納米比亞硅藻土的沉降特性

李建宇，宋蘭芳，王征亮，何漢藝

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

硅藻土工程特性尤其是沉降特性在國內外研究較少，目前國際上僅能查閱到墨西哥城和日本大阪關西機場項目關于硅藻土工程性質的相關報道[1-4]，馬秋祝等對本項目硅藻土工程特性、樁基負摩阻力等進行了論述[5-8]，對硅藻土沉降特性以及沉降計算方法尚未形成統(tǒng)一的認識。為分析硅藻土沉降特性，準確評估硅藻土沉降，對硅藻土沉降特性研究是非常有必要的。

1 工程概況

納米比亞某港口項目處于南部非洲區(qū)，項目陸域形成面積約38萬m2，陸域形成標高+5.0 m，吹填6~9 m砂形成陸域，成陸后作為集裝箱碼頭堆場。

2 工程地質

工程所在區(qū)域原地形標高-1.0~-4.0 m，土層自上而下分別為2-1粉土、3-1砂、3-2粉土、4-1砂、4-2砂、4-3粉土、5-1粉土、5-2砂、6砂、7基巖。其中所有砂層均為中密~密實，沉降可忽略；粉土層含有硅藻，為硅藻土層，具有高含水率、低密度等特性，是本文重點研究對象，硅藻土中2-1、3-2分布于表層且僅在部分區(qū)域有揭露；4-3及5-1分布于深部，土層較厚且分布連續(xù)，是決定本工程沉降的關鍵。

3 硅藻土各項指標

3.1 物理、變形指標

硅藻土為綠灰至灰綠色、夾雜淺灰褐色，局部夾薄層至極薄層粉細砂，質輕、多孔。土工試驗結果表明硅藻土含水率172.6%~235.3%，密度為1.19~1.26 g/cm3，孔隙比4.0~5.2，塑限159.0%~187.9%。硅藻土100~200 kPa壓力段的壓縮模量1.2~2.4 MPa，壓縮指數1.79~2.90，各項指標見表1。

表1 硅藻土參數表Table 1 Parameters of diatomite

3.2 原位試驗指標

3-2、4-3及5-1硅藻土平均標貫擊數分別為4.8擊、9.1擊和14擊，按一般黏土標貫擊數與壓縮模量換算關系計算硅藻土壓縮模量分別為4.3 MPa、4.7 MPa和5.3 MPa[9]，CPTU孔壓靜力觸探試驗推算硅藻土豎向平均固結系數為12伊10-3cm2/s。

3.3 試驗指標分析

室內土工試驗表明硅藻土密度遠小于一般黏土或粉土，含水率、孔隙比、壓縮指數遠高于一般黏土及粉土，固結速率與一般黏土相近。標準貫入試驗測試的平均標貫擊數5~14擊，基于標貫換算的壓縮模量與土工試驗獲得的壓縮指標差別較大，這種土具有高強度高壓縮的特性，CPTU試驗推算的固結系數遠大于土工試驗值，原因可能在于這種土結構性強，較難取得不擾動樣。基于硅藻土的特殊性，有必要進行現場堆載試驗以研究硅藻土沉降特性。

4 堆載試驗

4.1 堆載試驗布置

在工程所在區(qū)域，選取約100 m伊100 m的范圍進行現場原位堆載試驗，堆載料為中細砂，回填砂至+4.3 m后繼續(xù)堆載至+8.0 m，堆載砂密度約15 kN/m3，在堆載中心安裝沉降盤、分層沉降儀及孔隙水壓力計。堆載及監(jiān)測儀器布置見圖1。

圖1 堆載及監(jiān)測儀器布置圖Fig.1 Plan of preloading and monitoring equipment

4.2 監(jiān)測結果及分析

4.2.1 表層沉降

布置了8組沉降盤進行表層沉降觀測，8組沉降變化規(guī)律相近，選擇堆載中心位置的沉降監(jiān)測數據進行分析，堆載標高及沉降隨時間變化曲線見圖2。沉降監(jiān)測數據表明，隨著堆載高度的增加，沉降呈線性增加，當堆載至+6.0~7.0 m時，沉降顯著增加，直至滿載+8.0 m沉降速率出現減緩趨勢，并在滿載后約60 d沉降呈現穩(wěn)定的低速率增長。出現這種變化趨勢原因可能為，加載初期堆載荷載小，未超過硅藻土的結構屈服應力，沉降呈現線彈性的變化規(guī)律，但堆載至一定高度后，堆載荷載產生的應力超過了硅藻土結構屈服應力，沉降快速增加并發(fā)生固結沉降，滿載后荷載穩(wěn)定在固定值，固結沉降速率隨時間逐漸降低，并以較低的沉降速率持續(xù)發(fā)展，沉降后期包含主固結沉降和次固結沉降。采用雙曲線法推算最終沉降，雙曲線推算見圖3，推算的最終沉降值為600 mm，截止試驗停止時沉降監(jiān)測值為53 mm，可見在8個月內完成了大部分主固結沉降。

圖2 表層沉降隨時間變化Fig.2 Surface settlement varies with time

圖3 雙曲線示意圖Fig.3 Hyperbolic diagram

4.2.2 分層沉降

共布置了4組分層沉降儀進行深層土體沉降觀測，4組沉降變化規(guī)律相近，選擇堆載中心位置分層沉降進行分析，分層沉降隨時間變化曲線見圖4。沉降監(jiān)測數據表明，分層沉降隨時間變化規(guī)律與表層沉降相同，也證實了具有較高標貫擊數的深層硅藻土確實發(fā)生沉降，同時揭示深層硅藻土沉降小于淺層硅藻土沉降。選擇深層硅藻土頂部的分層沉降點ME3進行固結分析，采用雙曲線法推算的最終沉降為280 mm，截止停止試驗時ME-3的沉降值為202 mm，固結度為72%，依據式（1）反算深層硅藻土固結系數為22伊10-3cm2/s，與CPTU試驗推算的固結系數接近。

