流态吹填土状态划分及变形计算方法

2019-10-24林澍闫澍旺闫玥付登锋

中国港湾建设 2019年10期

林澍，闫澍旺，闫玥，付登锋 *

（1.天津大学，水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.天津大学建筑工程学院，天津 300072；3.海南大学土木建筑工程学院，海南海口 570228）

0 引言

填海造陆工程中，由疏浚淤泥经水力吹填形成的流态吹填土属于无初始结构的宾汉体，土颗粒处于漂浮、分散的状态，土体孔隙比大、含水率高、压缩性强，表现出明显的流体特性，与常规的结构性天然沉积土在变形、力学特性等方面存在很大的差异。因此，吹填土真空预压加固中的沉降及标高预测难度大，是吹填土加固工程中的重要问题之一。

目前，吹填土的沉降计算主要有3大类方法。第1类为经典理论方法，主要采用不同的固结理论及与其相应的修正理论进行吹填土变形分析[1-3]。第2类为数值计算方法，通过有限元、有限差分、离散元等进行数值模拟分析[4-5]。第3类为基于工程实测数据建立沉降预测模型的方法[6-9]。在上述3类方法中，前两类方法主要适用于具有明显结构性和固体特性的土体变形计算，而对于流态吹填土变形计算而言，所得结果会偏小许多；第3类方法基于实测数据进行推测，主要适用于预测吹填土后期沉降，而对于初期流态阶段吹填土变形计算适用性亦不佳。另外，对于某些吹填土加固工程来说，有时需要控制地基的含水率和标高，并需要根据加固后的目标含水率和标高要求推算加固前吹填土的设计标高，以便确定工程量[10]。因此，合理、有效的流态吹填土变形计算方法仍是一个亟待研究的课题。

为此，本文首先通过流变试验确定了流态吹填土的含水率变化范围，然后针对该范围内流态吹填土的状态及特性变化提出分析其变形的物理指标法。最后，通过试验案例分析对物理指标法的合理性与可靠性进行了验证。

1 流态吹填土状态划分

1.1 流变试验

1.1.1 试验土样

试验土样以天津滨海新区南港工业区浅海区的天然土体为原料，原状土的初始物理指标如表1所示。

表1 流变试验天然土样物理性质Table 1 Physical parameters of the natural soil sample in rheology tests

在原状土中加入蒸馏水，拌和制备不同初始含水率的吹填土样。本次试验中共选取10组不同含水率的吹填土样进行测试，含水率分别为62%、66%、71%、75%、81%、83%、86%、90%、99%、115%。

1.1.2 试验仪器

试验采用的仪器为DV-I数字旋转黏度计，如图1（a）所示。采用RV转子进行测试，适用于黏度适中（Medium Viscosity）的流体，共有18档转速，可测量的黏度范围为 0.1×104～1.3×104Pa·s。

图1 流变试验仪器及步骤Fig.1 Rheology test apparatus and procedures

该旋转黏度计测试原理为：将转子以一定的速率旋转，从而对试样施加剪应力，当转子与土体间达到平衡状态后，通过转子与试样接触面处的力矩平衡关系，可得到试样的黏度、剪切速率、剪应力等数据，从而得到土样的剪应力-剪切速率关系曲线，即流变曲线。

1.1.3 试验步骤

如图1所示，流变试验按以下步骤进行：

1）连接仪器并校零，选定合适的转子，调整仪器测试模式至与所选转子相匹配的状态。

2）在烧杯中配置好待测土样后，置于转子正下方，并将仪器下调至转子底部与样品表面相接近后，将转子底部尖端与样品表面中心对齐，再缓慢下调仪器，直至转子完全浸入土样中、土样表面与转子上的刻度线相齐平为止。

3）在不同转速下进行流变试验，由转速小的档位开始试验，依次增加至转速大的档位，每个档位下测试1 min后读数，以保证读数时转子与土体间达到稳定状态。记录每个档位下土体的剪应力与剪切速率。

4）某一档位下测试结束后，切换至下一档位，重复步骤3，直至全部测试完毕。

5）根据测试结果，绘制流变曲线。

1.1.4 试验结果分析

将各组流变曲线进行汇总，可以得到不同含水率吹填土样的流变曲线族，见图2。从流变曲线族中可以看出，流变曲线形状的变化随含水率的改变而呈现一定的规律性。含水率较小时，土体以固相为主，具有较明显的固体属性，流变曲线在开始剪切时出现明显的初始剪应力，体现其具有一定的抵抗剪切变形的能力，与其初始结构性有关。随着剪切速率的增大，流变曲线从某个初始剪切力开始略微下降，呈现出弱化的趋势。当剪切速率继续增大时，流变曲线将转折上升，随着剪切速率增大而增大，最后曲线增长程度变缓并趋于一个稳定值，呈现出流体的剪切流变特性。

