長(zhǎng)江口軟土的壓縮特性及圍堤沉降預(yù)測(cè)分析

楊 亮, 趙忠義, 秦愛芳

(1. 中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 上海200120; 2. 上海大學(xué)土木工程系, 上海200444)

隨著城市建設(shè)用地規(guī)模的不斷擴(kuò)大, 上海港面臨著深水岸線及土地資源發(fā)展空間不足、南北大型港口不斷崛起的問題, 嚴(yán)重制約了上海的發(fā)展. 為解決上海市在土地資源方面遇到的瓶頸, 目前利用圈圍吹填技術(shù), 為擴(kuò)大上海土地資源儲(chǔ)備及提前布局上海未來發(fā)展提供了新途徑.

長(zhǎng)江三角洲地區(qū)廣泛分布著深厚的河相、三角洲相以及海相軟弱黏土, 屬第四系沉積物,沉積厚度最深處可達(dá)數(shù)百米[1]. 長(zhǎng)江入?？诩狭松钏毒€、區(qū)位、可生土地等天然優(yōu)勢(shì), 東面為東海深水區(qū), 南側(cè)為長(zhǎng)江主航道, 北側(cè)為北港航道, 該區(qū)域?qū)ι虾Ｊ形磥淼膽?zhàn)略發(fā)展重要性不言而喻[2]. 上海屬于較為典型的軟土地區(qū), 對(duì)工程影響比較大的軟土層主要為③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(指上海市工程建設(shè)規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》DGJ08—37—2012[3]中地基土層序號(hào), 下同)及其下部的④層淤泥質(zhì)黏土. 軟土普遍具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、受豎向荷載后沉降變形大、沉降持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn). 上海地區(qū)軟土從成因上大致可分為3 個(gè)區(qū)域: 上海市區(qū)典型軟土、崇明島區(qū)域軟土及長(zhǎng)江口軟土, 因區(qū)域不同, 形成條件不同, 工程特性并不完全相同. 目前對(duì)于上海軟土的研究主要集中于上海市區(qū)典型軟土, 針對(duì)其他兩種區(qū)域軟土的工程特性研究較少. 因此, 對(duì)于即將開發(fā)利用的橫沙東灘的長(zhǎng)江口軟土進(jìn)行工程特性研究, 對(duì)于該區(qū)域港口圍堤、道路橋梁等大型建筑工程開發(fā)建設(shè)具有十分重要的意義.

本工作通過對(duì)長(zhǎng)江口某圈圍工程地基原狀土及重塑土進(jìn)行一維固結(jié)、次固結(jié)試驗(yàn), 研究長(zhǎng)江口軟土的固結(jié)、次固結(jié)特性, 分析適用于該區(qū)域軟土的工后沉降預(yù)測(cè)方法, 研究成果可為長(zhǎng)江口地區(qū)工程的開發(fā)建設(shè)提供沉降量、固結(jié)特性、次固結(jié)特性、次固結(jié)系數(shù)等方面的依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)土樣取自長(zhǎng)江口某圈圍工程, 取不同地點(diǎn)的③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土原狀土樣及重塑土樣進(jìn)行試驗(yàn). 土樣物理性質(zhì)指標(biāo)如表1 所示. 切取高2 cm、橫截面積30 cm2的土樣在GJZ-2 型中壓固結(jié)儀上采用分級(jí)加載的方式進(jìn)行試驗(yàn). 試驗(yàn)分為Ⅰ, Ⅱ兩組: Ⅰ組為固結(jié)試驗(yàn), 原狀土, 在圈圍區(qū)4 個(gè)相距較遠(yuǎn)位置鉆孔取土, 每個(gè)孔同一土層取3 個(gè)土樣進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn), 共進(jìn)行24 組試驗(yàn), ③層、④層分別取4 個(gè)代表性土樣進(jìn)行分析; Ⅱ組為不同荷載下的次固結(jié)試驗(yàn), 原狀土、重塑土同一土層取2 個(gè)土樣進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn), 共進(jìn)行8 組試驗(yàn),③層、④層原狀土、重塑土分別取1 個(gè)代表土樣進(jìn)行分析. 具體加載方案如表2 所示.

