(1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023；2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建工系，浙江 杭州 311231；3.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)

隨著我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，土地資源缺乏問(wèn)題日益突出，吹填法為解決這一問(wèn)題提供了一種新的途徑。該技術(shù)是用鉸吸船將泥漿攪拌成一定濃度的泥水混合物，再經(jīng)過(guò)管線排放到指定低洼區(qū)域使其變?yōu)殛懙氐姆椒╗1]。該方法形成的吹填土地基往往具有天然含水率大、塑性指數(shù)大、孔隙比大、重度小、壓縮性高、滲透性低等特點(diǎn)，其土性指標(biāo)具有很強(qiáng)的地域特征和顯著的不確定性。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)軟土的工程特性和土性指標(biāo)進(jìn)行了初步研究，得到了土性指標(biāo)的相關(guān)性和經(jīng)驗(yàn)公式并將其應(yīng)用到工程設(shè)計(jì)和施工中。在分析時(shí)，可采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法分析土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的變化范圍、變異性、指標(biāo)間的相關(guān)性以及各指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，建立各指標(biāo)的概率分布模型和指標(biāo)間的擬合公式[2-9]。同時(shí)，軟土工程特性的研究主要包括軟土的固結(jié)和次固結(jié)變形、固結(jié)過(guò)程中的蠕變現(xiàn)象等。周秋娟等[10]研究了加荷比、應(yīng)力歷史、超載預(yù)壓對(duì)軟土次固結(jié)變形的影響。苑曉青等[11]、邱長(zhǎng)林等[12]和王常明等[13]通過(guò)分級(jí)加荷方法研究了軟土固結(jié)過(guò)程中應(yīng)力—應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析了軟土的固結(jié)變形特性及影響因素。這些研究成果從不同方面揭示了不同地區(qū)軟土的工程特性，豐富了現(xiàn)有土力學(xué)和軟基處理相關(guān)理論，并用于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

為進(jìn)一步分析吹填土的工程特性及基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，筆者取臺(tái)州東部新區(qū)經(jīng)過(guò)一次真空預(yù)壓處理后的吹填土進(jìn)行室內(nèi)外土工試驗(yàn)，獲得該地區(qū)吹填土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析吹填土的固結(jié)特性，對(duì)影響固結(jié)的因素進(jìn)行分析，為吹填土地基處理和設(shè)計(jì)提供參考。

1 臺(tái)州東部新區(qū)吹填土的工程特性及地基處理方式

臺(tái)州東部新區(qū)處于臺(tái)州灣循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)東部組團(tuán)，屬新圍墾區(qū)。區(qū)內(nèi)3.0～5.0 m范圍內(nèi)土層為吹填土，具有天然含水率大、孔隙比高、壓縮性大、抗剪強(qiáng)度低、滲透系數(shù)小等特點(diǎn)，一般呈軟塑到流塑狀態(tài)。吹填土主要物質(zhì)為東海海底堆積物，呈淺灰黃色、灰色，流塑，主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土組成，含少許貝殼碎屑及腐殖物。吹填土下伏20.0～40.0 m的淤泥質(zhì)黏土，其特征為流塑狀、高壓縮性、高靈敏度，工程性質(zhì)極差。

根據(jù)常見(jiàn)軟基處理方案的特點(diǎn)，并結(jié)合集聚區(qū)建設(shè)周期以及工程投資造價(jià)等因素，東部新區(qū)內(nèi)地基處理方案為：地塊區(qū)采用無(wú)砂墊層真空預(yù)壓地基處理方式，處理深度約為6.0 m，排水板間距0.7 m，預(yù)壓時(shí)間120 d；道路區(qū)主干路采用兩次真空預(yù)壓法處理方案，第一次為無(wú)砂墊層的真空預(yù)壓法，處理5 m范圍內(nèi)的吹填土，排水板間距0.7 m，預(yù)壓時(shí)間45 d，第二次為有砂墊層真空—堆載聯(lián)合預(yù)壓法，排水板間距0.8 m，處理深度約23 m，預(yù)壓時(shí)間180 d；道路區(qū)次干路采用一次無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法，處理深度約為12.0 m，排水板間距0.7 m，預(yù)壓時(shí)間150 d。臺(tái)州東部新區(qū)工程平面圖如圖1所示。

