溫州吹填土的沉降特性研究

熊 雄，彭 吉力，2，張 坤，胡 陽

(1.河海大學(xué) 巖土所，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210098；3.恩施州城市規(guī)劃管理局規(guī)劃院，湖北恩施 445000；4.金陵科技學(xué)院，江蘇南京 210000)

0 引 言

吹填造陸剛吹填的淤泥，需要進(jìn)行大量的處理時(shí)間，形成軟弱土基礎(chǔ)。海底吹填淤泥具有含水率高、靈敏度高、壓縮性高、滲透性低、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)[1-3]，不能作為場(chǎng)地土直接使用，要對(duì)其進(jìn)行處理。在選擇合適的處理工藝前，對(duì)吹填淤泥的沉降特性研究是必要的，既可以對(duì)吹填參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，也可以對(duì)吹填后處理方法的選擇提供依據(jù)。

已有一些學(xué)者對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行了研究。Been等[4]利用沉積柱試驗(yàn)研究了粉質(zhì)黏土的自重沉積固結(jié)特性，測(cè)得不同初始密度泥水混合物在自重沉積過程中的影響情況。吳正友[5]和洪振舜[6]分別通過理論和實(shí)踐，證實(shí)沉積中自重固結(jié)階段為大變形非線性的。劉瑩、王清等[7-8]對(duì)連云港和青島的吹填進(jìn)行了系列室內(nèi)模擬試驗(yàn)和沉積試驗(yàn)，分析出了吹填土的沉積的兩個(gè)階段，并總結(jié)了相關(guān)的沉積特性。詹良通等[9]對(duì)浙江海底淤泥進(jìn)行了沉降柱試驗(yàn)，對(duì)比了不同初始密度、陽離子類型和濃度對(duì)沉積的影響。

針對(duì)溫州吹填土的沉積特性研究不足的情況，本文以溫州吹填海底淤泥為研究對(duì)象，開展了基本的物理力學(xué)指標(biāo)試驗(yàn)和沉降柱試驗(yàn)，對(duì)吹填淤泥的基本特性和沉降特性進(jìn)行了研究。

1 吹填海底淤泥基本物理性質(zhì)

場(chǎng)地在吹填之前，場(chǎng)址區(qū)所屬地貌單元為浙東南濱海區(qū)河口相沖海積平原，場(chǎng)地原為圍墾淤積形成，場(chǎng)內(nèi)地形相對(duì)平坦，區(qū)內(nèi)溝汊、養(yǎng)殖塘密布，吹填前地面標(biāo)高一般為2.80 m～3.5 m。吹泥船將海底淤泥與海水混合物吹至圍墾區(qū)，形成陸地，吹填的厚度為2.5 m～3.5 m。

為了解溫州吹填淤泥的基本特性，進(jìn)行了粒度成分、易溶鹽以及物理指標(biāo)等系列實(shí)驗(yàn)。

1.1 粒度成分

顆粒分析指土中各種大小土粒的相對(duì)含量。土的粒度成分及顆粒形狀都與土的成因類型有密切關(guān)系。土粒的粒徑對(duì)吹填土加固的施工工藝和方法均有較大影響，細(xì)顆粒含量較多，則土樣滲透性較差，排水固結(jié)難度較大，粗顆粒含量大，吹填土加固相對(duì)較為容易。

吹填淤泥土樣取自溫州丁山圍海造地工程現(xiàn)場(chǎng)，土樣的天然含水率96.9%，土顆粒比重2.687。采用河海大學(xué)的mastersizer2000激光衍射法粒度分析儀進(jìn)行顆粒分析，顆粒分析曲線見圖1。

圖1 顆粒分析曲線

由圖1可以看出丁山墾區(qū)吹填區(qū)的新近吹填淤泥土工程性質(zhì)很差，所有粒組都是細(xì)粒，粘粒含量超過40%，粒徑在0.075 mm～0.005 mm之間的粉粒含量為52.8%，粒徑小于0.005 mm的粘膠粒含量為42%，說明吹填淤泥土顆粒很細(xì)，以粉粒和粘粒為主，其中粉粒含量較高。天然孔隙比大于2.0，據(jù)此，可將該吹填后的土歸類為淤泥。該土的細(xì)顆粒含量較多，加固較為困難。

