吹填超軟土固結(jié)特性的試驗(yàn)研究_圖文

1、第35卷第11期 2008年11月湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of Hunsn Univemity(Natural SciencesVd.35,No.11 Nov.2008文章編號:1674.2974(200811.0120.04吹填超軟土固結(jié)特性的試驗(yàn)研究。朱耀庭t,鄭愛榮,李衛(wèi)(中交天津港灣工程研究院有限公司,天津300222 .摘要:針對吹填超軟土的特殊工程特性,以深圳吹填超軟土為例,對其工程特性尤其固結(jié)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明:吹填超軟土具有高含水率、高孔隙比、高粘粒含量的物理特性;當(dāng)固結(jié)荷重小于200kPa時,其固結(jié)變形量和孔隙比變化最為明顯;固結(jié)荷重小于80kPa時

2、,其滲透系數(shù)變化最為明顯.關(guān)鍵詞:吹填土;軟土;固結(jié)試驗(yàn);固結(jié)系數(shù)中圖分類號:TU411文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ALaboratory Tests for the Consolidation Property of DredgerFill in the Shenzhen AreaZHU Yao-tin97,ZHENG Airong,LI Wei(Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of a。(.Tianjin 300222。ChinaAbstract:In order to analyze the special engineering properties of

3、 dredger fill,experimental studies had been done on the physicalmechanical properties of that in Shenzhen,especially for its consolidation properties。The test results indicated that dredger fill had the properties of high water content,high void ratio and high clay con. tent;When the cordining press

4、ure applied to the sample was less than 200kPa。the change of deformation and void ratio of it was obvious;When the confining pressure applied to the sample WSS less than 80kPa,the chang of permeability coefficient of that Was significant;after the load of last grade applied to the sample Was stable,

5、 the change of the height and water content of dredger fill sample Was large.Key words:dredger fill;soft soil;consolidation test;coefficient of consolidation隨著國內(nèi)沿海港口以及相關(guān)建設(shè)事業(yè)的迅猛發(fā) 展,港口等用地需求急劇增加,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì), 2000年以來,中國的年平均圍填海造陸面積達(dá)三百 平方公里以上,目前幾乎全國所有的沿海省市都在 大范圍開展圍海行動.砂或砂性土一直以來被認(rèn)為 是比較理想的圍海造陸填料,隨著人們環(huán)保意識的 進(jìn)一步提高,

6、這些不可再生的資源開始受到保護(hù)或 限制開發(fā),另一方面,大量的航道疏浚等產(chǎn)生的海底 淤泥通過向外海拋灑而形成的環(huán)境污染和回淤等問 題也日益受到重視或限制心】,如何充分利用這些疏 浚土已成為港121建設(shè)者面臨的一項(xiàng)重要研究課題. 在我國沿海的的天津、大連、黃驊、青島、連云港、深 圳等大多數(shù)淤泥質(zhì)海岸,每年因?yàn)槭杩Ｐ纬傻拇堤?超軟粘土達(dá)數(shù)億立方米,由于這些土與正常沉積土 以及經(jīng)過幾年晾曬的吹填土的性質(zhì)具有很大的不 同,對其開展研究具有深遠(yuǎn)的意義.吹填土是指利用特殊機(jī)械(挖泥船、泥漿泵等 和水力,將原沉積于近?；蚝降乐械哪?砂通過高 壓管道輸送至預(yù)定位置后沉積形成的人工堆積物. 吹填土的性質(zhì)與吹填土的

7、來源及吹填時的水力條件 密切相關(guān),但是大量工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),水力吹填形成的 超軟粘土與原泥的物理力學(xué)性質(zhì),特別是工程性質(zhì),收稿日期:2008-06-11餼耋尊嗡!卷耀庭(1970一,男,湖北捆州人,中交天津港灣工程研究院有限公司高級工程師 t通訊聯(lián)系人。E.mail:tpeizyt163.coin第11期 朱耀庭等:吹填超軟土固結(jié)特性的試驗(yàn)研究 121有較大差異,主要表現(xiàn)為含水率高(一般超過 85%、孔隙比高(一般超過2.0和強(qiáng)度低等特 點(diǎn)¨】,由于各建設(shè)單位在吹填造陸形成后的很短時 間內(nèi)就希望使用土地,如何確認(rèn)這些土采取何種有 效的加固方法成為我們研究的主要任務(wù)之一.本文以深圳某填海造