圖1 臺(tái)州東部新區(qū)工程平面圖Fig.1 Sketch of Taizhou eastern new district project

土的顆粒組成及其相對(duì)含量，可采用顆粒級(jí)配曲線進(jìn)行描述。通過(guò)該曲線可直接判斷土的顆粒組成、顆粒分布及顆粒級(jí)配的優(yōu)劣，從而評(píng)估土的工程性質(zhì)。在臺(tái)州東部新區(qū)吹填土顆粒分析時(shí)，利用篩分法和密度計(jì)法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取的吹填土土樣進(jìn)行粒度分析。根據(jù)顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果，可獲得吹填土的顆粒組成和分布情況，其結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：臺(tái)州東部新區(qū)吹填土的粒徑大部分小于0.075 mm，占全部粒組含量的98.6%；小于0.005 mm的黏粒含量占55.5%。這說(shuō)明臺(tái)州東部新區(qū)吹填土主要以黏粒為主，其次是粉粒。

圖2 臺(tái)州地區(qū)吹填土的顆粒級(jí)配曲線Fig.2 The grading curves of dredger fill in Taizhou district

2 臺(tái)州東部新區(qū)吹填土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系研究

為揭示臺(tái)州東部新區(qū)經(jīng)一次真空預(yù)壓處理后吹填土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性，對(duì)圖1的聚海大道、鮑浦大道、規(guī)劃路、海豪路、海才路、集興路、聚賢路、青龍浦路、月湖北路、月湖南路、長(zhǎng)浦路等區(qū)段的地基土進(jìn)行室內(nèi)外試驗(yàn)，獲得吹填土的基本物理力學(xué)指標(biāo)，包括天然含水量w、土粒比重Gs、重度γ、干重度γd、飽和度Sr、孔隙比e、液限wL、塑限wp、壓縮系數(shù)α1-2、壓縮模量Es、固結(jié)系數(shù)Cv、黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ等，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其結(jié)果如表1所示。

表1 一次預(yù)壓處理后的吹填土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical data of physical-mechanical indexes of Taizhou dredger fill after primary vacuum preloading

從表1中可看出，該地區(qū)吹填土具有以下特性。

2.1 天然含水率高

一次真空預(yù)壓后的吹填土天然含水量變化范圍為26.0%～53.5%，統(tǒng)計(jì)均值為39.7%；液限變化范圍為27.7%～49.9%，統(tǒng)計(jì)均值為38.6%；塑限變化范圍為17.6%～26.3%，統(tǒng)計(jì)均值為21.9%；塑性指數(shù)為10.1～23.6，統(tǒng)計(jì)均值為16.7；液性指數(shù)為0.78～1.27，統(tǒng)計(jì)均值為1.1。這些數(shù)據(jù)表明經(jīng)一次真空預(yù)壓處理后的吹填土仍屬于低液限黏土，處于流塑-軟塑狀態(tài)。

2.2 壓縮性較高

經(jīng)一次預(yù)壓處理后的吹填土壓縮系數(shù)為0.40～1.26 MPa-1，統(tǒng)計(jì)均值為0.76 MPa-1，壓縮模量為2.04～4.80 MPa，統(tǒng)計(jì)均值為2.91 MPa，屬于高壓縮性土。經(jīng)預(yù)壓處理后吹填土的壓縮系數(shù)隨孔隙比、液限、含水量的增大而變大，符合臺(tái)州濱海地區(qū)特殊土地質(zhì)環(huán)境。

2.3 天然重度小、孔隙比大

經(jīng)一次處理后的吹填土天然重度的變化范圍為15.9～19.1 kN/m3，統(tǒng)計(jì)均值為17.7 kN/m3；干重度的變化范圍為11.51～13.22 kN/m3，統(tǒng)計(jì)均值為12.42 kN/m3，整體看來(lái)天然重度普遍偏小?？紫侗茸兓秶鸀?.78～1.52，統(tǒng)計(jì)均值為1.14，大于1.0，可知吹填土的孔隙比較大，對(duì)基坑變形、建/構(gòu)筑物的沉降和不均勻沉降影響較大。

