姜海波，武亞軍，孔綱強，李俊鵬

(1.上海大學 土木工程系，上海 200444； 2.巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室(河海大學)，南京 210098)

在中國東南部沿海地區(qū)有大量的吹填造地項目，以前吹填土方來源以砂為主，但是目前由于砂料不足，許多地區(qū)采用近?；蚝恿鞯撞康挠倌唷⒂倌噘|(zhì)土為吹填材料，經(jīng)水力吹填到場地內(nèi)的這種超軟土的物理力學性質(zhì)很差，具有含水率高、黏粒含量高、壓縮性高、承載力低等顯著特點[1-3].

為了加快這類超軟土地基的固結(jié)，國內(nèi)常使用無砂真空預壓法[4-5]，該方法具有施工方便、成本低廉、工期短等特點.真空預壓法需要在超軟土中設置豎向排水體，目前由芯板和包裹芯板起過濾作用的過濾膜組成的塑料排水板最為常用.大量超軟土真空預壓的工程實踐表明，在預壓過程中緊靠塑料排水板的周圍會出現(xiàn)滲透性極低的“土樁”[6-9]，這些“土樁”本身比周圍的超軟土具有更高的強度和密度，它的存在阻隔了“土樁”外圍土體中水的流入，影響了這些區(qū)域土體的固結(jié)，有時甚至無法再繼續(xù)固結(jié)而導致地基處理失敗.針對這一“土樁”問題，近年來，一些學者進行了相應的研究：唐彤芝等[7]通過現(xiàn)場試驗認為吹填淤泥土顆粒細、結(jié)構(gòu)性強度低、含水率高、流動性大是形成淤泥抱團(即“土樁”)的主要原因.陳平山等[9]通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值分析，認為“土樁”是排水板周圍土體細顆粒在滲透力作用下向排水板聚積的結(jié)果，其形狀為倒錐形.武亞軍等[10]通過真空預壓室內(nèi)模型試驗研究認為“土樁”是土顆粒在排水板處聚積所致.沈杰等[11]通過室內(nèi)模型試驗，探討真空荷載沿徑向上的傳遞規(guī)律并分析造成排水板周圍“土樁”現(xiàn)象的成因.以上關于“土樁”的研究，通常是采用常規(guī)測試技術(shù)獲得真空預壓前后排水板周圍土體的顆粒分布、壓縮及滲透性指標，并對這些指標的時空分布特點進行分析來推測“土樁”的大致形狀及形成原因.但常規(guī)測試技術(shù)目前還存在一定的不足：常規(guī)測試技術(shù)在取樣過程中會對土樣產(chǎn)生擾動；取樣點是離散的，獲取的數(shù)據(jù)不連續(xù)；取樣過程是不可逆的，導致每次取樣所獲得的并不是同一土樣，這些不足會使試驗結(jié)果產(chǎn)生一定的誤差，因此，尋求一種更加直觀的、非侵入式的研究手段尤為重要.

采用物理力學性質(zhì)與天然土體相近的透明材料來模擬天然土，開展土體內(nèi)部變形可視化物理模型試驗研究逐漸成為一種趨勢[12].Iskander、Liu等[13-14]采用無定形二氧化硅和與其折射率相匹配的孔隙液體制配出透明土，并對其進行了室內(nèi)土工試驗，發(fā)現(xiàn)其巖土工程性質(zhì)與黏土相似.White等[15]將PIV技術(shù)運用在巖土工程中，并通過試驗對透明土體的變形進行了研究，表明 PIV 技術(shù)可以非常精確地觀測土體內(nèi)部變形.孔綱強等[16]基于透明土材料和 PIV 技術(shù)，對擴底楔形樁、楔形樁和等截面樁的水平向受荷過程進行了模型試驗研究，獲得了其周圍土體位移場的變化規(guī)律.宮全美等[17]通過常規(guī)固結(jié)試驗、直剪固快強度試驗以及室內(nèi)壓板載荷試驗驗證了無定形硅粉類透明土在模型試驗中模擬黏性土的可行性.夏元友等[18]采用透明土材料和粒子圖像測速法，通過物理模型試驗研究了錨桿拔出機理.Wang等[19]采用透明土進行模型試驗，研究了基坑降水中防滲墻和抽油井的耦合效應.目前尚未見有學者采用透明土模擬超軟土，實際上超軟土的固結(jié)特性與黏土基本一致[20]，因此，超軟土在一定程度上可以理解為是含水率更高、黏粒含量更高、壓縮性更高且強度更低的黏性土.