表1 長(zhǎng)江口軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical parameters of soft clay in Yangtze River Estuary

表2 試驗(yàn)加載方案Table 2 Test loading scheme

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 固結(jié)試驗(yàn)分析

對(duì)不同地點(diǎn)的土樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn),得到③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土的e-lg p 固結(jié)試驗(yàn)曲線, 如圖1 所示. 由圖可知, 同一區(qū)域不同點(diǎn)位的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土均具有相似的固結(jié)特性. 曲線后半段斜率可以得到③層和④層土樣的壓縮指數(shù)CC分別為0.316～0.364 和0.300～0.313. 該結(jié)果在Mesri等[4]所得黏性土壓縮指數(shù)范圍內(nèi), 略大于武朝軍等[5]所得③, ④層上海軟土的壓縮指數(shù)值, 即與上海市區(qū)軟土相比, 長(zhǎng)江口軟土具有更高的壓縮特性, 這主要是因?yàn)殚L(zhǎng)江口軟土沉積年代較近. 因此, 有必要對(duì)該區(qū)域軟土進(jìn)行進(jìn)一步的研究.

圖1 壓縮試驗(yàn)曲線Fig.1 Curves of compression test

2.2 荷載對(duì)次固結(jié)系數(shù)的影響

為研究荷載對(duì)長(zhǎng)江口軟土次固結(jié)系數(shù)的影響, 對(duì)③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土兩個(gè)軟黏土層進(jìn)行次固結(jié)試驗(yàn), 原狀土和重塑土取深度為12.0～12.3 m 的③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和28.0～28.3 m 的④層淤泥質(zhì)黏土, 分別采用方案Ⅱ進(jìn)行試驗(yàn), 試驗(yàn)結(jié)果用e-lg t 關(guān)系整理,如圖2 和3 所示.

圖2 不同荷載下原狀土次固結(jié)試驗(yàn)曲線Fig.2 Curves of secondary consolidation test of undisturbed clays under different loads

圖3 不同荷載下重塑土次固結(jié)試驗(yàn)曲線Fig.3 Curves of secondary consolidation test of remolded clays under different loads

本工作采用文獻(xiàn)[6]的公式計(jì)算次固結(jié)系數(shù),

式中: Δe 為t1, t2時(shí)刻孔隙比差值; t1為主固結(jié)完成時(shí)間; t2為次固結(jié)完成時(shí)間.

圖2 和3 表示兩種原狀土樣及重塑土樣在荷載作用下的次固結(jié)試驗(yàn)變形過程. 由圖可以看出, 在每一級(jí)荷載作用下, 土樣初始?jí)嚎s時(shí)速度較快, 此時(shí)土體中孔隙水排出, 孔隙水壓力逐漸減小, 有效應(yīng)力逐漸增大, 這個(gè)階段的沉降主要是主固結(jié)沉降. 當(dāng)主固結(jié)完成后, 土體的沉降趨于緩慢, 土體壓縮變形表現(xiàn)出隨時(shí)間增大的現(xiàn)象, 該階段的沉降稱為次固結(jié)沉降. 這是由于在有效應(yīng)力作用下, 土骨架的壓縮及土顆粒表面的吸附水膜蠕變產(chǎn)生的.

各土樣次固結(jié)系數(shù)值隨荷載的變化如表3 所示. 由表可知, ③層原狀土的次固結(jié)系數(shù)Cα最大值出現(xiàn)在100 kPa 附近, 為0.023 1; ④層原狀土的次固結(jié)系數(shù)Cα最大值出現(xiàn)在200 kPa 附近, 為0.019 6. 可見, 當(dāng)荷載達(dá)到先期固結(jié)壓力附近時(shí)次固結(jié)系數(shù)達(dá)到最大值, 而重塑土的次固結(jié)系數(shù)變化不明顯. 重塑土由于土骨架結(jié)構(gòu)遭到破壞, 次固結(jié)作用減小, 次固結(jié)系數(shù)小于原狀土次固結(jié)系數(shù).

