吹填土強(qiáng)度與下沉量分析計(jì)算探討

陳秀良,張超杰,俞炯奇

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

現(xiàn)階段,浙江省溫州、臺(tái)州等浙東沿海地區(qū),正在大規(guī)模推進(jìn)圍區(qū)吹填海積淤泥質(zhì)土造陸,其過程主要分2個(gè)階段,一是海積淤泥吹填施工階段,將海積淤泥土經(jīng)機(jī)械松動(dòng)、擾動(dòng)、與水混合成泥漿,用管道吹至場(chǎng)區(qū),重新淤積和沉淀;二是吹填淤泥加固階段,加固后的吹填淤泥需滿足某一高程和強(qiáng)度要求,以便適用于工業(yè)或農(nóng)業(yè)用地。就地取材的海積淤泥質(zhì)土,在筑堤和填涂造陸施工中經(jīng)人工水力搬運(yùn)后,狀態(tài)極為松散,且含水率極高,處于泥漿狀態(tài),需進(jìn)行脫水加固處理。但在處理前,需根據(jù)造陸的高程和強(qiáng)度要求,對(duì)吹填到圍區(qū)內(nèi)的吹填土總量進(jìn)行合理判斷。為此,本文根據(jù)吹填重塑土抗剪強(qiáng)度—有效應(yīng)力—含水率的唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系,分析推導(dǎo)了含水率與強(qiáng)度、下沉量與含水率的計(jì)算方法,為合理、便捷地進(jìn)行吹填土控制的預(yù)測(cè)與分析創(chuàng)造條件。

2 吹填土含水率與強(qiáng)度關(guān)系的分析

對(duì)于原狀濱海淤泥質(zhì)土,DBJ 10—90《浙江省建筑軟弱地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》附表3-2中提出了土的天然含水率w與地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk的關(guān)系(見表1):

表1 土的天然含水率w與地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk的關(guān)系表

吹填重塑土不同于原狀土,其含水率與強(qiáng)度關(guān)系據(jù)Henkel[1]、魏汝龍[2]、錢家歡[3]的研究,在正常固結(jié)條件下,重塑土具有抗剪強(qiáng)度—有效應(yīng)力—含水率 (或抗剪強(qiáng)度—孔隙壓力—體積變化)之間存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而與試驗(yàn)方法(排水或不排水)和荷重路徑無(wú)關(guān)。

因在半對(duì)數(shù)圖上正常固結(jié)重塑土的孔隙比ec與固結(jié)壓力σc之間存在單一線性關(guān)系,即:

式中:cc為壓縮指數(shù);elkPa為壓力1 kPa時(shí)的孔隙比。

另外,在CU試驗(yàn)中正常固結(jié)重塑土的強(qiáng)度線在τ-σ平面內(nèi)為通過原點(diǎn)的直線,因此有:

式中:qf為正常固結(jié)重塑土的強(qiáng)度,kPa;β為極限應(yīng)力圓的連線kf的斜率,

將式(2)代入式(1)得:

另外,從土的固(土顆粒)、液(水)、氣(空氣)三相關(guān)系分析,土體孔隙比、飽和度、含水率、土粒比重存在如下關(guān)系式:

式中:Sr為土體的飽和度,%;e為土體的孔隙比;w為土體的含水率,%;Gs為土粒比重。

就吹填土而言,土體是充分飽和的,即 Sr=1。將式(4)代入式(3)可得與正常重塑土強(qiáng)度 qf相對(duì)應(yīng)的含水率wqf關(guān)系:

式(5)建立了強(qiáng)度與含水率的關(guān)系,適用于有明顯強(qiáng)度的正常固結(jié)重塑土。因現(xiàn)場(chǎng)含水率測(cè)試比強(qiáng)度測(cè)試方便快捷得多,通式(5)可將吹填土加固的強(qiáng)度控制轉(zhuǎn)化為較簡(jiǎn)易的含水率控制。

3 吹填土下沉量簡(jiǎn)易計(jì)算推導(dǎo)

從機(jī)理上分析,飽和軟土地基在荷載作用下,沉降主要由瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降組成。

瞬時(shí)沉降(Sd)是在荷載作用下立即發(fā)生的沉降。對(duì)于飽和軟黏土地基來(lái)說,變形是在體積不變情況下由負(fù)荷區(qū)域下剪應(yīng)變引起的,當(dāng)黏土的滲透性很低時(shí),則幾乎不發(fā)生排水。

固結(jié)沉降(Sc)是由于外荷載引起超孔隙水壓力的水力梯度促使水從土中排出,應(yīng)力增量轉(zhuǎn)移到土骨架上引起土體的壓縮而發(fā)生的沉降。

次固結(jié)沉降(Ss)主要部分是指有效應(yīng)力不變的情況下發(fā)生的蠕變沉降。

基于簡(jiǎn)便實(shí)用的原則,規(guī)范推薦分層總和法作為常規(guī)沉降量計(jì)算方法,即用修正系數(shù)綜合考慮初始沉降、次固結(jié)沉降的分層總和法。計(jì)算公式為:

式中:S為最終沉降量,cm;n為壓縮層范圍的土層數(shù);e1i為第i土層在平均自重和平均附加固結(jié)應(yīng)力作用下的孔隙比;e2i為第e1i土層在平均自重和平均附加應(yīng)力共同作用下的孔隙比;hi為第i土層的厚度,cm;m為修正系數(shù)1.0～1.8,可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)選取。