图2 不同含水率土样流变曲线Fig.2 Rheological curves of soil samples with varied water content

1.1.5 流态吹填土状态划分方法

根据流变试验结果，当吹填土的流变曲线具有明显初始剪应力时，可认为其开始具有明显结构性和初始强度，已明显具备固体属性，不再划归为流态吹填土，相应的含水率可视为吹填土状态划分的界定值。当含水率大于该界定值时，认为土体属于流态吹填土。

根据上述思想，由图2所示流变曲线可知，若认为初始强度小于20 Pa时土体无明显初始结构，则本文所选试样的状态划分含水率界定值约为70%，即1.5倍液限。

2 流态吹填土变形计算方法

2.1 计算原理

根据土的三相关系可知，饱和土体可视为液相和固相的两相组合体[11-12]。由于宾汉流态吹填土基本无初始结构，其固相多为分散的土颗粒，而非具有一定空间结构的土骨架。真空预压的固结作用将吹填土中的孔隙水排出并使其孔隙压缩，使土颗粒聚集在一起形成一定的结构，从而达到提高土体强度的目的。因此，对于吹填土来说，真空预压加固前后的固相体积基本上保持不变，其沉降变形量与液相的减少量相一致。基于这一认识，只需知道液相在加固过程中的减少量，就能估算出土体的沉降，从而对吹填土地基进行标高预测。

2.2 计算方法

图3为吹填土的加固沉降示意图，吹填土底部原天然地基土的标高为Hb，吹填土加固前的顶面标高为Ht1，加固后的顶面标高为Ht2。若忽略原天然地基沉降，吹填土加固前和加固后的厚度h1、h2可分别表示为

假设吹填土加固区域面积为As，则吹填土加固前和加固后的厚度亦可分别表示为

式中：V1、V2分别为加固前、后的土体总体积；e1、e2分别为加固前、后吹填土的孔隙比；w1、w2分别为加固前、后吹填土的天然含水率；γ1、γ2分别为加固前、后吹填土的天然重度。

图3 吹填土加固中沉降示意图Fig.3 Schematic of slurry foundation settlement during consolidation

联合式（3）和式（4）可得加固前、后吹填土厚度的比值为

根据式（5），可由加固前标高Ht1推算加固后标高Ht2，或根据加固后设计标高Ht2推算加固前吹填标高Ht1。另外，根据图3可知，吹填土地基加固完成后的沉降S可表示为加固前、后吹填土顶标高Ht1和Ht2的差值，即

由此，可根据吹填土加固前、后的标高和土体基本物理指标，采用本文提出的物理指标法对吹填土加固中的标高和沉降进行分析、预测。

从定义和土体三相关系角度描述土体状态，理论上来说是最为准确的。因此，根据吹填土真空预压加固前后的土体状态来对其变形特性进行分析，物理意义明确，且可以忽略其加固过程中的力学过程和加固方法的影响，适用性强。

图4 疏浚淤泥真空预压试验沉降分析Fig.4 Settlement analysis of dredged slurry in vacuum preloading test

3 案例分析

3.1 试验介绍

本例为张骞[13]针对广州南沙二期吹填土所进行的真空预压试验。土样属海相淤泥土，为珠三角地区一类具有代表性的吹填土，其基本物理指标如表2所示。试验中，土体加固前的基本物理指标如表3所示。

表2 广州南沙二期吹填土基本物理指标Table 2 Basic physical parameters of slurry in secondterm project at Nansha,Guangzhou

表3 试验中吹填土加固前的基本物理指标Table 3 Basic physical parameters of slurry before consolidation test

3.2 试验结果分析

图4（a）为真空预压加固过程中吹填土含水率变化曲线[13]。由含水率变化范围及表2中土体液限可知，加固后土体含水率降至约1.7倍液限，整个试验过程中土体均可视为流态吹填土，因此可采用物理指标法对其进行变形分析。根据图4（a）所示实测含水率曲线，可得到如图4（b）所示的试验实测沉降曲线与物理指标法所得沉降曲线的对比情况。

由图4可知，物理指标法所得沉降曲线与实测沉降曲线基本吻合。加固后，土体的含水率基本降至88%左右，对应的沉降值约为40 cm。另外，由于计算中采用的含水率为土体的平均含水率，物理指标法得出的沉降计算值比实测值偏小，但总体上两者的变化量和变化趋势基本一致。由此可见，通过物理指标法对流态吹填土真空预压加固进行沉降计算是有效且合理的。