表3 次固結(jié)系數(shù)Table 3 Consolidation coefficient

將表3 所得荷載與次固結(jié)系數(shù)的關(guān)系整理成圖4. 由圖可以看出, 原狀土與重塑土試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)出明顯的差異性. 原狀土的次固結(jié)系數(shù)與荷載有關(guān), 且當(dāng)荷載小于先期固結(jié)壓力時(shí), 次固結(jié)系數(shù)呈現(xiàn)增大趨勢(shì); 當(dāng)荷載大于先期固結(jié)壓力時(shí), 次固結(jié)系數(shù)呈減小趨勢(shì), 并最終趨于穩(wěn)定. 原因可解釋如下: 隨著荷載增大到先期固結(jié)壓力, 土體接近正常固結(jié)狀態(tài), Cα達(dá)到最大值;當(dāng)荷載超過先期固結(jié)壓力, 土骨架及土顆粒表面吸附水膜的膠結(jié)作用增大, 阻礙次固結(jié)變形的能力增強(qiáng), Cα減小; 隨著荷載的進(jìn)一步增大, 土體結(jié)構(gòu)遭到破壞, 此時(shí)Cα趨于穩(wěn)定值. 該結(jié)果與余湘娟等[7]、雷華陽等[8]所得結(jié)論相同. 而重塑土的次固結(jié)系數(shù)則隨荷載的增大變化不明顯, 主要是由于土體結(jié)構(gòu)遭到破壞, 這說明重塑土的次固結(jié)系數(shù)與荷載無關(guān), 也說明土結(jié)構(gòu)對(duì)次固結(jié)影響較大. 孫德安等[9]得到20 m 深度上海典型軟土④層淤泥質(zhì)黏土的次固結(jié)系數(shù)最大值小于0.015, 而本工作所得長(zhǎng)江口軟土次固結(jié)系數(shù)最大值約為0.020, 大于上海典型軟土所得次固結(jié)系數(shù), 即長(zhǎng)江口軟土具有更明顯的次固結(jié)特性.

從表2數(shù)據(jù)可知，Cd、Pb為我國(guó)垃圾焚燒廠飛灰中的主要超標(biāo)污染物，如本次檢測(cè)中N市、C市和SW市3座城市垃圾焚燒廠的夏季原灰中Pb均超過標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的限值，分別為限值的18.4、32.2和24.0倍。在飛灰中Cr的浸出可能性普遍較低，從取樣測(cè)試數(shù)據(jù)來看，其浸出濃度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的限值；而重金屬Zn、Cu的標(biāo)準(zhǔn)限值分別為100 mg/L和40 mg/L，比其他重金屬元素的填埋浸出濃度限值高很多，通常情況下不容易超標(biāo)。因此，該飛灰樣品中的主要超標(biāo)重金屬為Pb、Cd和Ni，將著重進(jìn)行這3種容易超標(biāo)重金屬的穩(wěn)定化研究。

圖4 荷載與次固結(jié)系數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between loads and secondary consolidation coefficient

