等效壤质土开发与大规模托盘模型试验制备技术

《Geotechnics》：Development of an Equivalent Loamy Soil and Preparation Technology for Large-Scale Tray Model Testing

　　

深层土壤固结（deep soil cementation）广泛用于加固弱土；然而注浆砂浆的有效性在很大程度上取决于其渗透能力以及与原位土壤条件的相互作用。本研究旨在开发并验证一种用于大规模托盘模型试验的等效壤质土（equivalent loamy soil）制备方法，该试验用于后续深层土壤固结与注浆技术研究。研究重点复现代表阿斯塔纳工程地质条件的天然土壤密度、含水率与应力条件。模型土通过复现天然密度与湿度参数制备，目标天然容重为1.85 g/cm3，实测平均天然密度为1.88 g/cm3，含水率为13.3%，上覆压力采用刚性固定盖板模拟。室内试验测定稠度界限（塑性下限14.42%、液限19.75%），表明土壤处于半固态至固态。加水量与实现含水率之间建立强相关（R = 0.99），达到目标条件需最优加水量18,900 cm3。压实试验显示，根据层深不同需20–50次滚筒压实，最终密度达1.85–1.88 g/cm3。结果证实所提建模方法可可靠复现原位条件，并可有效用于弱土加固中注浆砂浆性能评价。

《Geotechnics》刊载的该研究面向深层土壤固结（deep soil cementation，向土体注入水泥基浆液以改良力学性质）工程需求。既有问题集中于：注浆砂浆在弱土中的渗透能力高度依赖原位密度、含水率与约束条件，而哈萨克斯坦阿斯塔纳广泛分布壤质土（loamy soil），既有物理模型多追求几何与力学相似，难以为注浆试验提供可重复、近原位的土体底座。因此研究人员放弃严格动力相似，转而通过复现真实密度、含水率与表面约束来制备等效壤质土，为后续注浆砂浆渗透与加固体形成试验建立受控平台。

研究人员以阿斯塔纳常见壤质土为对象，测定其阿特伯格界限（Atterberg limits，表征细粒土稠度状态的塑限与液限）、天然与松干密度、分层压实响应，并用刚性固定盖板模拟上覆约束。结论是该制备工艺可稳定复现天然容重1.85 g/cm³、天然含水率13.3%及层间累计压实效应，意义重大在于把“土体底座可重复制备”从经验操作提升为可量化控制流程，支撑注浆砂浆比较试验。

关键技术方法包括：按GOST 51180与GOST 5180-2015测定液限、塑限、天然密度与松干密度；以50 cm × 100 cm托盘、总填高75 cm、分5层每层15 cm放置土料，用12 kg滚筒按10至70次递增压实并测层内与下卧层密度；按土层体积75,000 cm³计算加水量，拌和后压实取样校验含水率；以刚性固定盖板提供表面约束而非真实上覆压力。样本为阿斯塔纳场地天然壤质土。

3.1 壤质土稠度试验结果：研究人员通过多次塑限、液限与天然含水率测定，得到塑限均值14.42%、液限19.75%、塑性指数5.33%、液性指数均值?0.22；天然含水率10.3%–15.2%且多数样品低于塑限，故判定土壤处于半固态至固态（semi-solid to solid state）。

3.2 土壤密度与含水率试验结果：天然态壤质土密度1.78–1.94 g/cm³、均值1.88 g/cm³，松干态均值1.48 g/cm³；加水量与实测含水率呈R = 0.99近似线性，实现天然含水率13.3%需加水18,900 cm³；单靠表层50次滚筒压实可达1.86 g/cm³。层间效应显示：上覆层压实会再压缩下卧层，压实系数（compaction coefficient）达1.01–1.15；分5层时底层20次、上层50次可将各层密度控制在1.85–1.88 g/cm³，避免下卧层过压。

卡萨格兰德塑性图（Casagrande plasticity chart）将土壤定类为低塑性粉质黏土CL–ML（统一土壤分类系统 Unified Soil Classification System 中低塑性细粒土）。

讨论部分指出：加水量—含水率强相关被用于工艺参数而非仅分类指标；分层压实必须计入累计层间效应；1:25仅几何比例，无完整力学相似，刚性盖板提供约束但不给定上覆压力，托盘边界与粒径比会影响注浆结果，因此模型应作受控密度与含水率下的注浆行为比较，而非全尺度定量复现。未来应拓展砂质黏土、粉土及不同流变浆液，并结合数值模拟。

结论部分译为：开发了用于大规模托盘试验的等效壤质土制备法，可复现阿斯塔纳工程地质条件下的含水率、密度与约束；室内表征确认壤质土处半固态至固态，适合制样；加水量与含水率强相关（R = 0.99）可实现天然湿度复现；分层压实经优化能稳定达到原位密度；该方法为深层土壤固结物理模型与注浆评价提供实用基础。