綜上，將透明土試驗技術(shù)應用于超軟土真空預壓模型試驗，通過高清數(shù)碼相機對真空預壓全過程進行連續(xù)拍攝，得到真空預壓過程中排水板周圍土體變形的位移場，從而初步探討“土樁”的形成機理.

1 真空預壓模型試驗

1.1 透明超軟土制配及基本性質(zhì)

本文所用透明超軟土，采用無定形二氧化硅模擬“土”顆粒，采用與無定形二氧化硅折射率一致的混合礦物油模擬孔隙“水”.混合礦物油由正十二烷與二號白礦物油按照1∶11的質(zhì)量比調(diào)配而成，其折射率為1.447 6.“土”顆粒的比重為2.11，粒徑分布曲線如圖1所示.為了方便對比，圖1還給出了天津和溫州超軟土[21-22]的粒徑分布曲線.可以看出，透明超軟土的粒徑分布曲線大致位于兩地超軟土的粒徑分布曲線之間，說明透明超軟土的粒徑分布在天然超軟土粒徑分布的變化范圍內(nèi).以“土”顆粒、孔隙“水”按質(zhì)量比1∶7的比例制配透明超軟土，得到孔隙比e為2.47 的試樣(由無定形二氧化硅材料制配成的透明土的孔隙比計算方法,可查閱相關研究成果[13-14,17]).借鑒Iskander等[13]透明土制配方法，本文透明超軟土試樣的制配步驟為：1) 將質(zhì)量比為1∶7的 “土”顆粒與孔隙“水”混合并置于密封桶中，使用固定轉(zhuǎn)速的攪拌器攪拌5～10 min，至均勻黏稠狀；2)采用真空飽和裝置，去除試樣中由于攪動等因素產(chǎn)生的氣泡，這一過程需要20～24 h；3) 對飽和后的試樣，用手動攪拌器攪拌20～30 min，

圖1 土體粒徑分布曲線

手動攪拌的優(yōu)點是在保證試樣整體均勻性的同時較大程度地避免在試樣中引入氣泡.固結(jié)后的透明超軟土試樣如圖2所示，透過4 cm厚的土樣可以清晰地看到其下方的多孔板.

圖2 固結(jié)之后的透明超軟土

由無定形二氧化硅材料制配成的透明土的物性指標，可查閱相關文獻研究成果[13-14,17-18]；本文試驗所用透明超軟土的主要物性指標見表1.為了方便對比，表1還列出了溫州和天津超軟土的物性指標[23-24].可以看出，透明超軟土的初始孔隙比、壓縮系數(shù)和壓縮模量均在溫州超軟土對應指標的變化范圍內(nèi)；透明超軟土與天津超軟土相比，其初始孔隙比較天津超軟土的初始孔隙比最小值低0.01；壓縮系數(shù)在天津超軟土的變化范圍內(nèi)；壓縮模量比天津超軟土的壓縮模量最大值高0.11 MPa.

表1 物理力學指標

圖3為透明超軟土的固結(jié)系數(shù)隨荷載變化曲線，可以看出，透明超軟土的固結(jié)系數(shù)隨荷載的增大持續(xù)增大，這與張明等[25]通過吹填超軟土室內(nèi)固結(jié)試驗得到的規(guī)律基本一致.從數(shù)值上看，透明超軟土的固結(jié)系數(shù)比吹填超軟土的固結(jié)系數(shù)大，這與透明超軟土本身較高的滲透性有關.圖4為透明超軟土滲透系數(shù)k與孔隙比e的半對數(shù)關系曲線，曲線近似直線，這與Taylor等[26]建立的反映黏性土滲透性的e-logk滲透模型一致.隨著孔隙比的變化，透明超軟土的滲透系數(shù)在3.3×10-7～1.79×10-5cm/s變化，數(shù)值上約比相同孔隙比下吹填超軟土的滲透系數(shù)高1～2個數(shù)量級[27].

