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.浙江省水利防災減災重點實驗室,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

現階段,浙江省溫州、臺州等浙東沿海地區(qū),正在大規(guī)模推進圍區(qū)吹填海積淤泥質土造陸,其過程主要分2個階段,一是海積淤泥吹填施工階段,將海積淤泥土經機械松動、擾動、與水混合成泥漿,用管道吹至場區(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度要求,以便適用于工業(yè)或農業(yè)用地。就地取材的海積淤泥質土,在筑堤和填涂造陸施工中經人工水力搬運后,狀態(tài)極為松散,且含水率極高,處于泥漿狀態(tài),需進行脫水加固處理。但在處理前,需根據造陸的高程和強度要求,對吹填到圍區(qū)內的吹填土總量進行合理判斷。為此,本文根據吹填重塑土抗剪強度—有效應力—含水率的唯一對應關系,分析推導了含水率與強度、下沉量與含水率的計算方法,為合理、便捷地進行吹填土控制的預測與分析創(chuàng)造條件。

2 吹填土含水率與強度關系的分析

對于原狀濱海淤泥質土,DBJ 10—90《浙江省建筑軟弱地基基礎設計規(guī)范》附表3-2中提出了土的天然含水率w與地基承載力標準值fk的關系(見表1):

表1 土的天然含水率w與地基承載力標準值fk的關系表

吹填重塑土不同于原狀土,其含水率與強度關系據Henkel[1]、魏汝龍[2]、錢家歡[3]的研究,在正常固結條件下,重塑土具有抗剪強度—有效應力—含水率 (或抗剪強度—孔隙壓力—體積變化)之間存在唯一的對應關系,而與試驗方法(排水或不排水)和荷重路徑無關。

因在半對數圖上正常固結重塑土的孔隙比ec與固結壓力σc之間存在單一線性關系,即:

式中:cc為壓縮指數;elkPa為壓力1 kPa時的孔隙比。

另外,在CU試驗中正常固結重塑土的強度線在τ-σ平面內為通過原點的直線,因此有:

式中:qf為正常固結重塑土的強度,kPa;β為極限應力圓的連線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)三相關系分析,土體孔隙比、飽和度、含水率、土粒比重存在如下關系式:

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度 qf相對應的含水率wqf關系:

式(5)建立了強度與含水率的關系,適用于有明顯強度的正常固結重塑土。因現場含水率測試比強度測試方便快捷得多,通式(5)可將吹填土加固的強度控制轉化為較簡易的含水率控制。

3 吹填土下沉量簡易計算推導

從機理上分析,飽和軟土地基在荷載作用下,沉降主要由瞬時沉降、固結沉降、次固結沉降組成。

瞬時沉降(Sd)是在荷載作用下立即發(fā)生的沉降。對于飽和軟黏土地基來說,變形是在體積不變情況下由負荷區(qū)域下剪應變引起的,當黏土的滲透性很低時,則幾乎不發(fā)生排水。

固結沉降(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,應力增量轉移到土骨架上引起土體的壓縮而發(fā)生的沉降。

次固結沉降(Ss)主要部分是指有效應力不變的情況下發(fā)生的蠕變沉降。

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

式中:S為最終沉降量,cm;n為壓縮層范圍的土層數;e1i為第i土層在平均自重和平均附加固結應力作用下的孔隙比;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1.0～1.8,可按地區(qū)經驗選取。

從式(6)可知,要采用分層總和法計算沉降量,除了地基土合理分層和確定適宜的修正系數外,必須可靠確定 e1i、e2i,而e1i、e1i則需要從土體壓縮試驗e-p或e-log p曲線成果中獲得。一般情況下,吹填淤泥質土含固率為15%～25%,初始含水率可高達300%～ 800%,靜置沉淀濾水后含水率仍達90%～130%,因此吹填土為流動狀的浮泥或流泥,無法通過壓縮試驗獲取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)中達到加固要求的含水率可通過式 (5)或直接現場實測得出。利用該式可估算吹填土下沉量,該量實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 吹填土下沉量簡易計算應用分析

(1)對難以通過壓縮試驗獲取 e-p或e-log p曲線成果,可用式(7)計算吹填土的下沉量;對于能夠獲量e-p或e-logp曲線成果的,則可進一步驗證對比吹填土的固結沉降量,此時式(7)取 m=1.0、n=1,對應單層大面積均質吹填土,飽和度為1.0時,吹填土的固結沉降量Sc=(w1-w2)×Gs×h1/(1+w1×Gs)。

(2)在吹填土工程加固處理完成時,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)進度與投資。填筑面高程控制除了需進行典型段現場試驗確定外,前期合理估算吹填土超填比α同樣是一項重要內容。

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:

參照有關淤泥積土吹填工程資料,本文取Sr1=Sr2=1.0,w1=90%～130%,w2=50%～65%;當黏粒含量占40%～60%,粉粒含量占60%～40%時,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算結果表

在土工試驗及工程實踐中,通常將土飽和度大于等于95%時視同飽和土。為了探討吹填土加固后近似飽和(取Sr1=1.0、Sr2=0.95)對超填比的影響。考慮單一吹填土層,代入公式 (8),則相應吹填土超填比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定對吹填土超填比的估算結果有一定的影響。

上述計算僅適用于Gs不變的排水固結處理方法。

5 結 語

在吹填海積淤泥質土造陸工程中,吹填土的強度和下沉量是2項重要的控制指標。本文從正常固結重塑土具有抗剪強度—有效應力—含水率之間存在唯一的對應關系出發(fā),分析了吹填土含水率與強度的關系、推導了下沉量簡易計算方法,并對下沉量計算進行了應用探討。傳統(tǒng)的沉降量計算方法,以孔隙比與固結壓力的曲線關系為基礎,無法直接對吹填土進行沉降分析,且其結果不僅受土的物理指標影響,而且還受與力的大小計算值的影響;本文提出的吹填土下沉量計算方法僅包括土的含水率、密度、飽和度及厚度等4個最基本的物理指標,其測試方法可靠、簡便,計算結果影響因素少,便于工程應用。

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

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

[3]錢家歡.土工原理與計算 [M].北京:中國水利水電出版社,1996.