從式(6)可知,要采用分層總和法計(jì)算沉降量,除了地基土合理分層和確定適宜的修正系數(shù)外,必須可靠確定 e1i、e2i,而e1i、e1i則需要從土體壓縮試驗(yàn)e-p或e-log p曲線成果中獲得。一般情況下,吹填淤泥質(zhì)土含固率為15%～25%,初始含水率可高達(dá)300%～ 800%,靜置沉淀濾水后含水率仍達(dá)90%～130%,因此吹填土為流動(dòng)狀的浮泥或流泥,無(wú)法通過壓縮試驗(yàn)獲取e-p或e-log p曲線成果,但可以考慮不用壓縮曲線而直接用含水率計(jì)算。

將式(4)代入式(6),并考慮吹填土加固后飽和度可能的變化,則可得到:

式中:w1i、w2i為第i層吹填土加固前后的含水率,%;hi為第i層吹填土加固前的厚度,cm;Gsi為第i層吹填土的土粒比重;Sri2為第i層吹填土加固后土體的飽和度。

式(7)中達(dá)到加固要求的含水率可通過式 (5)或直接現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出。利用該式可估算吹填土下沉量,該量實(shí)際是淤泥吹填階段的超吹填厚度,也反映出吹填土的超填比大小。

4 吹填土下沉量簡(jiǎn)易計(jì)算應(yīng)用分析

(1)對(duì)難以通過壓縮試驗(yàn)獲取 e-p或e-log p曲線成果,可用式(7)計(jì)算吹填土的下沉量;對(duì)于能夠獲量e-p或e-logp曲線成果的,則可進(jìn)一步驗(yàn)證對(duì)比吹填土的固結(jié)沉降量,此時(shí)式(7)取 m=1.0、n=1,對(duì)應(yīng)單層大面積均質(zhì)吹填土,飽和度為1.0時(shí),吹填土的固結(jié)沉降量Sc=(w1-w2)×Gs×h1/(1+w1×Gs)。

(2)在吹填土工程加固處理完成時(shí),若發(fā)生填筑面高程過低或過高的問題,都將直接影響工程后續(xù)進(jìn)度與投資。填筑面高程控制除了需進(jìn)行典型段現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定外,前期合理估算吹填土超填比α同樣是一項(xiàng)重要內(nèi)容。

僅就吹填土單一土層而言,超填比α定義為吹填土初始厚度h1與吹填土壓縮后的厚度 h2之比,則:

參照有關(guān)淤泥積土吹填工程資料,本文取Sr1=Sr2=1.0,w1=90%～130%,w2=50%～65%;當(dāng)黏粒含量占40%～60%,粉粒含量占60%～40%時(shí),吹填重塑土的比重Gs一般可取2.69～2.71,則吹填土的超填比為1.245～1.921(見表2)。

表2 不同吹填土壓縮前后含水率、土粒比重情況下超填比計(jì)算結(jié)果表

在土工試驗(yàn)及工程實(shí)踐中,通常將土飽和度大于等于95%時(shí)視同飽和土。為了探討吹填土加固后近似飽和(取Sr1=1.0、Sr2=0.95)對(duì)超填比的影響?？紤]單一吹填土層,代入公式 (8),則相應(yīng)吹填土超填比α為1.204～1.864,相比減少了4.0%～5.6%。因此,吹填土加固后的不同飽和度的測(cè)定對(duì)吹填土超填比的估算結(jié)果有一定的影響。

上述計(jì)算僅適用于Gs不變的排水固結(jié)處理方法。

5 結(jié) 語(yǔ)

在吹填海積淤泥質(zhì)土造陸工程中,吹填土的強(qiáng)度和下沉量是2項(xiàng)重要的控制指標(biāo)。本文從正常固結(jié)重塑土具有抗剪強(qiáng)度—有效應(yīng)力—含水率之間存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系出發(fā),分析了吹填土含水率與強(qiáng)度的關(guān)系、推導(dǎo)了下沉量簡(jiǎn)易計(jì)算方法,并對(duì)下沉量計(jì)算進(jìn)行了應(yīng)用探討。傳統(tǒng)的沉降量計(jì)算方法,以孔隙比與固結(jié)壓力的曲線關(guān)系為基礎(chǔ),無(wú)法直接對(duì)吹填土進(jìn)行沉降分析,且其結(jié)果不僅受土的物理指標(biāo)影響,而且還受與力的大小計(jì)算值的影響;本文提出的吹填土下沉量計(jì)算方法僅包括土的含水率、密度、飽和度及厚度等4個(gè)最基本的物理指標(biāo),其測(cè)試方法可靠、簡(jiǎn)便,計(jì)算結(jié)果影響因素少,便于工程應(yīng)用。

[1]亨開爾D.J..飽和重塑粘土的抗剪強(qiáng)度 [R]//不詳.粘性土抗剪強(qiáng)度譯文集 [M].北京:科學(xué)出版社,1965.

[2]魏汝龍.正常壓密飽和黏土的抗剪強(qiáng)度理論 [J].巖土工程學(xué)報(bào),1985,7(1):1-14.

[3]錢家歡.土工原理與計(jì)算 [M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1996.