熊站，汪明元，陳晶金，單治鋼，嚴(yán)乾，王亞軍*

（1.浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江 舟山 316022；2.中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)和人口的膨脹，沿海城市面臨著嚴(yán)峻的土地資源短缺形勢(shì)，而沿海地區(qū)有超過(guò)217萬(wàn)hm2的潮汐帶，潮汐帶的圍墾是一種主要的解決土地資源短缺問(wèn)題的方式。用于潮汐帶圍墾的主要吹填土來(lái)自于附近的海底沉積物，由于吹填土不良的物理性質(zhì)，對(duì)其改良是很有必要的，而真空預(yù)壓被廣泛用來(lái)處理吹填土[1-2]。但真空預(yù)壓處理吹填土存在一個(gè)難題，即真空度通常是一次性設(shè)定為80 kPa，由于真空吸力將孔隙水排出土體的同時(shí)，大量黏粒隨水遷移至排水板周?chē)纬赡嗄?，造成排水板淤堵，降低排水固結(jié)效率[3-5]。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以舟山近海沉積的海相軟土為研究對(duì)象，采用間歇式分級(jí)真空預(yù)壓的方法，即分級(jí)施加荷載，且每抽真空一段時(shí)間后卸載真空，分析孔隙水壓力、沉降量、排水量、含水率、密度和十字板剪切強(qiáng)度等各項(xiàng)參數(shù)來(lái)反映海相軟土的排水固結(jié)效果。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)土樣

本文試驗(yàn)研究所用海相軟土取土位置在長(zhǎng)峙島海域一側(cè)（東經(jīng) 122°10′48″，北緯 29°58′48″）。長(zhǎng)峙島在經(jīng)歷幾次不同規(guī)模的圍海造陸作用后，海岸堆沉積特點(diǎn)愈加突出，由此形成的是大量的泥質(zhì)海灘，海岸及潮差帶均分布有大范圍、極深厚的海相軟土[7-8]。

海相軟土的物理性質(zhì)如表1所示，含水率高、初始孔隙比大、呈流塑狀，塑性指數(shù)10＜IP＜17，液限 WL＜50%，依據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》應(yīng)將其定名為低液限粉質(zhì)黏土。該粉質(zhì)黏土的活性指數(shù)大于1.25，屬于活動(dòng)黏性土，礦物的親水性較好。

表1 海相軟土的性質(zhì)Table 1 The properties of the marine soft soil

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)過(guò)程中將進(jìn)行真空度、孔隙水壓力、表層沉降量的監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)裝置主要由模型桶、真空泵（功率3.85 kW）、水氣分離瓶、排水板、真空管、自制鐵架（用于固定排水板和孔隙水壓力計(jì)）等組成；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括真空表、微型孔隙水壓力計(jì)（CYY2型）、直尺、電子秤。試驗(yàn)使用的材料有密封膜、土工織物、膠布、玻璃膠等。試驗(yàn)中所使用的排水板寬度和厚度分別為10 cm、0.4 cm，濾膜的滲透系數(shù)＞0.005 cm/s，等效直徑為0.012 cm。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.1 Schematic diagram of test cell

1.3 試驗(yàn)步驟

將攪拌均勻的軟土逐層倒入試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯爸?，至土樣初始高度?80 mm，軟土表層上鋪1層有紡?fù)凉げ己?層土工膜，密封膜插入模型桶淤泥內(nèi)，并在邊界處做密封泥層處理；在有紡?fù)凉げ己屯凉つぶ行拈_(kāi)口插入排水板，將鴨嘴帽與排水板鑲嵌固定，用鋼絲軟管連接鴨嘴帽、水氣分離瓶和真空泵，組成集水系統(tǒng)，并用玻璃膠密封接頭。靜置14 h后，開(kāi)啟真空泵，通過(guò)閥門(mén)來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的真空度，由水氣分離瓶上的真空表、電子秤來(lái)采集系統(tǒng)中的真空度和排水量，孔隙水壓力傳感器來(lái)采集土體中的孔壓，直尺來(lái)測(cè)讀表層沉降量。

