吹填土砂井地基离心模型试验研究

2021-05-17陈科平任新开贺勇吴丹伟

中南大学学报(自然科学版) 2021年4期

陈科平，任新开，贺勇，吴丹伟

(1.中南大学有色金属成矿预测与地质环境监测教育部重点实验室，湖南长沙，410083；2.广西柳州钢铁集团有限公司，广西柳州，545002)

自21世纪以来，沿海地区为解决用地紧缺问题，通常利用大型挖泥船在海域抽吸淤泥、砂土吹填到洼地，形成吹填陆域[1]。为提高吹填陆域的承载力，通常采用施工成本较低的真空预压方式进行处理[2]。由于吹填现场施工的不确定性和土体成分不均匀性[3]，吹填土体经真空预压后，地基各个区域固结沉降特性不同。为研究真空预压处理后吹填陆域的固结沉降特性，研究者一般基于太沙基固结理论进行分析，发现其理论计算结果与工程监测沉降结果相差较大。自Gibson 理论[4-5]提出以来，大变形固结问题得到了有效解决，克服了经典太沙基理论的缺点。近年来，不少研究者结合大变形、非线性等因素研究土体真空固结特性。INDRARATNA 等[6-10]采用大应变固结理论计算，发现土体固结沉降理论计算结果更加符合工程实际。闫澍旺等[11]利用变系数差分法分析吹填土固结特性，发现吹填土随着固结时间增加，平均固结系数逐渐降低，固结速率逐渐变小。孙立强等[12]通过编制适合吹填土地基的有限元程序并进行分析，得到了吹填土地基沉降和孔隙水压力变化的发展趋势。上述研究者提出的固结理论基于一定的地层条件，难以适用于不均匀的吹填地层，为此，学者通过模型试验探究吹填土体的固结沉降特性。在吹填土真空预压模型试验方面，DONG等[13-17]通过建立模型试验，采用试验监测结果和数值分析研究了吹填土固结沉降特性。唐益群等[18]通过建造室内模型进行固结试验，发现上海地区吹填土沉降量和固结有效应力成正比。邱长林等[19]通过自主设计的室内真空预压实验装置研究吹填土的固结变形特性，发现体应变和轴向应变与真空压力呈双曲线关系，孔隙比和真空压力的对数成线性关系。室内模型试验只能局限于单一典型的土体开展，不具有整体代表性，为更加符合工程实际，需对吹填土进行离心试验研究。在吹填土离心模型试验方面，FENG 等[20-22]在离心机中模拟现场施工，通过离心模型试验研究了施工对地表沉降的影响。LIU等[23]基于某真空预压工程，开展离心模型试验，获得了土压力变化曲线和工后2 a的最终沉降量。HU 等[24]建立了水下真空预压模型，在不同加速度的离心机中进行试验，发现膜下真空度损失会引起土体中孔隙水压力增大。YOO 等[25]通过离心模型试验分析了非均质黏土层的固结特性，揭示了固结沉降、超孔隙水压力消散和孔隙率随深度分布的规律。杨坪等[26]采用大变形理论计算和离心实验的方法对上海地区吹填土进行固结沉降分析，发现吹填土采用大变形理论计算和离心模型试验所得最终固结时间和固结沉降量基本保持一致。王存等[27]用大型离心机对近海工程软土地基进行离心试验，用等效圆截面排水体代替塑料排水板，试验发现离心试验和理论计算土体固结度基本一致，表明该塑料排水板模拟方法具有可行性。理论计算、模型试验、离心试验往往只考虑单一地层，而针对多层复杂地层吹填土地基固结沉降的研究并不多见。为研究吹填土地基多层地层的固结沉降特性，本文作者采用砂井等效替代方法，将塑料排水板转化为等效砂井，在广西钢铁集团钢铁基地吹填地基取样，建立岩土物理模型，在土工离心机中开展试验，并在吹填地基现场对地表沉降和孔隙水压力进行监测，将土工离心试验结果与现场监测结果进行对比，综合分析吹填地基的固结沉降特性。

1 材料和方法

1.1 试验材料

为确保试验的准确性，在钢铁基地真空预压区域钻孔取样，从上至下依次为黏性素填土、吹填淤泥、粉细砂；取样后对影响土体固结的关键地层-淤泥层进行矿物分析和电镜扫描，并对各地层土样进行土工常规试验。

