流態吹填土狀態劃分及變形計算方法

林澍 ，閆澍旺 ，閆玥 ，付登鋒 *

（1.天津大學，水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.天津大學建筑工程學院，天津 300072；3.海南大學土木建筑工程學院，海南 海口 570228）

0 引言

填海造陸工程中，由疏浚淤泥經水力吹填形成的流態吹填土屬于無初始結構的賓漢體，土顆粒處于漂浮、分散的狀態，土體孔隙比大、含水率高、壓縮性強，表現出明顯的流體特性，與常規的結構性天然沉積土在變形、力學特性等方面存在很大的差異。因此，吹填土真空預壓加固中的沉降及標高預測難度大，是吹填土加固工程中的重要問題之一。

目前，吹填土的沉降計算主要有3大類方法。第1類為經典理論方法，主要采用不同的固結理論及與其相應的修正理論進行吹填土變形分析[1-3]。第2類為數值計算方法，通過有限元、有限差分、離散元等進行數值模擬分析[4-5]。第3類為基于工程實測數據建立沉降預測模型的方法[6-9]。在上述3類方法中，前兩類方法主要適用于具有明顯結構性和固體特性的土體變形計算，而對于流態吹填土變形計算而言，所得結果會偏小許多；第3類方法基于實測數據進行推測，主要適用于預測吹填土后期沉降，而對于初期流態階段吹填土變形計算適用性亦不佳。另外，對于某些吹填土加固工程來說，有時需要控制地基的含水率和標高，并需要根據加固后的目標含水率和標高要求推算加固前吹填土的設計標高，以便確定工程量[10]。因此，合理、有效的流態吹填土變形計算方法仍是一個亟待研究的課題。

為此，本文首先通過流變試驗確定了流態吹填土的含水率變化范圍，然后針對該范圍內流態吹填土的狀態及特性變化提出分析其變形的物理指標法。最后，通過試驗案例分析對物理指標法的合理性與可靠性進行了驗證。

1 流態吹填土狀態劃分

1.1 流變試驗

1.1.1 試驗土樣

試驗土樣以天津濱海新區南港工業區淺海區的天然土體為原料，原狀土的初始物理指標如表1所示。

表1 流變試驗天然土樣物理性質Table 1 Physical parameters of the natural soil sample in rheology tests

在原狀土中加入蒸餾水，拌和制備不同初始含水率的吹填土樣。本次試驗中共選取10組不同含水率的吹填土樣進行測試，含水率分別為62%、66%、71%、75%、81%、83%、86%、90%、99%、115%。

1.1.2 試驗儀器

試驗采用的儀器為DV-I數字旋轉黏度計，如圖1（a）所示。采用RV轉子進行測試，適用于黏度適中（Medium Viscosity）的流體，共有18檔轉速，可測量的黏度范圍為 0.1×104～1.3×104Pa·s。

圖1 流變試驗儀器及步驟Fig.1 Rheology test apparatus and procedures

該旋轉黏度計測試原理為：將轉子以一定的速率旋轉，從而對試樣施加剪應力，當轉子與土體間達到平衡狀態后，通過轉子與試樣接觸面處的力矩平衡關系，可得到試樣的黏度、剪切速率、剪應力等數據，從而得到土樣的剪應力-剪切速率關系曲線，即流變曲線。

1.1.3 試驗步驟

如圖1所示，流變試驗按以下步驟進行：

1）連接儀器并校零，選定合適的轉子，調整儀器測試模式至與所選轉子相匹配的狀態。

2）在燒杯中配置好待測土樣后，置于轉子正下方，并將儀器下調至轉子底部與樣品表面相接近后，將轉子底部尖端與樣品表面中心對齊，再緩慢下調儀器，直至轉子完全浸入土樣中、土樣表面與轉子上的刻度線相齊平為止。

3）在不同轉速下進行流變試驗，由轉速小的檔位開始試驗，依次增加至轉速大的檔位，每個檔位下測試1 min后讀數，以保證讀數時轉子與土體間達到穩定狀態。記錄每個檔位下土體的剪應力與剪切速率。

4） 某一檔位下測試結束后，切換至下一檔位，重復步驟3，直至全部測試完畢。

5）根據測試結果，繪制流變曲線。

1.1.4 試驗結果分析

將各組流變曲線進行匯總，可以得到不同含水率吹填土樣的流變曲線族，見圖2。從流變曲線族中可以看出，流變曲線形狀的變化隨含水率的改變而呈現一定的規律性。含水率較小時，土體以固相為主，具有較明顯的固體屬性，流變曲線在開始剪切時出現明顯的初始剪應力，體現其具有一定的抵抗剪切變形的能力，與其初始結構性有關。隨著剪切速率的增大，流變曲線從某個初始剪切力開始略微下降，呈現出弱化的趨勢。當剪切速率繼續增大時，流變曲線將轉折上升，隨著剪切速率增大而增大，最后曲線增長程度變緩并趨于一個穩定值，呈現出流體的剪切流變特性。

圖2 不同含水率土樣流變曲線Fig.2 Rheological curves of soil samples with varied water content

1.1.5 流態吹填土狀態劃分方法

根據流變試驗結果，當吹填土的流變曲線具有明顯初始剪應力時，可認為其開始具有明顯結構性和初始強度，已明顯具備固體屬性，不再劃歸為流態吹填土，相應的含水率可視為吹填土狀態劃分的界定值。當含水率大于該界定值時，認為土體屬于流態吹填土。