1.4 試驗(yàn)方案

真空壓力分為20 kPa、40 kPa和80 kPa三級(jí)加載，依據(jù)檢測(cè)土體表層沉降量和排水量的變化趨勢(shì)決定下一級(jí)真空壓力的施加。加載方式為：20 kPa（14 h）→停泵（10 h）→20 kPa（14 h）→停泵（10 h）→40 kPa（14 h）→停泵（10 h）→40 kPa（14 h）→停泵（10 h）→80 kPa（14 h），真空荷載加載時(shí)間為68 h，試驗(yàn)總共持續(xù)時(shí)間為108 h。當(dāng)土體每10 h的沉降量小于0.1 mm時(shí)，可以認(rèn)為土體固結(jié)趨于穩(wěn)定停止試驗(yàn)，測(cè)土體不同深度下土體的含水率、密度和表層十字板剪切強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 排水量和排水速率

排水固結(jié)的效果可以根據(jù)排水量的大小和排水速率的快慢來(lái)評(píng)價(jià)。為了觀(guān)察排水量隨時(shí)間的變化，建立了排水量與時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖2所示，排水量隨著真空荷載的逐級(jí)施加而不斷增加直至趨于平緩。對(duì)于80 kPa的最后負(fù)荷水平，發(fā)現(xiàn)施加較高負(fù)荷的方法沒(méi)有效果，因?yàn)榕潘逯車(chē)呀?jīng)形成了淤堵泥層。值得注意的是，真空預(yù)壓的排水固結(jié)速率（V）可以直接反映出排水速率，關(guān)系式如下：

式中：V（i-1+i）/2為 t（i-1+i）/2時(shí)刻的排水速率；Mi為 ti時(shí)刻的排水量；Mi-1為ti-1時(shí)刻的排水量。

圖2 排水量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.2 Water discharge vs.time curves

排水速率可以分為三個(gè)階段，如圖3所示，在第一階段（0～14 h），排水速率非常大，呈指數(shù)下降，這是由于初始土體中含有的大量游離水被排出；在第二階段（14～42 h），排水速率開(kāi)始變緩，土顆粒遷移，由于濾膜的阻隔作用，細(xì)小的土顆粒被排出，大的土顆粒被阻隔而形成泥膜；在第三階段（42～68 h），排水速率逐漸趨于平緩，可見(jiàn)泥膜已形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，濾膜幾乎被完全淤堵，此時(shí)施加的三級(jí)荷載對(duì)排水速率的貢獻(xiàn)不大。此外，從圖3中可以明顯看出，停泵后排水速率顯著增加，出現(xiàn)這種情況的一部分原因是卸掉真空荷載后土體在自重下發(fā)生固結(jié)，孔隙進(jìn)一步壓縮閉合，包裹的孔隙水被釋放出來(lái)變成游離水，使淤堵的泥層結(jié)構(gòu)浸濕受損，濾膜的滲透系數(shù)變大；另一部分原因是停止一段時(shí)間后再開(kāi)啟真空泵，真空負(fù)壓力對(duì)于土體產(chǎn)生一個(gè)突然的強(qiáng)大吸力，使土體骨架又發(fā)生了一次破壞與重組，加快了孔隙自身的“擴(kuò)展-破裂-閉合”演變過(guò)程，形成新的滲流連通孔隙[9]，因而重新打開(kāi)真空泵時(shí)排水速率明顯增加。

圖3 排水速率隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)Fig.3 Rate of water discharge vs.time curves

2.2 孔隙水壓力

圖4 顯示了孔隙水壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，觀(guān)察上述曲線(xiàn)可知，由于施加真空壓力之前，土體顆粒之間的接觸力非常小，土樣先以細(xì)顆粒絮凝下沉為主，之后以自重固結(jié)為主，超孔隙水壓力逐漸消散直至達(dá)到靜水壓力3.8 kPa。當(dāng)排水板施加的真空壓力增加了土顆粒之間的接觸力和游離水的滲透力時(shí)，前期靜置的游離水被大量排出，這導(dǎo)致前期（0～28 h）孔隙壓力的急劇減少。由于滲流，土顆粒遷移發(fā)生，直徑大于濾膜孔徑的土顆粒被堵在膜外，直徑小于孔徑的土顆粒被排出，因此，泥膜的厚度隨著時(shí)間的推移而增加，逐漸在排水板之外形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同時(shí)，泥膜的形成減弱了滲流作用，在這個(gè)階段（42～56 h），這將降低該測(cè)量點(diǎn)處的真空壓力和滲透力，因而孔隙水壓力下降緩慢。盡管后期（56～70 h）孔隙水壓力直線(xiàn)下降，而排水量卻不再變化，說(shuō)明孔隙水壓力的下降是由于真空荷載而非孔隙水的排水引起的。需要說(shuō)明的是圖中的奇點(diǎn)是由于停泵導(dǎo)致土體的真空度降低，孔隙水壓力上升造成的。