1.2 易溶鹽成分及含量

易溶鹽的含量、成分和狀態(tài)及其變化對(duì)土粒表面擴(kuò)散雙電層的性狀和結(jié)構(gòu)連結(jié)的特性等有較大的影響，從而引起土的物理性質(zhì)發(fā)生變化。本項(xiàng)目采用滴定法吹填土的易溶鹽成分進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)所用海水取自溫州丁山海域，其中鹽類的總含量3.0%，以NaCl為主，占 80%，MgCl2、MgSO4、KCl共占 20%。可見易溶鹽的含量是很大的，對(duì)土的加固的影響較大。

1.3 吹填淤泥的物理性質(zhì)指標(biāo)

吹填施工剛完成時(shí)，整個(gè)場(chǎng)地處于泥漿狀態(tài)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為松散，含水率極高，無法直接進(jìn)行人工或機(jī)械作業(yè)。吹填土的物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著沉降時(shí)間產(chǎn)生極為緩慢的變化，在自然晾曬若干時(shí)間后，表面形成一定厚度的龜裂狀硬殼層，硬殼層和下面的吹填軟土層的工程性質(zhì)差異明顯:

吹填硬殼層:灰色，由吹填淤泥表部出露水面部分經(jīng)晾曬形成，厚約10 cm～30 cm，含水率由地表向下遞增，欠固結(jié)，高壓縮性，孔隙比大于1.5，其力學(xué)性質(zhì)優(yōu)于吹填淤泥層；

吹填淤泥層:分布于硬殼層下，灰黑色，稀軟，欠固結(jié)，含水率高達(dá)100%以上，孔隙比＞2.5，含有砂粒或砂團(tuán)，礦物成分主要為伊利石和高嶺石，其工程性質(zhì)明顯差于上覆硬殼層及原狀海相淤泥。

由于吹填剛完成時(shí)吹淤區(qū)泥漿處于流動(dòng)狀態(tài)，難以進(jìn)行取樣試驗(yàn)，僅能測(cè)定吹填淤泥的含水率、孔隙比、飽和容重等基本物理指標(biāo)。吹填工完成一定時(shí)間后，待土體具有一定的強(qiáng)度方可進(jìn)行鉆孔取樣實(shí)驗(yàn)，測(cè)定壓縮系數(shù)、強(qiáng)度指標(biāo)等。

總結(jié)以上，吹填軟土具有如下的工程性質(zhì):(1)吹填完成時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)土的工程性質(zhì)的影響很大；

(2)吹填淤泥含水率、液性指數(shù)、孔隙比、壓縮系數(shù)等指標(biāo)最高，而其他指標(biāo)最低，表明其物理、力學(xué)性質(zhì)極差。

(3)吹填淤泥強(qiáng)度和地基承載力很低，且靈敏度很高。新近吹填淤泥的十字板強(qiáng)度幾乎為零，而沉降18個(gè)月后強(qiáng)度仍不足10 kPa。

2 沉降柱實(shí)驗(yàn)

針對(duì)溫州吹填土的沉降特性的研究，進(jìn)行了一系列沉降柱試驗(yàn)，對(duì)比了不同的影響因素。

2.1 實(shí)驗(yàn)概況

本次實(shí)驗(yàn)以溫州吹填海底淤泥為研究對(duì)象。首先，制備土樣并測(cè)定土樣的含水率，試驗(yàn)中選用2 mm孔徑的篩子過濾成散粒狀的土，去除土內(nèi)含有的碎石等雜物。然后，采用5個(gè)為塑料量筒(直徑87.14 mm)、5個(gè)為玻璃量筒(直徑78.5 mm)進(jìn)行沉降柱試驗(yàn)。

配置初始孔隙比為 8、9、10、11、12 的土樣各兩個(gè)(具體配比方案見表1)，分為兩組，一組倒入編號(hào)分別為1、2、3、4、5 的玻璃量筒中，另一組則對(duì)應(yīng)的倒入編號(hào)分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的塑料量筒中，用攪拌器上下攪拌，攪拌后即開始計(jì)時(shí)，隨著泥土的沉降，泥水會(huì)分離，出現(xiàn)分界面。記錄不同時(shí)間的泥水分界面的高度、繪制沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線。通過試驗(yàn)繪制吹填土的自重沉降的沉降量與時(shí)間的關(guān)系曲線，研究吹填土的沉降特性，并比較不同初始孔隙比的土的沉降特性。

