台州地区吹填土的工程特性及土性指标分析

(1.浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023；2.浙江建设职业技术学院 建工系，浙江 杭州 311231；3.中国电建集团 华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

随着我国沿海地区经济的迅速发展，土地资源缺乏问题日益突出，吹填法为解决这一问题提供了一种新的途径。该技术是用铰吸船将泥浆搅拌成一定浓度的泥水混合物，再经过管线排放到指定低洼区域使其变为陆地的方法[1]。该方法形成的吹填土地基往往具有天然含水率大、塑性指数大、孔隙比大、重度小、压缩性高、渗透性低等特点，其土性指标具有很强的地域特征和显著的不确定性。目前，国内外学者通过室内试验与现场实测对软土的工程特性和土性指标进行了初步研究，得到了土性指标的相关性和经验公式并将其应用到工程设计和施工中。在分析时，可采用数理统计等方法分析土体物理力学性质指标的变化范围、变异性、指标间的相关性以及各指标的统计分布规律，建立各指标的概率分布模型和指标间的拟合公式[2-9]。同时，软土工程特性的研究主要包括软土的固结和次固结变形、固结过程中的蠕变现象等。周秋娟等[10]研究了加荷比、应力历史、超载预压对软土次固结变形的影响。苑晓青等[11]、邱长林等[12]和王常明等[13]通过分级加荷方法研究了软土固结过程中应力—应变随时间的变化规律，分析了软土的固结变形特性及影响因素。这些研究成果从不同方面揭示了不同地区软土的工程特性，丰富了现有土力学和软基处理相关理论，并用于指导工程实践。

为进一步分析吹填土的工程特性及基本物理力学性质指标的相关性，笔者取台州东部新区经过一次真空预压处理后的吹填土进行室内外土工试验，获得该地区吹填土的基本物理力学性质指标，并对其进行统计分析，分析吹填土的固结特性，对影响固结的因素进行分析，为吹填土地基处理和设计提供参考。

1 台州东部新区吹填土的工程特性及地基处理方式

台州东部新区处于台州湾循环经济产业集聚区东部组团，属新围垦区。区内3.0～5.0 m范围内土层为吹填土，具有天然含水率大、孔隙比高、压缩性大、抗剪强度低、渗透系数小等特点，一般呈软塑到流塑状态。吹填土主要物质为东海海底堆积物，呈浅灰黄色、灰色，流塑，主要由淤泥质粉质黏土组成，含少许贝壳碎屑及腐殖物。吹填土下伏20.0～40.0 m的淤泥质黏土，其特征为流塑状、高压缩性、高灵敏度，工程性质极差。

根据常见软基处理方案的特点，并结合集聚区建设周期以及工程投资造价等因素，东部新区内地基处理方案为：地块区采用无砂垫层真空预压地基处理方式，处理深度约为6.0 m，排水板间距0.7 m，预压时间120 d；道路区主干路采用两次真空预压法处理方案，第一次为无砂垫层的真空预压法，处理5 m范围内的吹填土，排水板间距0.7 m，预压时间45 d，第二次为有砂垫层真空—堆载联合预压法，排水板间距0.8 m，处理深度约23 m，预压时间180 d；道路区次干路采用一次无砂垫层真空预压法，处理深度约为12.0 m，排水板间距0.7 m，预压时间150 d。台州东部新区工程平面图如图1所示。

图1 台州东部新区工程平面图Fig.1 Sketch of Taizhou eastern new district project

土的颗粒组成及其相对含量，可采用颗粒级配曲线进行描述。通过该曲线可直接判断土的颗粒组成、颗粒分布及颗粒级配的优劣，从而评估土的工程性质。在台州东部新区吹填土颗粒分析时，利用筛分法和密度计法对现场取的吹填土土样进行粒度分析。根据颗粒分析试验结果，可获得吹填土的颗粒组成和分布情况，其结果如图2所示。由图2可知：台州东部新区吹填土的粒径大部分小于0.075 mm，占全部粒组含量的98.6%；小于0.005 mm的黏粒含量占55.5%。这说明台州东部新区吹填土主要以黏粒为主，其次是粉粒。