根據上述思想，由圖2所示流變曲線可知，若認為初始強度小于20 Pa時土體無明顯初始結構，則本文所選試樣的狀態劃分含水率界定值約為70%，即1.5倍液限。

2 流態吹填土變形計算方法

2.1 計算原理

根據土的三相關系可知，飽和土體可視為液相和固相的兩相組合體[11-12]。由于賓漢流態吹填土基本無初始結構，其固相多為分散的土顆粒，而非具有一定空間結構的土骨架。真空預壓的固結作用將吹填土中的孔隙水排出并使其孔隙壓縮，使土顆粒聚集在一起形成一定的結構，從而達到提高土體強度的目的。因此，對于吹填土來說，真空預壓加固前后的固相體積基本上保持不變，其沉降變形量與液相的減少量相一致。基于這一認識，只需知道液相在加固過程中的減少量，就能估算出土體的沉降，從而對吹填土地基進行標高預測。

2.2 計算方法

圖3為吹填土的加固沉降示意圖，吹填土底部原天然地基土的標高為Hb，吹填土加固前的頂面標高為Ht1，加固后的頂面標高為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可分別表示為

假設吹填土加固區域面積為As，則吹填土加固前和加固后的厚度亦可分別表示為

式中：V1、V2分別為加固前、后的土體總體積；e1、e2分別為加固前、后吹填土的孔隙比；w1、w2分別為加固前、后吹填土的天然含水率；γ1、γ2分別為加固前、后吹填土的天然重度。

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

聯合式（3）和式（4）可得加固前、后吹填土厚度的比值為

根據式（5），可由加固前標高Ht1推算加固后標高Ht2，或根據加固后設計標高Ht2推算加固前吹填標高Ht1。另外，根據圖3可知，吹填土地基加固完成后的沉降S可表示為加固前、后吹填土頂標高Ht1和Ht2的差值，即

由此，可根據吹填土加固前、后的標高和土體基本物理指標，采用本文提出的物理指標法對吹填土加固中的標高和沉降進行分析、預測。

從定義和土體三相關系角度描述土體狀態，理論上來說是最為準確的。因此，根據吹填土真空預壓加固前后的土體狀態來對其變形特性進行分析，物理意義明確，且可以忽略其加固過程中的力學過程和加固方法的影響，適用性強。

圖4 疏浚淤泥真空預壓試驗沉降分析Fig.4 Settlement analysis of dredged slurry in vacuum preloading test

3 案例分析

3.1 試驗介紹

本例為張騫[13]針對廣州南沙二期吹填土所進行的真空預壓試驗。土樣屬海相淤泥土，為珠三角地區一類具有代表性的吹填土，其基本物理指標如表2所示。試驗中，土體加固前的基本物理指標如表3所示。

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

表3 試驗中吹填土加固前的基本物理指標Table 3 Basic physical parameters of slurry before consolidation test

3.2 試驗結果分析

圖4（a）為真空預壓加固過程中吹填土含水率變化曲線[13]。由含水率變化范圍及表2中土體液限可知，加固后土體含水率降至約1.7倍液限，整個試驗過程中土體均可視為流態吹填土，因此可采用物理指標法對其進行變形分析。根據圖4（a）所示實測含水率曲線，可得到如圖4（b）所示的試驗實測沉降曲線與物理指標法所得沉降曲線的對比情況。

由圖4可知，物理指標法所得沉降曲線與實測沉降曲線基本吻合。加固后，土體的含水率基本降至88%左右，對應的沉降值約為40 cm。另外，由于計算中采用的含水率為土體的平均含水率，物理指標法得出的沉降計算值比實測值偏小，但總體上兩者的變化量和變化趨勢基本一致。由此可見，通過物理指標法對流態吹填土真空預壓加固進行沉降計算是有效且合理的。

4 結語

鑒于賓漢流態吹填土的變形難以準確地通過彈塑性土體本構關系和變形、固結理論得到，本文通過流變試驗確定流態吹填土的含水率范圍，提出一種考慮流態吹填土變形的物理指標法，并采用該方法對一則試驗案例進行了沉降分析。根據研究成果，得到以下主要結論：

1） 由流變試驗可知，吹填土在含水率處于1.5wL之上時可視為流態吹填土，具有明顯流體特性，其流變曲線沒有明顯的初始強度值，反映出其無明顯初始結構的特性。當吹填土含水率低于1.5wL時，可認為其具有明顯初始結構，屬于彈塑性狀態土體。

2）對于流態吹填土，根據加固前后吹填土的狀態變化和物理特性變化，可采用物理指標法對其進行變形分析。物理指標法概念清楚，物理意義明確，所得沉降計算值與實測值吻合度高。

3）物理指標法主要適用于流態吹填土的變形計算，不考慮結構性影響。若土體具有明顯初始結構性和強度，則在加固過程中可抵抗一定的變形，此時若采用物理指標法進行變形計算，所得結果會偏大。因此，物理指標法在工程中僅適用于分析流態吹填土階段的沉降，對于具有明顯初始結構性的土體，應采用土體相關理論進行變形分析。