8、陸工程吹填超軟土為研究 對象,介紹固結(jié)特性室內(nèi)試驗(yàn)研究情況.1吹填超軟土的物理性質(zhì)試驗(yàn)選用的吹填超軟粘土的原泥來自深圳某圍 海造陸工程,該淤泥層屬第四紀(jì)的海相沉積層,廣泛 分布于深圳西部的沿海地區(qū)和伶仃洋東岸,厚度一 般310rll,呈流塑狀,黑灰色,有機(jī)質(zhì)含量一般在 5%10%之間.試驗(yàn)用吹填超軟土的一般物理性質(zhì) 指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見表1.結(jié)果表明,平均天然含水率為 95.7%,遠(yuǎn)大于液限,呈流塑狀態(tài).吹填超軟土的孔 隙以粒聞孔隙最為發(fā)育,最大可達(dá)12盧。平均天然 孔隙比高達(dá)2.67,按照相關(guān)規(guī)范的規(guī)定,被試驗(yàn)土 的分類屬于流泥范疇,且靈敏度較高.由于為水力 吹填土,土體均勻性稍差,試驗(yàn)結(jié)果有一定

9、的離散 性.衰l歐填超軟±的一般物理指標(biāo)T囊b.1Physltml properties of dredger nII物理參數(shù) 含水率m/%天然密度p/(gan一3 孔隙比e 液限mL/%塑限mP/%塑性指數(shù)jP 液性指數(shù)jL 最小值 93.41.4548.022.519.01.78最大值 98.61.50 56.834.028.92.66平均值 95.71.482.6751.227.623.62.15吹填超軟土的主要粘土礦物成分由高嶺石、伊 利石/蒙脫石混層礦物(混層比45%組成,約占總 質(zhì)量的32.5%;受海水化學(xué)成分影響,含鹽量為 2.2%,CI一,Na+K+含量較高,屬于cl

10、一一Na+型, 對鋼材具有強(qiáng)腐蝕性.甲種密度計(jì)法顆粒分析發(fā)現(xiàn), 其膠粒(粒徑<0.002含量洗鹽前為26.3%,洗鹽 后增大至44.4%,這是由于都分土顆粒結(jié)合形成具 有一定抗水性的“團(tuán)?！?#168;1.2超軟土的固結(jié)試驗(yàn)特性吹填超軟土在吹填完成后經(jīng)歷了細(xì)顆粒絮凝下 沉階段和自重固結(jié)階段,前者沉降量大,歷時較短, 后者持續(xù)時間很長,沉降量與時間基本成線形關(guān) 系哺】.這是由于其粘粒含量較多,含水率高,滲透性 能差,強(qiáng)度和壓縮性指標(biāo)都比同類天然沉積土差,自 然固結(jié)時間可長達(dá)數(shù)十年.要投入使用,必須對其進(jìn) 行人工加固處理,吹填超軟土是由高含水量、低密度 的泥漿逐漸脫水固結(jié)形成的,具有變形較大

11、的特點(diǎn), 試驗(yàn)結(jié)果表明滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)等隨固結(jié)過程而 不斷變化,因此這兩個參數(shù)不能視為常數(shù),故不能 簡單地采用常規(guī)的固結(jié)理論太沙基固結(jié)理論進(jìn) 行固結(jié)分析.在以往的固結(jié)理論中,認(rèn)為主固結(jié)階段 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是唯一的,孔隙比與有效應(yīng)力之間有 一一對應(yīng)關(guān)系.實(shí)際上,越來越多的試驗(yàn)資料懵捌表 明,粘土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是加荷速率或應(yīng)變速率的 函數(shù).2.1固結(jié)試驗(yàn)隨著大變形理論的發(fā)展,固結(jié)試驗(yàn)方法也有所 進(jìn)步,其中常應(yīng)變固結(jié)試驗(yàn)通常被認(rèn)為是較方便的 方法.Van T0l等對吹填土、棄土采用一維固結(jié)試驗(yàn) 并基于Gibsen等的一維大變形固結(jié)理論分析了大 變形的固結(jié)參數(shù),研究表明,在傳統(tǒng)的一維小變形固 結(jié)理論中