圖3 固結(jié)系數(shù)隨荷載變化曲線

圖4 滲透系數(shù)隨孔隙比變化曲線

由上述可知，透明超軟土的固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)比天然超軟土的高1～2個數(shù)量級，即透明土的排“水”固結(jié)速度較天然超軟土更快，在荷載下完成變形的時間更短；但是，透明超軟土的初始孔隙比和壓縮性指標均處于天然超軟土對應指標的變化范圍內(nèi)，在相同外荷載作用下，透明超軟土的壓縮變形規(guī)律與天然超軟土是相近的，因此，認為盡管透明土的諸多性質(zhì)與天然超軟土存在較大差異，利用透明超軟土與天然超軟土相似的壓縮變形規(guī)律，從定性的層面上進行真空預壓的“土樁”形成機理研究是可行的.

1.2 試驗器材及步驟

模型試驗器材包括模型箱(長50 cm×高40 cm×寬10 cm)、排水板(長15 cm×寬1 cm)、土工布及密封膜、抽濾瓶、空壓機、真空發(fā)生器、高清數(shù)碼相機及計算機等，具體如圖5所示.

將制配好的透明超軟土置于模型箱中，靜置48 h后排出上清液.為了利用PIV技術(shù)獲取土體內(nèi)部的位移場，在透明超軟土中放入示蹤顆粒(直徑3 mm的塑料珠，可懸浮在透明超軟土中)，使所有的示蹤顆粒間隔均勻地布于同一個平面內(nèi)(間隔2 cm)，該平面垂直于模型箱的寬度方向，與模型箱正面的距離為5 cm，稱為示蹤顆粒面.之后將排水板放置在示蹤顆粒面的中間位置并垂直于示蹤顆粒面，排水板上端露出透明超軟土表面，再在其上鋪設土工布和密封膜并在周邊密封，之后連接排水板與真空系統(tǒng)開始抽真空.抽真空過程中對真空度、排“水”量進行監(jiān)測，由于模型箱厚度較小，通過調(diào)壓裝置將真空度控制在60 kPa.以排“水”速率低于30 mL/h為卸載標準，該排水速率下模型箱內(nèi)土體的表面沉降速率為1.44 mm/d，滿足《港口工程地基規(guī)范》 (JTS 147-1—2010) 的卸載標準，抽真空13 h后卸載.土體的變形過程用佳能D60數(shù)碼相機記錄，相機固定在三腳架上，通過電腦控制相機拍攝可得到真空預壓過程中的一系列圖像.通過PIV技術(shù)和數(shù)據(jù)可視化軟件Tecplot對得到的圖片進行處理，可獲得真空預壓過程中排水板周邊土體的位移矢量圖與位移等值線圖.

圖5 模型試驗裝置

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 排“水”速率

圖6為真空預壓過程中的排“水”速率曲線.排“水”速率隨著抽真空時間逐漸減小，大致可分為3個階段，分別為高峰期(1 000 mL/h以上)、平穩(wěn)期(1 000～400 mL/h)和緩慢期(400 mL/h以下)，3個階段的持續(xù)時間分別為1，4和8 h.上述透明超軟土排水過程分為3個階段的試驗現(xiàn)象與文獻[22,28]中基本一致，說明透明超軟土的真空固結(jié)排水過程與天然超軟土具有一定相似性.