表1 試驗(yàn)中土樣的配比情況

2.2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與分析

本次實(shí)驗(yàn)共做了10個(gè)沉降柱，有兩組不同水土比沉降柱實(shí)驗(yàn)(每組5個(gè)沉降柱)和5組不同量筒的沉降柱實(shí)驗(yàn)(每組2個(gè)沉降柱)。從三個(gè)方面對(duì)吹填土的沉降特性作出了分析和研究。

2.2.1 沉降柱的總體沉降特性

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沉降柱的總體沉降曲線的變化是相似的。這里取其中一組進(jìn)行分析，總結(jié)出沉降柱的總體沉降特性。以下圖2和圖3，是本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理結(jié)果。

剛開始試驗(yàn)時(shí)，量筒內(nèi)土水為流動(dòng)的泥漿，固相所占比例較之液相少得多，顆粒間的聯(lián)接尚未完全形成，也就不存在土體骨架之間的孔隙。但為了描述泥漿中固相和液相的比例關(guān)系，仍將其稱之為孔隙比。

圖2 總沉降曲線圖(玻璃量筒)

圖3 總的孔隙比變化曲線(玻璃量筒)

由圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)的曲線分為三段，第一段:土的沉降高度隨著沉降試驗(yàn)的進(jìn)行不斷增加，土沉降很快，達(dá)到了總沉降量的75%左右，持續(xù)1 h左右。第二段:隨著試驗(yàn)時(shí)間的進(jìn)行，沉降曲線變緩，即沉降速度變小，持續(xù)到沉降時(shí)間1 d左右，此期間的沉降量達(dá)到總沉降量的25%左右。第三段:經(jīng)過一天的沉降，沉降曲線已經(jīng)平緩，基本處于水平狀態(tài)，沉降量不明顯，土粒處于懸浮的平衡狀態(tài)，沉降處于穩(wěn)定態(tài)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，吹填淤泥的自重沉降具有明顯的大變形特征，各量筒沉降柱的初始高度見下表2，第一、二階段均為大變形[4-5]。

從圖3可以看出，實(shí)驗(yàn)的曲線分為三段，第一段:在開始的1 h內(nèi)，孔隙比變化非常快；第二段:在1 h到1 d的期間，孔隙比的變化曲線為一條平緩下降曲線，孔隙比的變化比較明顯；第三段:孔隙比的變化就很小了，曲線也是不斷趨于水平線。

吹填淤泥的自重沉降分為兩個(gè)階段進(jìn)行[5-9]:

第一階段:無粘結(jié)的自重落淤，歷時(shí)較短。在這個(gè)階段，吹填淤泥處于高含水、大孔隙比、顆粒無粘結(jié)的分散狀態(tài)，土體沒有強(qiáng)度和承載能力，其中的細(xì)小顆粒迅速下沉。主要原因是海底淤泥在經(jīng)水力沖填形成吹填淤泥的過程中，原有結(jié)構(gòu)遭到破壞，分散成細(xì)小的顆粒，失去了土體的結(jié)構(gòu)性。隨著吹填淤泥的不斷沉降，土粒之前逐漸形成粘結(jié)力和出現(xiàn)結(jié)構(gòu)，顆粒由小變大，結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化，土體骨架逐漸建立起來。當(dāng)土粒凝聚形成骨架后，土粒具有了一定的結(jié)構(gòu)、土體強(qiáng)度和承載力，由“流體”轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉軕B(tài)，進(jìn)入第二階段。

表2 各沉降柱的沉降情況

第二階段:自重固結(jié)沉降，歷時(shí)很長(zhǎng)。土體形成了結(jié)構(gòu)，土粒之間的粘結(jié)建立起來，土粒不再自由落淤。吹填淤泥主要靠自重作用壓縮土體，形成了一系列的物理指標(biāo)。

2.2.2 比較不同水土比沉降柱的沉降特性

試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，兩組因素變化存在于試驗(yàn)之中。這里針對(duì)不同水土比分析沉降柱的沉降情況，從而總結(jié)出不同水土比沉降的具體影響。

從圖2和圖4可以看出，水土比的影響情況是一致的。結(jié)合表2可看出，水土比越大，總沉降量也越大。總沉降量的差距主要來源于第一段沉降。

圖4 不同水土比的沉降曲線(塑料量筒)

