吹填土强度与下沉量分析计算探讨

陈秀良,张超杰,俞炯奇

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利防灾减灾重点实验室,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

现阶段,浙江省温州、台州等浙东沿海地区,正在大规模推进围区吹填海积淤泥质土造陆,其过程主要分2个阶段,一是海积淤泥吹填施工阶段,将海积淤泥土经机械松动、扰动、与水混合成泥浆,用管道吹至场区,重新淤积和沉淀;二是吹填淤泥加固阶段,加固后的吹填淤泥需满足某一高程和强度要求,以便适用于工业或农业用地。就地取材的海积淤泥质土,在筑堤和填涂造陆施工中经人工水力搬运后,状态极为松散,且含水率极高,处于泥浆状态,需进行脱水加固处理。但在处理前,需根据造陆的高程和强度要求,对吹填到围区内的吹填土总量进行合理判断。为此,本文根据吹填重塑土抗剪强度—有效应力—含水率的唯一对应关系,分析推导了含水率与强度、下沉量与含水率的计算方法,为合理、便捷地进行吹填土控制的预测与分析创造条件。

2 吹填土含水率与强度关系的分析

对于原状滨海淤泥质土,DBJ 10—90《浙江省建筑软弱地基基础设计规范》附表3-2中提出了土的天然含水率w与地基承载力标准值fk的关系(见表1):

表1 土的天然含水率w与地基承载力标准值fk的关系表

吹填重塑土不同于原状土,其含水率与强度关系据Henkel[1]、魏汝龙[2]、钱家欢[3]的研究,在正常固结条件下,重塑土具有抗剪强度—有效应力—含水率 (或抗剪强度—孔隙压力—体积变化)之间存在唯一的对应关系,而与试验方法(排水或不排水)和荷重路径无关。

因在半对数图上正常固结重塑土的孔隙比ec与固结压力σc之间存在单一线性关系,即:

式中:cc为压缩指数;elkPa为压力1 kPa时的孔隙比。

另外,在CU试验中正常固结重塑土的强度线在τ-σ平面内为通过原点的直线,因此有:

式中:qf为正常固结重塑土的强度,kPa;β为极限应力圆的连线kf的斜率,

将式(2)代入式(1)得:

另外,从土的固(土颗粒)、液(水)、气(空气)三相关系分析,土体孔隙比、饱和度、含水率、土粒比重存在如下关系式:

式中:Sr为土体的饱和度,%;e为土体的孔隙比;w为土体的含水率,%;Gs为土粒比重。

就吹填土而言,土体是充分饱和的,即 Sr=1。将式(4)代入式(3)可得与正常重塑土强度 qf相对应的含水率wqf关系:

式(5)建立了强度与含水率的关系,适用于有明显强度的正常固结重塑土。因现场含水率测试比强度测试方便快捷得多,通式(5)可将吹填土加固的强度控制转化为较简易的含水率控制。

3 吹填土下沉量简易计算推导

从机理上分析,饱和软土地基在荷载作用下,沉降主要由瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降组成。

瞬时沉降(Sd)是在荷载作用下立即发生的沉降。对于饱和软黏土地基来说,变形是在体积不变情况下由负荷区域下剪应变引起的,当黏土的渗透性很低时,则几乎不发生排水。

固结沉降(Sc)是由于外荷载引起超孔隙水压力的水力梯度促使水从土中排出,应力增量转移到土骨架上引起土体的压缩而发生的沉降。

次固结沉降(Ss)主要部分是指有效应力不变的情况下发生的蠕变沉降。

基于简便实用的原则,规范推荐分层总和法作为常规沉降量计算方法,即用修正系数综合考虑初始沉降、次固结沉降的分层总和法。计算公式为:

式中:S为最终沉降量,cm;n为压缩层范围的土层数;e1i为第i土层在平均自重和平均附加固结应力作用下的孔隙比;e2i为第e1i土层在平均自重和平均附加应力共同作用下的孔隙比;hi为第i土层的厚度,cm;m为修正系数1.0～1.8,可按地区经验选取。