图2 台州地区吹填土的颗粒级配曲线Fig.2 The grading curves of dredger fill in Taizhou district

2 台州东部新区吹填土物理力学指标的统计关系研究

为揭示台州东部新区经一次真空预压处理后吹填土物理力学性质指标的相关性，对图1的聚海大道、鲍浦大道、规划路、海豪路、海才路、集兴路、聚贤路、青龙浦路、月湖北路、月湖南路、长浦路等区段的地基土进行室内外试验，获得吹填土的基本物理力学指标，包括天然含水量w、土粒比重Gs、重度γ、干重度γd、饱和度Sr、孔隙比e、液限wL、塑限wp、压缩系数α1-2、压缩模量Es、固结系数Cv、黏聚力c、内摩擦角φ等，并进行统计分析，其结果如表1所示。

表1 一次预压处理后的吹填土物理力学指标统计Table 1 Statistical data of physical-mechanical indexes of Taizhou dredger fill after primary vacuum preloading

从表1中可看出，该地区吹填土具有以下特性。

2.1 天然含水率高

一次真空预压后的吹填土天然含水量变化范围为26.0%～53.5%，统计均值为39.7%；液限变化范围为27.7%～49.9%，统计均值为38.6%；塑限变化范围为17.6%～26.3%，统计均值为21.9%；塑性指数为10.1～23.6，统计均值为16.7；液性指数为0.78～1.27，统计均值为1.1。这些数据表明经一次真空预压处理后的吹填土仍属于低液限黏土，处于流塑-软塑状态。

2.2 压缩性较高

经一次预压处理后的吹填土压缩系数为0.40～1.26 MPa-1，统计均值为0.76 MPa-1，压缩模量为2.04～4.80 MPa，统计均值为2.91 MPa，属于高压缩性土。经预压处理后吹填土的压缩系数随孔隙比、液限、含水量的增大而变大，符合台州滨海地区特殊土地质环境。

2.3 天然重度小、孔隙比大

经一次处理后的吹填土天然重度的变化范围为15.9～19.1 kN/m3，统计均值为17.7 kN/m3；干重度的变化范围为11.51～13.22 kN/m3，统计均值为12.42 kN/m3，整体看来天然重度普遍偏小。孔隙比变化范围为0.78～1.52，统计均值为1.14，大于1.0，可知吹填土的孔隙比较大，对基坑变形、建/构筑物的沉降和不均匀沉降影响较大。

2.4 抗剪强度低

黏聚力和内摩擦角值大小直接反映土体的强度大小。从表1可见，经过一次真空预压处理后的吹填土黏聚力为9.0～29.0 kPa，统计均值为13.7 kPa；内摩擦角为8.5°～12.8°，均值为10.2°，表明此时吹填土仍很软弱，仍需要进行进一步处理才能作为建/构筑物的地基。

2.5 渗透性小

台州东部新区经一次真空预压处理后的吹填土的固结系数为(0.97～5.31)×10-3cm2/s，统计均值为1.98×10-3cm2/s。所以，台州地区吹填土的渗透性很小，固结非常缓慢。当土中有机物含量较多时，渗透性更低。因此，在地基处理时，需要打设各种类型的排水体，以加速吹填土的排水固结。

从表1的吹填土物理、力学性质指标的变异系数统计值可知：吹填土的重度、饱和度和比重的变异系数偏小，用概率方法来分析地基变形时，可不考虑土的重度、饱和度和比重变异性的影响；其他物理指标(如含水量、孔隙比、液限、塑限等)的变异系数相对较大，对指标的选取有明显的影响；吹填土力学指标的变异系数较大，并明显大于物理指标的变异系数。因此，在分析吹填土地基变形时，需要考虑土体力学指标变异性的影响。