采用X线衍射(XRD)对吹填淤泥进行分析，发现吹填淤泥主要矿物为石英、云母、长石、高岭石、黄铁矿，如图1所示。矿物成分中以原生矿物为主，石英含量最高，其次是次生矿物，以黏土矿物高岭石为主，表明该区域吹填土含砂量大，且具有可塑性。

图1 吹填淤泥矿物成分衍射图Fig.1 Diffraction pattern of mineral composition of dredged silt

采用扫描电子显微镜(SEM)观察吹填淤泥中土粒表面颗粒和孔隙排列结构[28]，将其放大20 000倍，如图2所示。从图2可见：土粒之间孔隙较大，以絮凝状结构为主，结构较松散。

土样的基本工程性质如表1所示，其中黏性素填土呈硬塑状态，吹填淤泥呈流塑状态且含水率高。

1.2 试验仪器

试验所需仪器可分为试验平台、测量装置和辅助装置。

图2 吹填淤泥扫描电镜(SEM)图Fig.2 Scanning electron microscopy(SEM)image of dredged silt

试验在同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室TLJ-150离心机上进行；该离心机的最大容量为150 g·t，最大加速度为200g(1g=9.8 m/s2)，有效旋转半径为3.0 m。模型设计加速度为40g，模型箱长×宽×高为500 mm×500 mm×800 mm。

土体固结沉降试验主要采集地表沉降和孔隙水压力。土体沉降采用线性位移传感器(LVDT)测量，量程为100 mm；孔隙水压力采用孔隙水压力计测量，量程为0.5 MPa。本文主要选取相邻砂井连线中心和对角砂井连线中心这2 个位置进行观测，其中，相邻砂井连线中心指距离最近的2根砂井的连线中心，对角砂井连线中心指4根相邻砂井连线形成的正方形的中心。

辅助装置有定位板、薄壁套管、长臂筒、夹持器。定位板用来确定砂井打设的位置和孔隙水压力计埋设的位置；薄壁套管和长臂筒用来埋设砂井和孔隙水压力计，最大限度地降低对土体的扰动；夹持器用于固定位移传感器。

1.3 试验方法

1.3.1 砂井制作

吹填地基通过打设塑料排水板进行排水预压，由于塑料排水板的长×宽为100 mm×4 mm，难以在模型中实现，为解决排水板厚度尺寸效应问题，利用砂井等效替代法将塑料排水板换算为等效砂井，换算公式如下：

表1 吹填土样的基本工程性质Table 1 Basic engineering properties of dredger soil

式中：Dp为等效原型直径；b为塑料排水板宽度，b=100 mm；δ为排水板厚度；α为换算系数，α=0.96。

由上述公式得出等效原型直径Dp=66 mm，原型间距sp=900 mm。

根据文献[29]，将原型地基塑料排水板间距转化为试验模型砂井间距，转换公式如下：

式中：sm为模型砂井间距；Dm为模型砂井直径。模型箱的长×宽×高为500 mm×500 mm×800 mm，根据模型箱尺寸取sm=135 mm，则模型砂井直径Dm=10 mm，因此，可以在模型箱中打设16 根砂井，砂井布置如图3所示。

在离心模型试验中，砂井的制作是关键。采用滤纸制作的砂井袋代替塑料排水板滤膜，塑料排水板滤膜等效孔径不大于75 μm，选择孔径为30～50 μm 的中速定量滤纸，既能确保砂井袋渗透系数不影响土体排水，又能确保土粒不堵塞滤纸。砂土采用粒径不大于2 mm 的砂粒并填入砂井袋，使砂井充盈系数(即每根砂井灌砂量与按砂井直径计算的理论砂量之比)达1.05～1.10。

1.3.2 离心固结

离心固结时中，在施加荷载之前先对土样进行超饱和处理[30]、分层预固结[31]，使初始应力达到平衡状态。预固结结束后打设砂井，埋设孔隙水压力计，施加地层顶部荷载，安装位移计，开始固结，具体操作如下。