圖6 排“水”速率隨時間變化曲線

Fig.6 Relation between “dewatering” rate and preloading time

2.2 排水板周圍土體位移矢量圖

對拍攝得到的一系列圖片進行處理分析(為了方便分析，所有圖片僅取右半部分)，發(fā)現(xiàn)排水板周圍的土體位移在排“水”高峰期、平穩(wěn)期和緩慢期呈現(xiàn)出不同的階段性特征，將上述3個階段內(nèi)的土體位移用箭頭矢量圖來表示，列于圖7(a)、(b)和(c)，豎向排水板與土工布以黑色線表示，密封膜以黑色實線表示.由圖7可知，在排“水”高峰期，排水板周圍約18 cm范圍內(nèi)的土體向著排水板斜向下位移，位移區(qū)域大致呈漏斗狀，使得排水板周邊土體的表面沉降在真空預壓的初期高于稍遠處.在排“水”平穩(wěn)期，距排水板大約3 cm以內(nèi)的土體位移以豎向向下為主，距排水板約3 cm以外的土體存在明顯的斜向下位移，且位移的豎向分量隨離開排水板距離的增加逐漸增大，使得土體表面產(chǎn)生沿著水平向上的不均勻沉降.在排“水”緩慢期，排水板周圍24 cm范圍內(nèi)的土體均豎向向下位移，位移大小隨著離開排水板水平距離的增大逐漸增大，導致距離排水板較遠區(qū)域的土表面沉降比近處更明顯.

2.3 排水板周圍土體位移等值線圖

為了更直觀地表示排水板周圍土體位移場，將結(jié)果繪制成等值線圖，如圖8所示.考慮到邊界效應，取距離排水板、密封膜最低點及模型箱邊界各2 cm的方形區(qū)域作為觀察區(qū)域.

圖8(a)和(d)分別為排“水”高峰期土體的水平和豎向位移等值線圖，可以看出，土體的最大水平位移位于離開排水板約6 cm的淺層土體中，土體的豎向位移大致隨離開排水板距離的增加逐漸減小.分析認為，透明超軟土的初始含“水”率很高，抽真空開始后，大量自由“水”在壓力差的作用下向排水板滲流排出，使得土體的浮容重變?yōu)橛行葜睾螽a(chǎn)生豎向壓縮，靠近排水板位置土體的自由“水”含量降低得最多，因此，產(chǎn)生比排水板遠端土體更大的豎向沉降；孔隙“水”在滲流過程中，對“土”顆粒產(chǎn)生滲流力，使“土”顆粒沿著滲流方向移動，隨著離開排水板距離的增加，滲流力逐漸衰減，“土”顆粒移動趨勢也隨之減弱，因此，排水板近端產(chǎn)生比遠端更大的水平位移；土顆粒會在自重下沉積，相互接觸形成土骨架，淺層土體由于較低的上覆土重，形成的土骨架更松散，因此，在滲流力作用下產(chǎn)生較深層土體更加明顯的滲流壓密現(xiàn)象.

圖7 真空預壓各階段排水板周圍土體位移矢量圖

圖8(b)和(e)分別為排“水”平穩(wěn)期土體的水平和豎向位移等值線圖，土體的水平位移最大值位于距排水板約10 cm的中層土體中，土體的豎向位移隨著離開排水板距離的增大逐漸增大.分析認為，隨著抽真空過程的推進，排水板周邊一定范圍內(nèi)的土體中已經(jīng)形成了結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的“土”骨架，滲流力得以向排水板遠端的土體中傳遞，因此，較遠處的土體產(chǎn)生滲流壓密現(xiàn)象；隨著土中自由“水”含量的降低，膜上的“真空荷載”由初始的孔隙“水”承擔轉(zhuǎn)換為由“土”骨架承擔，土體在自重和“真空荷載”的作用下產(chǎn)生豎向壓縮，排水板遠端的土體在滲流力的作用下趨于松散，因此，其豎向壓縮量較排水板近端土體的豎向壓縮量更大.

圖8(c)和(f)分別為排“水”緩慢期土體的水平和豎向位移等值線圖，可以看出，土體的豎向位移隨著離開排水板距離的增大逐漸增大，水平位移很小且無明顯規(guī)律，可能是由土體豎向壓縮過程中的水平向變形引起的.分析認為，在抽真空的后期，土體中的大部分孔隙“水”已經(jīng)被排出，滲流力已不足以使土顆粒產(chǎn)生位移；排水板遠端土體較排水板近端土體仍然更為松散，因此，產(chǎn)生的豎向壓縮量更大.