12、使用所測得的大變形固結(jié)參數(shù)也可以很好 地對土體固結(jié)過程進(jìn)行預(yù)測.試驗(yàn)時共進(jìn)行64組高壓固結(jié)試驗(yàn),固結(jié)儀器選 用全自動氣壓固結(jié)儀.由于被試驗(yàn)土樣為原始狀態(tài) 強(qiáng)度較低的飽和擾動土,試驗(yàn)荷重序列的第一、二級 分別為5kPa和12.5kPa.試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)固結(jié) 進(jìn)行,試樣高度為2em,每級荷重的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為 0.005mm/h,為使固結(jié)更為徹底,最后一級荷重穩(wěn) 定后繼續(xù)固結(jié)3d.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析2.2.1土樣變形吹填超軟土微觀結(jié)構(gòu)上的高孔隙特性是控制其 壓縮變形的重要因素,它直接決定著軟土的滲透和 固結(jié)特性【7】.在荷載作用下,飽和吹填超軟土中的超 靜孔隙水壓力逐漸消散,有效應(yīng)力逐漸增長,土骨架 產(chǎn)

13、生壓縮變形,大、中孔隙首先塌陷,因此在固結(jié)初 期孔隙體積減小的幅度較大,相應(yīng)的土體的變形較 大.隨著加載過程的繼續(xù),士體中的大、中孔隙被壓 密為更小的孔隙,此時軟土中絕大部分孔隙為結(jié)合湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版 2008年水所占據(jù),結(jié)合水不容易排出,因此在加載的后期階 段孔隙體積的減小幅度比較低,土體變形較小. 不同荷重作用下試樣的固結(jié)變形量、孔隙比變 化如圖l和圖2.試樣在5kPa荷重固結(jié)時。試樣的 固結(jié)變形量為試樣高度的15.6%,孔隙比降低了 21.4%,已有較大變形.在3200kPa高壓荷重下穩(wěn) 定后,其變形量可達(dá)試樣高度的49.3%,孔隙比降 低了67.7%,試樣密實(shí)度很高,所受荷載由

14、土骨架 來承受.固結(jié)壓力小于200Ida時,曲線的曲率較 大,在200kPa處出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),之后隨著固結(jié)荷載 的增大,試樣的變形量及孔隙比變化趨于緩慢,這說 明荷載小于200kPa時試樣固結(jié)速率較高.1210墨8袋s4董越一固結(jié)荷t/kPa圉2孔隙比與固結(jié)壓力關(guān)系曲線Fig.2Relationship Detween void ratio andconsolidation pressure2.2.2滲透性能及含水率變化影響粘土滲透性的因素很多,除了滲流流體本 身的密度和粘滯性之外,土體顆粒的大小和級配以 及孔隙大小及分布對滲透性的影響也很明顯8】.室 內(nèi)滲透試驗(yàn)結(jié)果表明,吹填超軟土的滲透系數(shù)為

15、 10。數(shù)量級,透水性能差,這主要是因?yàn)榇堤钣倌嘟?jīng) 過了水力分選,粒度較細(xì),級配較差,微觀結(jié)構(gòu)以紊 流狀及蜂窩狀結(jié)構(gòu)為主,粒間孔隙連通性較差所致. 但與該區(qū)域的海相沉積淤泥相比,由于其結(jié)構(gòu)性較 差,孔隙比大,且微層理及裂隙更發(fā)育,因此滲透性 要稍好一些.固結(jié)試驗(yàn)過程中,孔隙中的水在荷載作用下不 斷排出,含水率降低,土體發(fā)生壓縮變形.加載初期, 外荷載主要由孔隙水承擔(dān),土體間的孔隙以大、中孔 隙為主,土體中的自由水排出速度較快,滲透系數(shù)相 對較高.隨著荷載的增大,孔隙總體積減小,孔隙結(jié) 構(gòu)的連通性逐漸變差,滲透系數(shù)降低,且軟土中絕大 部分孔隙為結(jié)合水所占據(jù),結(jié)合水不容易排出,因此 在加載的后期,