1)首先进行土样超饱和。将地基的3层土样分别进行晾晒、过筛、浸水饱和处理。为保证试验饱和度达到100%，浸泡2 周，并每晚用搅拌机进行充分搅拌。

2)预固结。待3层土样饱和完毕后，将土样上部的清夜用针管抽干，然后充分搅拌。测定3种土样含水率，得到超饱和土样含水率。由于土样固结前后的密度相同，固结前后含水率已知，故可以根据土样的模型高度利用如下公式计算模型箱中土样初始高度：

图3 模型箱布置图Fig.3 Layout of model box

式中：h1为土样初始高度；h2为土样模型高度；w1为土样初始含水率；w2为土样模型含水率；Gs为土样密度。土样的各种参数见表2。

先填入底层粉细砂至初始高度，启动离心机固结到模型高度。固结完毕后，填入吹填淤泥至初始高度，启动离心机进行预固结，并通过摄像机时刻观察淤泥层顶部的下降深度，当顶部下降到模型高度时，立即使离心机停止工作；填入上部黏性素填土至初始高度，离心固结到模型高度再次使离心机停止工作；此时，3层土样已经处于现场土层的物理状态[32]。利用已有辅助装置打设砂井和埋设孔隙水压力计，砂井和孔压计位置如图3所示，孔压计设置在相邻砂井连线中心，深度分别为模型箱深度(105 mm)和(210 mm)，对应原型地基深度为4.2 m和8.4 m。

表2 吹填土样固结离心模型试验参数Table 2 Centrifuge model test parameters

真空预压施工时抽真空设备对现场地基提供负压[33]，在试验中通常以正压代替负压来满足载荷要求，因此，在模型箱地基顶部覆盖砂土提供正向均布荷载。一般情况，真空预压最大负向固结压力为80～90 kPa[34]，故在地基土层上部提供85 kPa的正向均布荷载。

砂井和孔隙水压力计打设完毕后，在模型上部覆盖砂土，提供正向均布荷载。砂土覆盖前埋设沉降标，砂土覆盖后安装位移计，位移计位置如图3所示，设置在相邻砂井连线中心和对角砂井连线中心。所有调试工作完成后，开启离心机，在5 min 内加载到40g，运行1.125 h，相当于75 d真空预压现场施工。达到设计运行时间后，减小加速度直至停止。

1.3.3 数据处理

固结完毕后，整理分析数据。由于土工离心机利用自身提供的加速度为原型加速度的N倍，故离心试验将原型尺寸缩小为1/N，将固结时间缩短为1/N²，但孔隙水压力无放大缩小效应。本试验提供加速度为40g，所以模型长度为原型长度的1/40，模型时间为原型时间的1/1 600，模型孔隙水压力与原型孔隙水压力相同。

为与现场监测结果进行对比，需要对离心固结后的结果进行处理，主要是将土体在40g加速度下的沉降转化为土体在1g加速度下的沉降。原型孔隙水压力和模型孔隙水压力相同，无需转化。在离心机(0～40g)加速过程中，土体会发生一定沉降；因此，土体在加速度40g下的沉降应减去预固结过程中土体发生的沉降，即减去离心机恰巧达到40g时位移传感器采集的沉降，计算所得的沉降即为试验固结沉降，将其扩大40 倍，则转化为土体在1g加速度下的沉降。同理，从离心机达到40g加速度时开始作为土体固结起始时间，并将试验时间扩大1 600倍即可得到土体在1g加速度下的固结时间。

2 试验结果与分析

模型地基经离心机固结1.125 h 后，地基的3层土样状态达到现场固结状态。通过地基表面设置的位移传感器测得地层表面各点固结沉降与试验时间的关系如图4所示。

从图4可见：模型中各位置的沉降量随时间变化的关系曲线基本相似；前期固结0～5 min为离心机加速过程，此过程地应力急剧增加；后期固结5～102 min 为维持原型应力状态的真空预压固结过程；离心机从0加载到40g的过程中，土层的沉降先急剧增加，随后变缓，由此可知在离心机加载过程中，不可避免地发生土体固结沉降，且LVDT3 处的沉降明显比其他3 个位置的沉降大；在5～102 min，LVDT1 沉降从44.782 mm 开始到52.055 mm结束，对应地基原型沉降为290.92 mm；LVDT2 沉降从44.496 mm 开始到51.594 mm 结束，对应地基原型沉降为283.92 mm；LVDT3 沉降从47.928 mm 开始到56.340 mm 结束，对应地基原型沉降为336.48 mm；LVDT4的沉降从46.568 mm开始到54.153 mm 结束，对应地基原型沉降为303.40 mm。可知离心机在维持40g运行状态时，LVDT1，LVDT2 和LVDT4 的沉降较接近，而LVDT3的沉降比LVDT1，LVDT2和LVDT4的沉降大(LVDT1，LVDT2 和LVDT4 的平均沉降为LVDT3沉降的87%)。这是因为LVDT3位置受附近4 个砂井的影响，而其他位置主要受附近2 个砂井的影响。

