。将传感器与数据采集装置连接以实现自动量测固结过程中孔隙水压力和砂垫层顶部竖向位移或沉降量的变化。
2.2 材料
固结试验所用黏土为某公司生产的颗粒状高岭土，其粒径d≤0. 005 mm、黏粒含量超过80%、密度2. 67 g /cm、液限43. 7%、塑限22. 2%、塑性指数21.5、风干含水率4. 5%。黏土试样经固结试验开始之前的装样和预压过程之后，其渗透系数处于10m/s 的量级。砂垫层所采用的纯净砂为公路灌砂法专用标准砂，粒径为0. 25～0. 5 mm，属于中砂，其渗透系数为2. 6×10m/s。此外，通过将纯净砂与高岭土按质量比为1 ∶4进行配制，得到的混合料(FC20砂)，渗透系数为3. 6×10m/s，介于高岭土试样和纯净砂的渗透系数之间，也用作砂垫层开展固结试验，并与纯净砂砂垫层固结试验的结果进行对比。
2.3 试验方法
试验前，饱和高岭土固结试样的制备方法: 将高岭土置于容器中，按60%含水率加水制成泥浆，然后将泥浆放入搅拌机中搅拌均匀，搅拌后的泥浆再用振动棒振捣均匀使之饱和，然后将饱和泥浆按每批次30mm 的高度装入平面应变固结试验装置的试样槽中，装样过程中土样均保持浸没在水面以下。装样至高度270 mm 后，保持试样浸没于水中，静置24 h 以上，使试样在自重作用下完成固结，试样高度最终降至250mm。此时，测定表层土样含水率并与试样初始含水率对比，误差控制在5%以内。此外，考虑到饱和重塑黏土试样含水率较高，土质较为松软，在荷载作用下的变形量较大，加载板的沉降量将超出气缸最大行程。因此，先用长90 cm 的刚性加载板，通过气缸施加20 kPa 的荷载，对试样进行预压，待预压固结完成后，卸除荷载及90 cm 长的加载板。
随后，在饱和黏土试样顶部依次铺设滤纸和20am厚的砂垫层，滤纸起到隔离黏土试样和砂垫层的作用，防止黏土试样在固结变形过程中侵入砂垫层而引起砂垫层渗透系数的变化，规避其对地基固结的作用影响，从而使得试验结果及其分析仅仅反映和展现不同渗透系数的砂垫层对地基固结作用的影响。砂垫层铺设完成后，将刚性加载板放置于砂垫层上，再在刚性加载板上安装加载气缸和 4 个位移传感器( 在距离加载板两端 5 cm 处对称布置，标记为 A1 ～ A4) 。将位移传感器和之前饱和黏土试样装样时埋设的微型孔隙水压力传感器与数据采集装置连接并设置初值 并将加载气缸与气压调节器和空压机连接，至此，完成试验的装样过程。试验时，加载分 2 个阶段，第 1 阶段施加 30 kPa的荷载至变形稳定和超孔隙水压力消散完成; 第 2阶段施加 10 kPa 荷载增量，将荷载施加至 40 kPa，直至变形稳定和超孔隙水压力消散完成。
3 结果及分析
3. 1 砂垫层长度对固结作用的影响
即砂垫层渗透系数相同但长度分别为 450 和 600 mm 时，在 0 ～30 kPa 和 30 ～ 40 kPa 加载作用下，黏土试样底部中心超静孔压以及加载板平均沉降量的测试结果。超静孔压随着荷载的增加而增大; 在加载结束后，超静孔压达到峰值; 在恒载阶段，超静孔压逐渐消散。在加载阶段，沉降快速发展; 在恒载阶段，则随着超静孔压消散，沉降速率逐渐变慢。在 0 ～ 30 kPa 加载阶段，超静孔压的峰值达 15. 4 kPa; 在 30 ～ 40 kPa 即 10 kPa 增量加载阶段，超静孔压的峰值约为 8 kPa。超静孔压的峰值明显小于加载量，虽然通过刚性加载板作用在试样上，但不可避免地会引起应力的重分布。另外，本文试验中的平面应变条件也会使得实际作用于试样上的荷载将小于施加的荷载。不过，这并不影响本文对于不同砂垫层长度对固结影响的分析在相同的加载量作用下，所引起的超静孔压的峰值以及最终沉降量基本相同，但是，超静孔压的消散速率和沉降速率却明显不同。
可以看出: 对于长度为 450 mm 的砂垫层，试样达到 90% 固结度的时间均约为 16 h，固结完成时间均约为 40 h; 对于长度为 600 mm 的砂垫层，试样达到 90% 固结度的时间均约为 29 h，固结完成时间均约为 60 h。这说明，土体固结完成的时间与加载量的大小关系不大，而主要取决于土体本身的水力参数、渗流路径以及水力边界条件，这与众所周知的 Terzaghi 一维固结理论以及轴对称固结所得到的结果是一致的。加载量的大小主理论要影响超静孔压的峰值和沉降量，加载量越大，则超静孔压的峰值和沉降量越大。还可以看出: 砂垫层的长度对于固结速率却有着重要的影响 砂垫层越长 则固结速率越慢 固结完成所需要的时间越长; 其原因在于，砂垫层的长度决定了平面应变固结中水平向渗流路径的长短。
3. 2 砂垫层渗透系数对固结作用的影响
即砂垫层长度相同但渗透系数分别为 3. 6 × 10－7 m /s 的掺 20% 黏土 FC20砂和 2. 6×10－5 m /s 的纯净砂时，在 30 ～ 40 kPa 加载作用下，黏土试样中部近顶面处超静孔压以及加载板平均沉降量的测试结果( 孔压测点为上部孔压测点) 。可知:对于渗透系数为3. 6 × 10m /s的掺黏土砂垫层，固结度达到90% 的时间约为16 h，固结完成时间约为30 h。对于渗透系数为2. 6×10m /s 的纯净砂砂垫层，固结度达到90%的时间约为6.5 h，固结完成时间约为15 h。很明显，砂垫层的渗透系数越大，土体超静孔压的消散速率和沉降速率即固结速率则越快。
4结论
1)自主研制了一套平面应变固结试验装置，利用该装置，可以模拟土堤施工，开展加载或堆载条件下的固结试验。
2)采用水平排水砂垫层进行地基预压处理时，砂垫层的渗透系数越大，地基固结速率越快。但是，地基的固结速率并不仅仅取决于砂垫层的渗透系数，砂垫层的长度也是影响地基固结速率的重要设计参数。
3)砂垫层越长，则地基固结速率越慢，固结完成所需要的时间越长，其原因在于，砂垫层的长度决定了土堤等工程平面应变固结中水平向渗流路径的长短。