同一材質(zhì)量筒，不同初始孔隙比(水土比)試樣的總沉降差異曲線如圖5所示。玻璃量筒的曲線擬合公式為y=33.67ln(x)-17.79，該公式的擬合值R2=0.977；塑料量筒的總關(guān)系曲線的擬合公式為y=27.29ln(x)-15.65，該公式的擬合值R2=0.986，其中 y為沉降比Δ h/H，x為初始孔隙比e。

從圖3和圖6可以看出，不同水土比的沉降柱的初始孔隙比也是不同的，但是經(jīng)過沉降之后，孔隙比的差別就不大了。本次實(shí)驗(yàn)最終孔隙比在3～4之間。但具體數(shù)值見表3。

圖5 總沉降比較圖

圖6 不同水土比的孔隙比變化曲線(塑料量筒)

表3 最終孔隙比比較

2.2.3 比較不同直徑和材質(zhì)的沉降柱的沉降特性

這就要針對(duì)另一個(gè)因素量筒的直徑展開分析，分析量筒的直徑和材質(zhì)不同的具體影響以及影響的效果。這里圖形有5組且相似，取其中一組為代表。

從圖7可以看出，不同直徑和材質(zhì)的量筒的沉降曲線存在差異:前20 min的沉降曲線得到重合，在20 min至24 h之間，兩根沉降線的間距逐漸拉開，隨后，兩根沉降線平行。

圖7 不同直徑和材質(zhì)量筒的沉降柱的沉降量曲線(組三)

從圖8可以看出，量筒直徑和材質(zhì)的不同對(duì)沉降柱的孔隙比變化曲線形狀基本不影響，每組的孔隙比變化曲線基本平行，但是最終的孔隙比有很大的差值。

圖8 不同直徑和材質(zhì)量筒的沉降柱的孔隙比變化曲線(組五)

結(jié)合表2、表3可知，不同直徑對(duì)各初始孔隙比的沉降試樣的影響是基本相同的，玻璃量筒更有利于沉降和孔隙比的減小，玻璃量筒的最終沉降比比塑料量筒的最終沉降量高出3%左右，最終孔隙比比塑料量筒低5%左右。

李時(shí)援[10]認(rèn)為沉降柱尺寸的增加有利于沉降柱的沉降，對(duì)比分析本次試驗(yàn)，玻璃量筒更有利于沉降的因素在于材質(zhì)，沉降柱材質(zhì)對(duì)沉降試驗(yàn)的具有一定的影響且較大。所以，本次試驗(yàn)為以后的沉降柱試驗(yàn)提供一定的參考，沉降柱宜選擇摩擦小的光滑材質(zhì)。

3 結(jié) 論

關(guān)于溫州吹填土的沉降特性，我們通過以上系列的實(shí)驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論:

(1)溫州吹填土的沉降變形為大變形，沉降曲線分為三段，第一段:自重落淤階段:持續(xù)1 h左右，土沉降很快，沉降75%左右。主要是因?yàn)樵薪Y(jié)構(gòu)遭到破壞，分散成細(xì)小的顆粒，迅速下沉。隨著吹填淤泥的不斷沉降，土粒之前逐漸形成粘結(jié)力和出現(xiàn)結(jié)構(gòu)，顆粒由小變大，土體骨架逐漸建立起來。當(dāng)土粒凝聚形成骨架后，土粒具有了一定的結(jié)構(gòu)、土體強(qiáng)度和承載力，由“流體”轉(zhuǎn)變?yōu)榱魉軕B(tài)，進(jìn)入第二階段。第二段:自重固結(jié)階段:持續(xù)1天左右，沉降速度逐漸變慢，沉降25%左右。主要靠自重作用壓縮土體，排出孔隙水，形成了一系列的物理指標(biāo)。第三段:平衡狀態(tài)，沉降處于穩(wěn)定態(tài)。

(2)不同初始孔隙比的沉降比曲線的擬合公式:玻璃量筒 y=33.67ln(x)-17.79；塑料量筒 y=27.29ln(x)-15.65，其中 y為沉降比Δ h/H，x為初始孔隙比e。不同初始孔隙比沉降柱的最終孔隙比存在不大的差異，介于3～4之間。

(3)沉降柱材質(zhì)對(duì)沉降具有較大的影響，玻璃量筒相對(duì)塑料量筒更有利于沉降，為以后的沉降柱試驗(yàn)提供參考，沉降柱試驗(yàn)宜選擇摩擦小的光滑材質(zhì)。

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