3 吹填土物理力学指标的统计关系

根据台州市东部新区吹填土大量的工程实践并结合试验结果可知，影响吹填土压缩性的物理指标主要是含水量、液限、塑限和天然孔隙比等。因此，下面用数理统计的方法来研究经一次真空预压后的吹填土物理指标间的相互关系和分布规律，通过数据进行拟合得到的拟合方程可以估算该地区吹填土的物理力学特性，供工程应用参考。

3.1 天然孔隙比与含水量的关系

对台州东部新区经一次真空预压处理后吹填土的天然含水量w与天然孔隙比e进行线性回归分析，其结果如图3所示。其中，拟合方程为e=0.026 7w+0.093 5，相关系数R2=0.863，说明吹填土层的孔隙比越大则含水量越高，其相关性良好。

图3 吹填土天然含水量与天然孔隙比的关系曲线Fig.3 Relationship between water content and void ratio of dredger fill

3.2 天然含水量、天然孔隙比与液限的关系

对台州地区吹填土天然含水量w、天然孔隙比e与液限wL进行线性回归分析，其结果如图4，5所示，其拟合方程分别为wL=0.825 5w+5.937 5，wL=27.216e+7.440 6，相关系数R2分别为0.902 2，0.806 4，说明吹填土的液限越大则含水量和孔隙比越高，其相关性较好且拟合曲线的离散性较低。

图4 吹填土的天然含水量与液限的关系曲线Fig.4 Relationship between water content and liquid limit of dredger fill

图5 吹填土的孔隙比与液限关系曲线Fig.5 Relationship between void ratio and liquid limit of dredger fill

3.3 天然含水量、天然孔隙比与塑性指数的关系

对台州吹填土天然含水量w、天然孔隙比e与塑性指数Ip进行线性回归分析，如图6，7所示，拟合方程分别为Ip=0.524 9w-3.218 8，Ip=19.597 4e-4.975 1，相关系数R2分别0.818 7，0.940 5，表明吹填土的塑性指数越大，则含水量和孔隙比越高，其相关性较好且拟合曲线的离散性较低。

图6 吹填土的含水量与塑性指数关系曲线Fig.6 Relationship between water content and plasticity index of dredger fill

图7 吹填土的孔隙比与塑性指数的关系曲线Fig.7 Relationship between void ratio and plasticity index of dredger fill

3.4 液限与塑限的关系

对台州吹填土液限wL与塑限wp进行线性回归分析，其结果如图8所示，拟合方程为wp=0.281 6wL+11.062，相关系数为R2=0.576 3，表明经一次真空预压后的吹填土的液限wL与塑限wp之间没有明显的线性相关性。但从总体趋势上看，塑限wp随液限wL的增加而增加。

图8 吹填土的液限与塑限关系Fig.8 Relationship between liquid limit and plastic limit of dredger fill

4 吹填土的固结特性

地基土的固结变形一般分为主固结变形和次固结变形，主固结过程又称渗透固结，是指饱和黏性土在受到压力后，土中的孔隙水被排出，孔隙水压力慢慢减弱至零，有效应力增加的压缩过程。次固结是指在外荷载作用下，饱和黏性土主固结完成后土体体积仍然会随时间递增而逐渐减小的过程。在分析地基土的变形特性时，从施工现场取有代表性的吹填土并采用侧限压缩仪进行试验。为此，将吹填土原状土样制成高度2 cm、表面积30 cm2的圆柱体，采用分级加荷的方式进行固结试验。分级荷载为25，50，100，200，400 kPa。试验过程中，考虑主固结完成后土样会发生蠕变现象，每级加载时间均超过4 000 min，在加载时间达到要求的条件下，才可以施加下一级压力。整理试验结果得出应力、应变、孔隙比、压缩模量、时间之间的关系。