圖4 孔隙水壓力隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)Fig.4 Pore water pressure vs.time curves

2.3 表層沉降量

圖5 顯示距排水板徑向距離6 cm處（r6）的沉降小于距排水板徑向距離12 cm處（r12）的沉降量，這是由于土顆粒水平地遷移到排水板周?chē)纬梢粚幽嗄?，并且該遷移過(guò)程形成淤堵泥層，排水板周?chē)念w粒密度相對(duì)較大，這就是為什么排水板附近的沉降相對(duì)較小的原因。觀(guān)察曲線(xiàn)可知，在14 h、28 h、42 h和56 h處的沉降突然變大。在14 h和42 h處是由于停泵的緣故，前文已作出解釋。而在28 h和56 h處土體的沉降速率增加則是由于施加下一級(jí)荷載以及停泵2種因素的耦合。56 h后土體的沉降趨于平緩，說(shuō)明使用較高的真空壓力只能提高淤堵泥層的密實(shí)程度，不能明顯提高排水固結(jié)效果。

圖5 沉降量隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)Fig.5 Settlement vs.time curves

2.4 含水率、十字板剪切強(qiáng)度和壓縮曲線(xiàn)

十字板剪切強(qiáng)度反應(yīng)了土體的強(qiáng)度指標(biāo)，含水率、壓縮系數(shù)和壓縮模量從另一個(gè)角度反映了軟土的改良效果。在真空荷載作用下，隨著孔隙水滲流的排出，會(huì)導(dǎo)致含水率的減少，土體孔隙的縮小，此時(shí)，土顆粒位置調(diào)整，重新排列，相互擠密，土體強(qiáng)度增加。

加固后土體的含水率如表2所示，土體含水率從淺層到深層依次遞增，水平方向靠近排水板的含水率更小，這是因?yàn)檎婵赵谕馏w的傳遞過(guò)程中會(huì)發(fā)生能量損耗。相應(yīng)距排水板徑向距離3 cm和8 cm處測(cè)試的土體表層十字板剪切強(qiáng)度為8 kPa、6.8 kPa，土體強(qiáng)度隨著距排水板徑向距離的增加而減少。

表2 加固后土體的含水率Table 2 Moisture content in soil after consolidation%

對(duì)距排水板徑向距離3 cm處土體表層和埋深為21 cm處的土體取樣測(cè)試密度，其值分別為2.016 g/cm3、1.889 g/cm3。依據(jù)公式：

式中：e為孔隙比；ds為土粒相對(duì)密度；w為含水率；ρw為水的密度，取1.0 g/cm3；ρ為土體密度，計(jì)算后的孔隙比分別為0.754、0.991。兩處土體的壓縮曲線(xiàn)如圖6所示，隨著壓力的增大，距排水板徑向距離3 cm處土體表層的孔隙比與埋深為21 cm處的土體孔隙比逐漸靠近而趨于一致。表層土體的壓縮系數(shù)和壓縮模量分別為0.29、5.77 MPa-1，埋深為21 cm處土體的壓縮系數(shù)和壓縮模量分別為0.36、4.84 MPa-1，加固效果與土體含水率分布一致。

圖6 土的壓縮曲線(xiàn)Fig.6 Settlement vs.time curves

3 結(jié)語(yǔ)

1）卸載真空后，土體在自重下發(fā)生固結(jié)沉降，孔隙進(jìn)一步壓縮閉合，包裹的孔隙水被釋放出來(lái)變成游離水，使淤堵的泥層結(jié)構(gòu)浸濕受損，濾膜的滲透系數(shù)變大。此外，重新施加真空后，強(qiáng)大吸力的產(chǎn)生使土體骨架發(fā)生了破壞與重組，形成新的滲流連通通道，有助于孔隙水的排出?？梢?jiàn)，間歇式抽真空不僅可以節(jié)約能源，也能提高排水固結(jié)效率。

2）由于土顆粒的遷移，粒徑較大的土顆粒被濾膜阻隔而形成泥膜，致使真空荷載無(wú)法傳遞到較遠(yuǎn)的土層，因而固結(jié)后不同空間位置處土體的物理性質(zhì)相差較大，距排水板越遠(yuǎn)的地方固結(jié)效果越差。此外，后期濾膜幾乎被完全淤堵，施加高真空荷載對(duì)排水固結(jié)的效果已不明顯，若此時(shí)能破損淤堵的泥膜，將會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)土體的排水固結(jié)。