3 長(zhǎng)江口軟土的工程特性

3.1 上海不同區(qū)域軟土的成因

上海不同區(qū)域軟土的成因不同[1,10]: (1)上海市區(qū)典型軟土主要位于市區(qū)內(nèi), 第四紀(jì)時(shí)期, 在江、湖、海的交互作用下, 經(jīng)過沉積、沖刷、再沉積的反復(fù)作用過程而形成, 對(duì)工程影響比較大的軟土為③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和④層淤泥質(zhì)黏土, 軟土大部分頂層埋深在-4 m 左右, 呈條帶狀結(jié)構(gòu), 中間夾薄層粉砂, 間斷而不連續(xù), 多呈透鏡體, 厚度不均; (2)崇明島區(qū)域的軟土由泥沙在長(zhǎng)江口長(zhǎng)期沉積而形成, 為新近沉積土層, 土的性質(zhì)比較差, 軟土埋置較深, 在-12～-20 m 之間, 因受后期粉土侵蝕, 缺失③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層, 僅部分區(qū)域分布有④層淤泥質(zhì)黏土, 厚薄不均, 含有較多的有機(jī)質(zhì), ③層下較多為粉質(zhì)黏土; (3)長(zhǎng)江口軟土為崇明島東南方長(zhǎng)江口主航道區(qū)域軟土, 其土層的沉積主要受長(zhǎng)江口的變遷影響, 黏性土與砂土相間成層, 沉積年代較近, 軟土埋置較深, 其中對(duì)工程影響較大的③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度不大, 但厚度變化較大, 部分地方缺失, 分布不穩(wěn)定, ④層淤泥質(zhì)黏土厚度較大, 分布穩(wěn)定, 兩層軟土均夾粉砂薄層.

3.2 上海不同區(qū)域軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)

將本試驗(yàn)所得長(zhǎng)江口軟土的物理參數(shù)(見表1)與上海其他區(qū)域軟土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)[1,9](見表4)進(jìn)行對(duì)比, 可以看出: 本試驗(yàn)所得長(zhǎng)江口軟土的天然含水率及初始孔隙比均大于上海市區(qū)及崇明島區(qū)域軟土, 而其壓縮模量遠(yuǎn)小于上海市區(qū)及崇明島區(qū)域軟土. 可見, 長(zhǎng)江口軟土與典型上海軟土及崇明島區(qū)域軟土均有較大差異性, 在長(zhǎng)江口區(qū)域進(jìn)行圈圍吹填及開發(fā)建設(shè)時(shí), 必須對(duì)該區(qū)域軟土進(jìn)行研究.

表4 上海其他區(qū)域軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 4 Physical parameters of soft clays in other areas of Shanghai

4 沉降計(jì)算與預(yù)測(cè)分析

為了考慮次固結(jié)沉降, 殷建華等[11-14]建立了一維彈黏塑性本構(gòu)模型, 但由于該模型需要求解耦合方程, 計(jì)算較為復(fù)雜, 隨后提出了考慮蠕變的沉降計(jì)算方法,

式中: S 為壓縮量(mm); U 為固結(jié)度; Sf為主固結(jié)壓縮量(mm); Cαe為蠕變系數(shù); e0為初始孔隙比; t0為主固結(jié)完成時(shí)間(1 d); te為等效蠕變時(shí)間.

但該方法在固結(jié)時(shí)間的確定上存在缺陷, 目前考慮次固結(jié)沉降的計(jì)算大多在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修正. 本工作采用文獻(xiàn)[11]基于長(zhǎng)江口軟土壓縮特性對(duì)式(2)進(jìn)行修正得到

式中: Si為第i 層土的壓縮量(mm); Ui為第i 層土的固結(jié)度; Sfi為第i 層主固結(jié)壓縮量(mm);Cαi為第i 層土的次固結(jié)系數(shù); t0i為第i 層土在工程條件下主固結(jié)完成時(shí)間(d); Hi為第i 層土的厚度(mm). 利用式(3)可以計(jì)算及預(yù)測(cè)任意時(shí)間點(diǎn)的沉降量.

對(duì)該圈圍工程進(jìn)行圍堤沉降監(jiān)測(cè), 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于東堤E2200 坐標(biāo). 圍堤下地基主要分為5 個(gè)土層: ①1粉砂層, ②3-1粉砂層, ③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層, ④淤泥質(zhì)黏土層, ⑤1粉質(zhì)黏土層.表5 為各土層物理性質(zhì)指標(biāo). 取該工程2016 年4 月4 日至2018 年2 月21 日現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)沉降計(jì)算方法的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證, 現(xiàn)場(chǎng)加載情況及沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表6 和7 所示. 圍堤最終堆載高度為9.6 m, 壩頂標(biāo)高+8.5 m, 平均潮位+2.02 m, γ =19.3 kN·m-3, 加載完成后圍堤對(duì)下部軟土地基施加的豎向荷載為pn=154.7 kPa.