式中：Ut為t時刻的固結度，72%；H為深層硅藻土厚度，約20 m，具備雙面排水條件，取10 m；t為時間，d；cv為固結系數（待求）。

圖4 分層沉降隨時間變化Fig.4 Stratified settlement varies with time

4.2.3 孔隙水壓力

共布置了4組孔隙水壓力計進行深層土體孔隙水壓力觀測，4組孔壓隨時間變化規(guī)律相近，選擇堆載中心位置的一組孔壓進行分析，增加的孔隙水壓變化值隨時間變化曲線見圖5?？紫端畨罕O(jiān)測數據表明，最上部孔壓VWP-1和最底部孔壓VWP-7隨時間呈波形變化，變化幅度約為5 kPa，變化規(guī)律與水位變化情況相同，孔壓增加幅度小、消散速度快，原因可能在于該孔壓測點與砂土臨近，該位置硅藻土更多體現砂的排水特性；其余孔壓測點（VWP-2~VWP-6）孔壓隨堆載增高而增大，達滿載時孔壓增加至最大值，由于硅藻土具有結構特性，孔壓增加值小于堆載荷載增加值，隨后孔壓逐步消散，約6個月孔壓消散趨近完成。圖5中在170~190 d孔壓出現短時增加后迅速消散，原因在于在此期間荷載發(fā)生了局部變化。

圖5 孔壓隨時間變化Fig.5 Pore water pressure varies with time

5 沉降計算方法討論

5.1 室內試驗指標沉降計算

采用分層總和法進行沉降計算，計算參數采用室內試驗獲取的壓縮指數Cc、再壓縮指數Cs和前期固結應力Pc，計算公式見式（2）。

式中：Cci為第i分層的壓縮指數；Csi為第i分層的回彈再壓縮指數；e0i為第i分層的初始孔隙比；pci為第i分層的前期固結應力，kPa；p0i為第i分層的現有固結應力，即自重應力，kPa。

經計算，采用室內土工試驗指標計算的理論沉降值為1.95 m，與采用實測沉降數據推算的最終沉降0.6 m有較大的差距，采用室內試驗指標進行沉降計算的方法不理想。

5.2 原位試驗（SPT和CPTU）指標沉降計算

采用分層總和法進行沉降計算，計算參數采用現場原位試驗SPT和CPTU推算的壓縮模量Es，計算公式見式（3）。

式中：駐p為附加荷載，kPa；Es為由現場原位試驗SPT和CPTU推算的壓縮模量，MPa；Hi為土層分層厚度。

經計算，采用原位試驗推算的壓縮模量和現場反算的固結系數計算的固結沉降曲線與實際監(jiān)測沉降曲線比較吻合，沉降計算曲線見圖6。

圖6 理論與實測沉降對比Fig.6 Theoretical comparison with measured settlement

5.3 計算結果分析

采用室內固結壓縮試驗確定的壓縮指數、再壓縮指數計算的理論沉降值與實測值顯著不同，而采用SPT和CPTU原位試驗推算的壓縮參數計算的理論沉降值與實測值較為吻合。原因可能在于，納米比亞硅藻土為結構性土，在勘探取樣及室內土工試驗過程中對土樣產生擾動，導致室內試驗所獲得的土工參數不夠準確。對于該類結構性較強的特殊土，在進行固結沉降計算時，建議采用SPT或CPTU原位試驗推算的壓縮模量和固結系數進行沉降計算。

6 結語

1）納米比亞某項目所遇硅藻土具有低密度、高含水率、高液限、高塑限、高壓縮性、低固結速率等特性，與現場原位SPT及CPTU推算參數不符。

2）表層及分層沉降監(jiān)測數據表明，加載初期堆載荷載小，未超過硅藻土的結構屈服應力，沉降呈線彈性變化規(guī)律，當堆載至一定高度后，應力超過了硅藻土結構屈服應力，沉降快速增加并發(fā)生固結沉降，滿載后荷載穩(wěn)定在固定值，固結沉降速率隨時間逐漸降低，并以較低的沉降速率持續(xù)發(fā)展。同時，分層沉降監(jiān)測數據表明深層硅藻土雖然具有較高的標貫擊數，但仍會發(fā)生沉降，由分層沉降推算的固結系數與CPTU推算的固結系數相近。

3）孔隙水壓監(jiān)測數據表明，最上部孔壓點VWP-1和最底部孔壓點VWP-7臨近砂層，孔壓隨時間呈波形變化，變化幅度?。▋H為5 kPa），變化規(guī)律與水位變化情況相同，孔壓增加幅度小、消散速度快，該位置硅藻土表現出砂的排水特性；其余孔壓測點（VWP-2~VWP-6）孔壓隨堆載增高而增大，達滿載時孔壓增加至最大值，由于硅藻土具有結構特性，孔壓增加值小于堆載荷載增加值，孔壓逐步消散，約6~8個月孔壓消散趨近完成。

4）采用室內固結壓縮試驗確定的壓縮指數、再壓縮指數計算的理論沉降值與實測值顯著不同，而采用SPT和CPTU原位試驗推算的壓縮參數計算的理論沉降值與實測值較為吻合。原因可能在于，納米比亞硅藻土為結構性土，在勘探取樣及室內土工試驗過程中對土樣產生擾動，導致室內試驗所獲得的土工參數不夠準確。對于該類結構性較強的特殊土，在進行固結沉降計算時，建議采用SPT或CPTU原位試驗推算的壓縮模量和固結系數進行沉降計算。