2.4 抗剪強(qiáng)度低

黏聚力和內(nèi)摩擦角值大小直接反映土體的強(qiáng)度大小。從表1可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)一次真空預(yù)壓處理后的吹填土黏聚力為9.0～29.0 kPa，統(tǒng)計(jì)均值為13.7 kPa；內(nèi)摩擦角為8.5°～12.8°，均值為10.2°，表明此時(shí)吹填土仍很軟弱，仍需要進(jìn)行進(jìn)一步處理才能作為建/構(gòu)筑物的地基。

2.5 滲透性小

臺(tái)州東部新區(qū)經(jīng)一次真空預(yù)壓處理后的吹填土的固結(jié)系數(shù)為(0.97～5.31)×10-3cm2/s，統(tǒng)計(jì)均值為1.98×10-3cm2/s。所以，臺(tái)州地區(qū)吹填土的滲透性很小，固結(jié)非常緩慢。當(dāng)土中有機(jī)物含量較多時(shí)，滲透性更低。因此，在地基處理時(shí)，需要打設(shè)各種類型的排水體，以加速吹填土的排水固結(jié)。

從表1的吹填土物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的變異系數(shù)統(tǒng)計(jì)值可知：吹填土的重度、飽和度和比重的變異系數(shù)偏小，用概率方法來(lái)分析地基變形時(shí)，可不考慮土的重度、飽和度和比重變異性的影響；其他物理指標(biāo)(如含水量、孔隙比、液限、塑限等)的變異系數(shù)相對(duì)較大，對(duì)指標(biāo)的選取有明顯的影響；吹填土力學(xué)指標(biāo)的變異系數(shù)較大，并明顯大于物理指標(biāo)的變異系數(shù)。因此，在分析吹填土地基變形時(shí)，需要考慮土體力學(xué)指標(biāo)變異性的影響。

3 吹填土物理力學(xué)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系

根據(jù)臺(tái)州市東部新區(qū)吹填土大量的工程實(shí)踐并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果可知，影響吹填土壓縮性的物理指標(biāo)主要是含水量、液限、塑限和天然孔隙比等。因此，下面用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)研究經(jīng)一次真空預(yù)壓后的吹填土物理指標(biāo)間的相互關(guān)系和分布規(guī)律，通過(guò)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到的擬合方程可以估算該地區(qū)吹填土的物理力學(xué)特性，供工程應(yīng)用參考。

3.1 天然孔隙比與含水量的關(guān)系

對(duì)臺(tái)州東部新區(qū)經(jīng)一次真空預(yù)壓處理后吹填土的天然含水量w與天然孔隙比e進(jìn)行線性回歸分析，其結(jié)果如圖3所示。其中，擬合方程為e=0.026 7w+0.093 5，相關(guān)系數(shù)R2=0.863，說(shuō)明吹填土層的孔隙比越大則含水量越高，其相關(guān)性良好。

圖3 吹填土天然含水量與天然孔隙比的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between water content and void ratio of dredger fill

3.2 天然含水量、天然孔隙比與液限的關(guān)系

對(duì)臺(tái)州地區(qū)吹填土天然含水量w、天然孔隙比e與液限wL進(jìn)行線性回歸分析，其結(jié)果如圖4，5所示，其擬合方程分別為wL=0.825 5w+5.937 5，wL=27.216e+7.440 6，相關(guān)系數(shù)R2分別為0.902 2，0.806 4，說(shuō)明吹填土的液限越大則含水量和孔隙比越高，其相關(guān)性較好且擬合曲線的離散性較低。

圖4 吹填土的天然含水量與液限的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between water content and liquid limit of dredger fill

圖5 吹填土的孔隙比與液限關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between void ratio and liquid limit of dredger fill

3.3 天然含水量、天然孔隙比與塑性指數(shù)的關(guān)系

對(duì)臺(tái)州吹填土天然含水量w、天然孔隙比e與塑性指數(shù)Ip進(jìn)行線性回歸分析，如圖6，7所示，擬合方程分別為Ip=0.524 9w-3.218 8，Ip=19.597 4e-4.975 1，相關(guān)系數(shù)R2分別0.818 7，0.940 5，表明吹填土的塑性指數(shù)越大，則含水量和孔隙比越高，其相關(guān)性較好且擬合曲線的離散性較低。

圖6 吹填土的含水量與塑性指數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between water content and plasticity index of dredger fill