4.1 应力—应变等时曲线

在整理试验结果时，将同一时刻下不同固结压力的应变连成曲线，得到应力—应变等时曲线(这里仅考虑主固结阶段，故压缩时间只取1 440 min内)，其结果如图9所示。从图9可以看出：在竖向荷载小于50 kPa时，固结压力小，曲线呈现出线性关系，轴向应变随固结压力增大而逐渐增大，有效应力增加，孔隙水压力逐渐变小，曲线斜率较大，土体原有结构没有被破坏，此时土体呈黏弹性体；当荷载大于50 kPa后，固结压力相对较大，曲线呈非线性，土体应变随竖向压力增大而逐渐增大，曲线斜率随压力的增大而逐渐变小，土体颗粒间的接触面积增大，原有结构被破坏，压缩速度逐渐变慢，此时土体呈黏塑性状态。

图9 台州吹填土的应力—应变等时曲线Fig.9 Isochronous curves of stress-strain of Taizhou dredger fill

4.2 孔隙比—压力曲线

通过侧限压缩试验，可得孔隙比—压力的关系曲线，其结果如图10所示。该曲线可反映土的压缩特性和土骨架的力学特性。从图10可见：在竖向应力超过50 kPa后，曲线斜率慢慢趋向平稳，压缩速率变慢，这是由于土骨架结构性屈服所致。

图10 吹填土的孔隙比与应力关系曲线Fig.10 Relationship between void ratio and stress of dredger fill

4.3 压缩模量—应力关系

土的压缩模量可表示土体抵抗外荷载的能力。压缩模量越大，说明土体抵抗外荷载的能力越大，变形越小。图11给出了吹填土的压缩模量与应力的关系曲线。从图11可知侧限应力条件下吹填土的压缩模量随应力的增加而增加。开始压缩时孔隙较大，土骨架容易变形，土抵抗外荷载的能力较弱；随着应力的增加，土体逐渐变得密实，孔隙减小，土抵抗外荷载的能力变强，土体的压缩模量就增大。

图11 吹填土的压缩模量与应力关系曲线Fig.11 Relationship between compression modulus and stress of dredger fill

4.4 蠕变现象

蠕变是指在一定压力作用下变形随时间增大的现象。台州东部新区的吹填土经一次真空预压处理后仍具有高含水量、高压缩性、低渗透性等特征，其蠕变现象非常明显。在大多数情况下，外荷载作用下土体的主固结完成后，如仍发生显著的蠕变变形，可能导致建筑物破坏。为研究土样的蠕变现象，分级加荷压缩试验中每级固结时间均超过4 000 min。

图12，13为选取的台州东部新区具有代表性的吹填土的分级加荷压缩固结的试验结果。从图12可知：当应力开始作用前一段时间，应变变化量大，这段时间就完成了大部分主固结，变形呈非线性发展；当应力作用一段时间后，蠕变是稳定的并且随时间的推移趋于稳定。总应变为各级应变量之和，即随着各级固结压力作用下土体的总应变随时间增长而逐渐增大。图13为应变速率与时间双对数曲线。从图13可知：各级固结压力下的拟合曲线具有较好的线性相关性。固结压力分别设为25，50，100，200，400 kPa下的拟合方程和相关系数依次为：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。由相关系数可知应变速率与时间双对数曲线相关性极好，由此可见台州吹填土符合应变速率与时间双对数关系，其拟合方程为

ln(ε/t)=alnt+b

(1)

式中，a，b为拟合参数，实际应用中可根据拟合方程求得台州吹填土在不同固结压力下某一时刻应变大小。

图12 应变—时间关系曲线Fig.12 Relationship between time and stress

图13 应变速率与时间双对数关系曲线Fig.13 Relationship between double logarithm strain rate and time

5 结 论

采用室内和现场试验研究了经一次真空预压处理后的台州东部新区吹填土的工程特性及土性指标的相关性。结果表明：经一次预压处理后的吹填土工程性质仍然很差，天然含水率与孔隙比、液限、塑性指数的相关性以及孔隙比与液限、塑性指数的相关性较好，但塑限与液限关系相关性较差；一次真空预压后的台州吹填土固结压缩试验的固结压应力—应变等时曲线以及次固结蠕变关系曲线具有明显的非线性特性。