表5 各土層物理性質(zhì)指標(biāo)Table 5 Physical parameters of clay layers

表6 現(xiàn)場(chǎng)加載情況Table 6 Situation of on-site loading

表7 現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Table 7 Field settlement monitoring data

表8 壓縮量計(jì)算值Table 8 Calculation values of compression

工程中常利用現(xiàn)場(chǎng)近期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù), 結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)沉降變形與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行雙曲線、指數(shù)曲線擬合來預(yù)測(cè)下一階段沉降, 其中沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式考慮了由蠕變引起的次固結(jié)沉降,

式中: s 為沉降量(mm); s0為1 mm; t0為1 d; ht為無量綱參數(shù); Ct為無量綱參數(shù), 反映土體蠕變速度; M 為過程參數(shù).

下面用第593 天的監(jiān)測(cè)沉降預(yù)測(cè)第685 天的沉降, 初始值t1=0 d, s1=0 mm, t2=262 d,s2=769 mm, t3=593 d, s3=913 mm, 其中t3為近期某一監(jiān)測(cè)時(shí)間, t2約為t3的中值附近監(jiān)測(cè)時(shí)間. 將上述參數(shù)代入式(4)得到沉降量s 的表達(dá)式:

由式(5)預(yù)測(cè)第685 天沉降量為949 mm, 與監(jiān)測(cè)值相比誤差約為1%, 預(yù)測(cè)第990 天沉降量為1 019 mm, 與監(jiān)測(cè)值相比誤差為7.83%.

采用同上方法, 用第685 天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)第990 天的沉降, 此時(shí)t1= 0 d, s1= 0 mm,t2= 345 d, s2= 828 mm, t3= 685 d, s3= 927 mm, 到第990 天的沉降量為999 mm, 與監(jiān)測(cè)值相比誤差為5.71%. 通過式(4)預(yù)測(cè)的沉降值, 預(yù)測(cè)時(shí)間越接近與監(jiān)測(cè)值吻合越好. 監(jiān)測(cè)值與兩條擬合曲線預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5 所示.

圖5 沉降實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)值對(duì)比Fig.5 Comparisons between values of measured and predicted settlement

由殷建華[11]的一維彈黏塑性模型得到的改進(jìn)方法預(yù)測(cè)軟土地基圍堤沉降, 雖然需要已知具體的初始孔隙比、次固結(jié)系數(shù)等試驗(yàn)參數(shù), 且相關(guān)試驗(yàn)往往周期較長(zhǎng), 但其沉降計(jì)算不受現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)沉降的影響, 誤差較為穩(wěn)定. 用沉降擬合曲線方法預(yù)測(cè), 雖然計(jì)算及預(yù)測(cè)較為方便, 但受t2, s2及t3, s3即現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)值的影響較大. 具體選用何種方法可視工程情況而定.

5 結(jié) 論

(1)長(zhǎng)江口淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土壓縮指數(shù)為0.316～0.364,淤泥質(zhì)黏土壓縮指數(shù)為0.267～0.313.

(2) 原狀土的次固結(jié)系數(shù)與荷載有關(guān), 且隨著荷載增大, 次固結(jié)系數(shù)先增大后減小, 最后趨于穩(wěn)定. 重塑土的次固結(jié)系數(shù)與荷載無關(guān).

(3) 長(zhǎng)江口軟土與典型上海市區(qū)軟土及崇明島區(qū)域軟土的物理性質(zhì)指標(biāo)存在一定差異, 含水率、壓縮指數(shù)、次固結(jié)系數(shù)均略大于典型上海市區(qū)軟土, 因此有必要對(duì)長(zhǎng)江口軟土的固結(jié)、次固結(jié)特性進(jìn)行有針對(duì)性的研究.

(4) 采用改進(jìn)的考慮次固結(jié)的沉降計(jì)算方法及擬合方法預(yù)測(cè)后期沉降, 與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均吻合較好.