圖7 吹填土的孔隙比與塑性指數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between void ratio and plasticity index of dredger fill

3.4 液限與塑限的關(guān)系

對(duì)臺(tái)州吹填土液限wL與塑限wp進(jìn)行線性回歸分析，其結(jié)果如圖8所示，擬合方程為wp=0.281 6wL+11.062，相關(guān)系數(shù)為R2=0.576 3，表明經(jīng)一次真空預(yù)壓后的吹填土的液限wL與塑限wp之間沒(méi)有明顯的線性相關(guān)性。但從總體趨勢(shì)上看，塑限wp隨液限wL的增加而增加。

圖8 吹填土的液限與塑限關(guān)系Fig.8 Relationship between liquid limit and plastic limit of dredger fill

4 吹填土的固結(jié)特性

地基土的固結(jié)變形一般分為主固結(jié)變形和次固結(jié)變形，主固結(jié)過(guò)程又稱滲透固結(jié)，是指飽和黏性土在受到壓力后，土中的孔隙水被排出，孔隙水壓力慢慢減弱至零，有效應(yīng)力增加的壓縮過(guò)程。次固結(jié)是指在外荷載作用下，飽和黏性土主固結(jié)完成后土體體積仍然會(huì)隨時(shí)間遞增而逐漸減小的過(guò)程。在分析地基土的變形特性時(shí)，從施工現(xiàn)場(chǎng)取有代表性的吹填土并采用側(cè)限壓縮儀進(jìn)行試驗(yàn)。為此，將吹填土原狀土樣制成高度2 cm、表面積30 cm2的圓柱體，采用分級(jí)加荷的方式進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。分級(jí)荷載為25，50，100，200，400 kPa。試驗(yàn)過(guò)程中，考慮主固結(jié)完成后土樣會(huì)發(fā)生蠕變現(xiàn)象，每級(jí)加載時(shí)間均超過(guò)4 000 min，在加載時(shí)間達(dá)到要求的條件下，才可以施加下一級(jí)壓力。整理試驗(yàn)結(jié)果得出應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙比、壓縮模量、時(shí)間之間的關(guān)系。

4.1 應(yīng)力—應(yīng)變等時(shí)曲線

在整理試驗(yàn)結(jié)果時(shí)，將同一時(shí)刻下不同固結(jié)壓力的應(yīng)變連成曲線，得到應(yīng)力—應(yīng)變等時(shí)曲線(這里僅考慮主固結(jié)階段，故壓縮時(shí)間只取1 440 min內(nèi))，其結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出：在豎向荷載小于50 kPa時(shí)，固結(jié)壓力小，曲線呈現(xiàn)出線性關(guān)系，軸向應(yīng)變隨固結(jié)壓力增大而逐漸增大，有效應(yīng)力增加，孔隙水壓力逐漸變小，曲線斜率較大，土體原有結(jié)構(gòu)沒(méi)有被破壞，此時(shí)土體呈黏彈性體；當(dāng)荷載大于50 kPa后，固結(jié)壓力相對(duì)較大，曲線呈非線性，土體應(yīng)變隨豎向壓力增大而逐漸增大，曲線斜率隨壓力的增大而逐漸變小，土體顆粒間的接觸面積增大，原有結(jié)構(gòu)被破壞，壓縮速度逐漸變慢，此時(shí)土體呈黏塑性狀態(tài)。

圖9 臺(tái)州吹填土的應(yīng)力—應(yīng)變等時(shí)曲線Fig.9 Isochronous curves of stress-strain of Taizhou dredger fill

4.2 孔隙比—壓力曲線

通過(guò)側(cè)限壓縮試驗(yàn)，可得孔隙比—壓力的關(guān)系曲線，其結(jié)果如圖10所示。該曲線可反映土的壓縮特性和土骨架的力學(xué)特性。從圖10可見(jiàn)：在豎向應(yīng)力超過(guò)50 kPa后，曲線斜率慢慢趨向平穩(wěn)，壓縮速率變慢，這是由于土骨架結(jié)構(gòu)性屈服所致。

圖10 吹填土的孔隙比與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.10 Relationship between void ratio and stress of dredger fill