圖8 真空預壓各階段排水板周圍土體位移等值線圖

3 “土樁”形狀及形成機理

3.1 “土樁”形狀確定方法

PIV技術(shù)是將土體變形前后攝取的灰度圖像分割成許多網(wǎng)格，每一網(wǎng)格稱之為Interrogation塊.將變形前任一Interrogation塊與變形后灰度圖像進行全場匹配或相關計算，根據(jù)峰值相關系數(shù)確定該Interrogation塊在變形前后的位置，由此可以得到該塊的平均位移，對變形前所有Interrogation塊進行類似運算，就可得到整個位移場[29].圖像匹配的標準關聯(lián)函數(shù)為

式中：M，N為圖像塊的長、寬，f為t1時刻圖像中某圖像塊中心點坐標(m，n)處的灰度值分布函數(shù)，g為t2時刻圖像中該圖像塊中心點坐標(m+Δx，n+Δy)處的灰度值分布函數(shù)，Δx，Δy分別為x，y方向的位移增量.基于上述PIV技術(shù)的原理，可以求得“土樁”外包線，具體為：在某一深度下，對各相鄰土體單元作Δx的差值，總能獲得一個點，該點兩側(cè)單元的Δx差值為零，為方便討論，將此類點稱為位移差值零點，位移差值零點在深度方向的連線則稱為位移差值零線.在位移差值零線以左的區(qū)域內(nèi)，土體的Δx隨著離開排水板距離的增大逐漸增大，即該區(qū)域的土體產(chǎn)生水平向的壓縮，形成滲流壓密區(qū).在位移差值零線以右的區(qū)域內(nèi)，土體的Δx隨著離開排水板距離的增大逐漸減小，即該區(qū)域的土體在水平方向趨于松散，形成松散區(qū).位移差值零線與排水板之間的土體實際上就是“土樁”，位移差值零線即為“土樁”的外包線.如圖9所示，“土樁”的半徑由淺至深逐漸變小，最大半徑約為11 cm，本文關于“土樁”形狀的發(fā)現(xiàn)與陳平山等[9]的研究結(jié)論相似.陳雷等[30]通過真空預壓室內(nèi)模型試驗，發(fā)現(xiàn)排水板周圍土體的壓縮系數(shù)較小，存在半徑約為10 cm的密實區(qū)，這與本文關于“土樁”半徑的發(fā)現(xiàn)接近.總體來說，透明土模型試驗能較好地模擬真空預壓過程中的“土樁”現(xiàn)象.

圖9 “土樁”

3.2 “土樁”形成機理解釋

本文中的模型試驗，筆者采用同樣的試驗設備和試驗方法，在相同的環(huán)境下短期內(nèi)進行過多次.每次試驗結(jié)果均會出現(xiàn)“土樁”現(xiàn)象；每次試驗中排“水”速率隨時間的變化規(guī)律、“土樁”形狀隨深度的變化規(guī)律都是一致的，因此，該模型試驗的重復性和可靠性可以保證.

為了更好地解釋“土樁”的形成機理，繪制一定深度處孔隙水的滲流示意圖，如圖10所示.真空預壓開始后，由于密封膜的存在，真空度向排水板中傳遞，引起排水板內(nèi)部孔隙水壓力的消散.密封膜使加固土體與大氣隔絕，因此，排水板內(nèi)的孔隙水壓力p1最大可降低至絕對壓力零點[30]，這使得土體內(nèi)與排水體之間產(chǎn)生孔隙水壓力差Δp1，孔隙水在Δp1的作用下向排水板方向滲流，降低滲流路徑上的孔隙水壓力，逐漸形成p2、p3和p4.p2、p3和p4的存在又形成了Δp2和Δp3，上述過程不斷循環(huán)，在土體中逐漸形成一個相互連通的滲流網(wǎng)絡，該滲流網(wǎng)絡持續(xù)工作，降低整個土體內(nèi)的孔隙水壓力，達到土體固結(jié)的目的.在滲流過程中，孔隙水會對土顆粒施加滲流力，使土顆粒產(chǎn)生沿著滲流方向的位移，吹填超軟土(尤其指新吹填超軟土)中有大量細小顆粒處于懸浮狀態(tài)，顆粒間結(jié)構(gòu)強度尚未完全形成，在滲流力作用下很容易產(chǎn)生沿著滲流方向的位移.因此，大量的土顆粒聚積在排水板周邊，并隨著Δp由近至遠向遠處擴散，越來越多的土顆粒聚積在排水板周邊.聚積在排水板周邊的這部分土體，經(jīng)過水平的滲流壓密和豎向的固結(jié)壓縮，逐漸形成“土樁”.隨著離開排水板距離的增加，Δp逐漸衰減，土顆粒的移動趨勢隨之減弱，土體在水平方向上趨于松散，由此形成“土樁”范圍以外的“軟弱帶”.由上所述，“土樁”范圍內(nèi)土體是經(jīng)過聚積和滲流壓密的，因此，其密度較“軟弱帶”范圍內(nèi)土體的更高，壓縮性較“軟弱帶”范圍內(nèi)土體的更低.兩塊區(qū)域內(nèi)的土體在自重和“真空荷載”作用下產(chǎn)生的壓縮量不同，在土體表面形成“樁頭”和“弧形凹槽”.圖11為真空預壓試驗過程中拍攝所得圖片，圖中的“樁頭”和“弧形凹槽”現(xiàn)象明顯.