从式(6)可知,要采用分层总和法计算沉降量,除了地基土合理分层和确定适宜的修正系数外,必须可靠确定 e1i、e2i,而e1i、e1i则需要从土体压缩试验e-p或e-log p曲线成果中获得。一般情况下,吹填淤泥质土含固率为15%～25%,初始含水率可高达300%～ 800%,静置沉淀滤水后含水率仍达90%～130%,因此吹填土为流动状的浮泥或流泥,无法通过压缩试验获取e-p或e-log p曲线成果,但可以考虑不用压缩曲线而直接用含水率计算。

将式(4)代入式(6),并考虑吹填土加固后饱和度可能的变化,则可得到:

式中:w1i、w2i为第i层吹填土加固前后的含水率,%;hi为第i层吹填土加固前的厚度,cm;Gsi为第i层吹填土的土粒比重;Sri2为第i层吹填土加固后土体的饱和度。

式(7)中达到加固要求的含水率可通过式 (5)或直接现场实测得出。利用该式可估算吹填土下沉量,该量实际是淤泥吹填阶段的超吹填厚度,也反映出吹填土的超填比大小。

4 吹填土下沉量简易计算应用分析

(1)对难以通过压缩试验获取 e-p或e-log p曲线成果,可用式(7)计算吹填土的下沉量;对于能够获量e-p或e-logp曲线成果的,则可进一步验证对比吹填土的固结沉降量,此时式(7)取 m=1.0、n=1,对应单层大面积均质吹填土,饱和度为1.0时,吹填土的固结沉降量Sc=(w1-w2)×Gs×h1/(1+w1×Gs)。

(2)在吹填土工程加固处理完成时,若发生填筑面高程过低或过高的问题,都将直接影响工程后续进度与投资。填筑面高程控制除了需进行典型段现场试验确定外,前期合理估算吹填土超填比α同样是一项重要内容。

仅就吹填土单一土层而言,超填比α定义为吹填土初始厚度h1与吹填土压缩后的厚度 h2之比,则:

参照有关淤泥积土吹填工程资料,本文取Sr1=Sr2=1.0,w1=90%～130%,w2=50%～65%;当黏粒含量占40%～60%,粉粒含量占60%～40%时,吹填重塑土的比重Gs一般可取2.69～2.71,则吹填土的超填比为1.245～1.921(见表2)。

表2 不同吹填土压缩前后含水率、土粒比重情况下超填比计算结果表

在土工试验及工程实践中,通常将土饱和度大于等于95%时视同饱和土。为了探讨吹填土加固后近似饱和(取Sr1=1.0、Sr2=0.95)对超填比的影响。考虑单一吹填土层,代入公式 (8),则相应吹填土超填比α为1.204～1.864,相比减少了4.0%～5.6%。因此,吹填土加固后的不同饱和度的测定对吹填土超填比的估算结果有一定的影响。

上述计算仅适用于Gs不变的排水固结处理方法。

5 结 语

在吹填海积淤泥质土造陆工程中,吹填土的强度和下沉量是2项重要的控制指标。本文从正常固结重塑土具有抗剪强度—有效应力—含水率之间存在唯一的对应关系出发,分析了吹填土含水率与强度的关系、推导了下沉量简易计算方法,并对下沉量计算进行了应用探讨。传统的沉降量计算方法,以孔隙比与固结压力的曲线关系为基础,无法直接对吹填土进行沉降分析,且其结果不仅受土的物理指标影响,而且还受与力的大小计算值的影响;本文提出的吹填土下沉量计算方法仅包括土的含水率、密度、饱和度及厚度等4个最基本的物理指标,其测试方法可靠、简便,计算结果影响因素少,便于工程应用。

[1]亨开尔D.J..饱和重塑粘土的抗剪强度 [R]//不详.粘性土抗剪强度译文集 [M].北京:科学出版社,1965.

[2]魏汝龙.正常压密饱和黏土的抗剪强度理论 [J].岩土工程学报,1985,7(1):1-14.

[3]钱家欢.土工原理与计算 [M].北京:中国水利水电出版社,1996.