16、土樣含水率變化緩慢.不同荷重下固結(jié)完成后試樣的含水率、滲透系數(shù) 如圖3和圖4所示.當(dāng)固結(jié)荷重由5kPa增加到80 kPa時,試樣含水率、滲透系數(shù)急劇減小.在80kPa的 固結(jié)荷重下,含水率由95.7%降至51.1%,降低幅度 達(dá)46.6%,滲透系數(shù)僅為固結(jié)荷重為5Ida試樣滲透 系數(shù)的1/15,滲透系數(shù)變化明顯.荷重大于80Ida 后,滲透系數(shù)與固結(jié)荷重關(guān)系曲線基本呈現(xiàn)為一條水 平直線,滲透系數(shù)隨荷載增大變化緩慢.10080適60礙囂40200100020003000固結(jié)荷重/kPa目3舍水率與固結(jié)壓力關(guān)系曲線Fig.3Relationship between water content an

17、dconsolidation pressure0100200300400的O固結(jié)荷重/kl'a田4滲透系數(shù)與田蛄壓力關(guān)系曲線Fig.4Relationship between coefficient of permeability and consolidation pressure65432lOOnnOOOO第11期 朱耀庭等:吹填超軟土固結(jié)特性的試驗(yàn)研究2.2.3固結(jié)系數(shù)變化固結(jié)系數(shù)是估算沉降速率的指標(biāo),是影響排永 固結(jié)的固結(jié)時間、固結(jié)度的主要因素,固結(jié)系數(shù)越 大,土體的固結(jié)速度越快.目前由室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)求解 固結(jié)系數(shù)的方法主要有時問對數(shù)法、時間平方根法、 三點(diǎn)法等,本試驗(yàn)采用的是時

18、間平方根法.由于被試 驗(yàn)土屬于后期人工吹填形成的欠固結(jié)土。土樣在自 重等作用下的落淤過程還未完成,且滲透系數(shù)小,固 結(jié)過程中其固結(jié)系數(shù)很小,固結(jié)速率緩慢.不同固結(jié)荷重下試樣的固結(jié)系數(shù)變化如圖5所 示,結(jié)果表明,土樣在不同荷重下的固結(jié)系數(shù)隨荷重 的增大總體趨勢是增大的,其值在10cm2/s一 10。cm2/s之間,但是無論在哪一級固結(jié)壓力下,固 結(jié)系數(shù)的變異性都很大,且固結(jié)荷重與固結(jié)系數(shù)關(guān) 系曲線不光滑,這與吹填淤泥的非均一性是一致的.eg各籟倏姆叵固結(jié)荷重/圖5目結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力關(guān)系曲線Fig.5Relationship between coefficient of consolidation and comolldation pre鶴ure3結(jié)論1深圳前灣吹填超軟土具有“三高三低”的基本 特征,即高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低干密度、 低強(qiáng)度、低滲透性,屬于典型的淤泥質(zhì)超軟土.固結(jié) 試驗(yàn)表明。土樣在一定的荷重下土中的部分水可以自由排出,同時土的強(qiáng)度也隨著水的排出而增加。說 明排水固結(jié)法處理此種類型的土從理論上講是完全 可行的.2由于吹填超軟土具有高壓縮性。固結(jié)過程中 試樣變形量大,3200kPa荷載作用下。變形量接近 試樣高度的一半,因此在地基加固過程中,應(yīng)嚴(yán)格控 制沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn),減小殘余沉降.3分析固結(jié)壓力與最終試樣變形量