图4 沉降随时间变化关系曲线Fig.4 Relationship between settlement and time

孔隙水压力随时间变化如图5所示。由图5可知：在0 到40g加载过程中，孔隙水压力急剧增加；在加速度为40g的运行过程中，孔隙水压力缓慢下降；前期离心机加速度不断增大，导致孔隙水压力急剧增加，后期离心机维持40g时的运行速度，孔隙水压力缓慢下降，且孔隙水压力降低较小；孔隙水压力降低较小，是由于在土体固结过程中，土体中的孔隙水排到土层顶部，未排出箱外，故土体中水位基本保持不变，孔压计测量得到的总孔隙水压力降低较小。根据图4和图5可得上述地基沉降主要是土骨架压缩并伴随孔隙水压力下降所致。

图5 孔隙水压力随时间变化关系曲线Fig.5 Relationship between pore water pressure and time

3 现场监测结果与模型试验结果对比

广西钢铁集团有限公司在防城港港口区新建钢铁基地，该基地所处区域为10年前吹填形成的陆域，施工单位采用真空预压进行地基处理。为保证模型试验结果的准确性，在取样点对真空压力、孔隙水压力和地表沉降进行观测，取样点地层相关参数如表3所示。在取样点布置1个孔隙水压力监测点、2个沉降监测点(监测点A和监测点B)和3个真空压力观测点(观测点1，观测点2和观测点3)，监测所得结果如图6～8所示。

表3 取样点土层厚度Table 3 Soil layer thickness at sampling point m

从图6可见：现场测得的真空压力变化趋势为先上升后下降，最后上升维持在85 kPa 左右；中间真空压力下降，可能是由于现场密封效果欠佳导致漏气；现场地基真空负压稳定后为85 kPa 左右，与离心试验土层顶部均布荷载相同。

图6 原型地基现场真空压力随时间变化关系曲线Fig.6 Vacuum pressure on site of prototype foundation with time

图7 原型地基现场孔隙水压力随时间变化关系曲线Fig.7 Relationship between pore water pressure and time on site of prototype foundation

从图7可见：原型地基中不同深度的孔隙水压力变化规律不同；深度为3 m和6 m的孔隙水压力在0～20 d内先减小后增大，20 d以后逐渐减小；深度为9 m 和12 m 的孔隙水压力在0～20 d 内略微下降，变化幅度不大，20 d以后也逐渐减小，变化速率与深度3 m和6 m时的几乎相同。土工离心模型试验取得的孔隙水压力与现场监测结果不同，在土工离心模型箱中先是急剧上升后缓慢减小。这是因为现场为真空设备提供负压，水从土体内排出导致原型地基水位不断下降，而模型试验为向上排水排入覆盖砂土，导致模型地基水位先升高后减小。故两者的孔隙水压力无法进行对比分析。

由图8可知：原型地基在真空预压开始到第10 d地表沉降明显，沉降速率较快，与现场孔隙水压力急剧下降相对应；10～70 d 内沉降逐渐加大，沉降速率基本恒定；70 d后，沉降仍发生，但沉降速率稳定且很小，沉降维持在300 mm左右；而模型地基沉降在固结到70 d 时也维持在300 mm 左右，沉降仍继续，且沉降速率很小。对比现场监测沉降结果与模型试验沉降结果，两者沉降速率明显不同，0～10 d 时现场沉降速率较快，10～70 d时两者沉降速率相近，但是两者最终沉降几乎一致。这两者沉降速率不同，其原因是原型地基排水方式与模型试验地基排水方式不同。原型地基孔隙水压力先下降后上升再下降，而模型试验中孔隙水压力在40g固结过程中低速下降，表明现场真空负压对孔隙水压力的影响较大，能使孔隙水压力快速降低，原型地基中水快速排出，进而造成地表沉降速率较快。