4.3 壓縮模量—應(yīng)力關(guān)系

土的壓縮模量可表示土體抵抗外荷載的能力。壓縮模量越大，說(shuō)明土體抵抗外荷載的能力越大，變形越小。圖11給出了吹填土的壓縮模量與應(yīng)力的關(guān)系曲線。從圖11可知側(cè)限應(yīng)力條件下吹填土的壓縮模量隨應(yīng)力的增加而增加。開(kāi)始?jí)嚎s時(shí)孔隙較大，土骨架容易變形，土抵抗外荷載的能力較弱；隨著應(yīng)力的增加，土體逐漸變得密實(shí)，孔隙減小，土抵抗外荷載的能力變強(qiáng)，土體的壓縮模量就增大。

圖11 吹填土的壓縮模量與應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.11 Relationship between compression modulus and stress of dredger fill

4.4 蠕變現(xiàn)象

蠕變是指在一定壓力作用下變形隨時(shí)間增大的現(xiàn)象。臺(tái)州東部新區(qū)的吹填土經(jīng)一次真空預(yù)壓處理后仍具有高含水量、高壓縮性、低滲透性等特征，其蠕變現(xiàn)象非常明顯。在大多數(shù)情況下，外荷載作用下土體的主固結(jié)完成后，如仍發(fā)生顯著的蠕變變形，可能導(dǎo)致建筑物破壞。為研究土樣的蠕變現(xiàn)象，分級(jí)加荷壓縮試驗(yàn)中每級(jí)固結(jié)時(shí)間均超過(guò)4 000 min。

圖12，13為選取的臺(tái)州東部新區(qū)具有代表性的吹填土的分級(jí)加荷壓縮固結(jié)的試驗(yàn)結(jié)果。從圖12可知：當(dāng)應(yīng)力開(kāi)始作用前一段時(shí)間，應(yīng)變變化量大，這段時(shí)間就完成了大部分主固結(jié)，變形呈非線性發(fā)展；當(dāng)應(yīng)力作用一段時(shí)間后，蠕變是穩(wěn)定的并且隨時(shí)間的推移趨于穩(wěn)定?？倯?yīng)變?yōu)楦骷?jí)應(yīng)變量之和，即隨著各級(jí)固結(jié)壓力作用下土體的總應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸增大。圖13為應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線。從圖13可知：各級(jí)固結(jié)壓力下的擬合曲線具有較好的線性相關(guān)性。固結(jié)壓力分別設(shè)為25，50，100，200，400 kPa下的擬合方程和相關(guān)系數(shù)依次為：ln(ε/t)=-0.728 0 lnt-5.255，R2=0.979 4；ln(ε/t)=-0.924 4 lnt-3.172 4，R2=0.999 1；ln(ε/t)=-0.959 6 lnt-2.494，R2=0.999 8；ln(ε/t)=-0.972 5 lnt-2.096，R2=0.999 9；ln(ε/t)=-0.977 7 lnt-1.805，R2=0.999 9。由相關(guān)系數(shù)可知應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)曲線相關(guān)性極好，由此可見(jiàn)臺(tái)州吹填土符合應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)關(guān)系，其擬合方程為

ln(ε/t)=alnt+b

(1)

式中，a，b為擬合參數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)擬合方程求得臺(tái)州吹填土在不同固結(jié)壓力下某一時(shí)刻應(yīng)變大小。

圖12 應(yīng)變—時(shí)間關(guān)系曲線Fig.12 Relationship between time and stress

圖13 應(yīng)變速率與時(shí)間雙對(duì)數(shù)關(guān)系曲線Fig.13 Relationship between double logarithm strain rate and time

5 結(jié) 論

采用室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了經(jīng)一次真空預(yù)壓處理后的臺(tái)州東部新區(qū)吹填土的工程特性及土性指標(biāo)的相關(guān)性。結(jié)果表明：經(jīng)一次預(yù)壓處理后的吹填土工程性質(zhì)仍然很差，天然含水率與孔隙比、液限、塑性指數(shù)的相關(guān)性以及孔隙比與液限、塑性指數(shù)的相關(guān)性較好，但塑限與液限關(guān)系相關(guān)性較差；一次真空預(yù)壓后的臺(tái)州吹填土固結(jié)壓縮試驗(yàn)的固結(jié)壓應(yīng)力—應(yīng)變等時(shí)曲線以及次固結(jié)蠕變關(guān)系曲線具有明顯的非線性特性。