試驗結(jié)果表明，“土樁”半徑隨深度的增加有減小趨勢，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因主要有兩個：其一，淺層土體比深層土體的細顆粒含量更高，且顆粒間結(jié)構(gòu)強度尚未完全形成，在Δp作用下會產(chǎn)生比深層土體更加明顯的沿著滲流方向的位移和滲流壓密.其二，隨著土層深度的增加，排水板內(nèi)部的真空度存在衰減[4,11]，排水板內(nèi)部的孔隙水壓力消散程度也隨之下降，即圖10中p1的值隨著深度增加有所提高，因此，孔隙水壓力差Δp1，Δp2和Δp3隨深度增加有所下降.土顆粒的徑向位移以孔隙水施加的滲流力為動力，真空度沿深度方向的損失導致了排水板徑向上孔隙水壓力差的減小，進一步導致了滲流力的衰減，因此，土顆粒的水平位移趨勢隨深度增加逐漸減弱，“土樁”的半徑及土體的徑向固結(jié)度也隨之下降.實際工程中，深度每增加一米，排水板內(nèi)的真空度衰減就可達10 kPa[4,11]，因此，真空度隨深度的衰減，是“土樁”半徑及土體徑向固結(jié)度隨深度發(fā)生變化的重要影響因素.

圖10 一定深度下孔隙水流動示意

圖11 模型試驗過程中的土體變形

4 結(jié) 論

1)基于透明土試驗技術(shù)和PIV技術(shù)，實現(xiàn)了真空預壓過程土體內(nèi)部位移的非侵入研究，相對常規(guī)測試技術(shù)，對土樣不存在擾動且可以獲得連續(xù)的位移場，具有經(jīng)濟合理、簡便有效等優(yōu)點.

2)真空預壓的影響范圍隨著抽真空時間逐漸擴大，模型箱內(nèi)土體位移在真空預壓過程中不同階段呈現(xiàn)出不同的階段性特征，導致土體表面沉降存在階段性特征；在排“水”高峰期，土體產(chǎn)生朝著排水板方向的斜向下位移；在排“水”平穩(wěn)期，土體的位移特征在離開排水板不同距離有較大差異；在排“水”緩慢期，土體幾乎僅有豎向位移，且位移隨著離開排水板水平距離的增大逐漸增大.

3)排水板內(nèi)真空度的存在，使得周圍土體內(nèi)部形成一個相互連通的滲流網(wǎng)絡，土顆粒在滲流力作用下不斷向排水板處聚積；土顆粒向排水板處聚積，并經(jīng)過水平向滲流壓密和豎向固結(jié)壓縮，是形成“土樁”而外圍土體強度過低的主要原因.

4)“土樁”側(cè)面形狀顯示，“土樁”半徑從上到下有減小的趨勢，但本試驗中模型箱底邊界的存在，限制了底部土體的側(cè)向位移，為了進一步研究“土樁”沿豎向的變化特征，需要在下一步研究中加大模型箱尺寸.

此外，透明土本身的性質(zhì)限制了試驗容器的大小，由此產(chǎn)生邊界效應對試驗結(jié)果的影響，需要進一步研究.