深圳灣吹填淤泥非線性壓縮性及參數測定

張明，王威，趙有明，劉國楠

(1. 河南工程學院 土木工程學院，河南 鄭州， 451191；2. 北京工業大學 抗震減災研究所，北京，100124；3. 中國鐵道科學研究院，北京，100081)

軟黏土固結過程中孔隙比隨有效應力的增加而非線性減小，并不是傳統太沙基固結理論假定的線性減少，即壓縮系數為常量。針對軟黏土孔隙比與有效應力之間的非線性關系，國內外學者已開展了大量研究工作[1-5]，通過對不同類型軟黏土進行試驗，提出了幾種非線性壓縮關系。但已有試驗結果表明，沒有一種e-σ′非線性關系適合于所有軟黏土，因此，有必要借助先進固結試驗儀測定特定軟黏土的壓縮參數，結合各種非線性壓縮關系確定相應參數。齊添等[7]基于孔隙比與有效應力及孔隙比與滲透系數之間線性化的e-lgσ′和e-lgk 經驗關系，建立了一維非線性固結控制方程，利用GDS 固結試驗系統對初始含水質量分數為50.22%及37.90%～46.67%的蕭山原狀軟黏土分別進行了正常固結土、超固結土的一維固結滲透聯合試驗，測定了一維非線性固結計算參數。陳國紅等[8]也利用GDS 固結試驗系統對初始含水質量分數為37.90%～46.67%的蕭山原狀軟黏土進行了一維固結滲透聯合試驗，確定了超固結土固結控制方程的一維線性固結計算參數。上述試驗研究大多數針對初始含水質量分數為50%以內的軟黏土，普遍假定軟黏土符合e-lgσ′線性關系，得到相應的非線性固結計算參數。但是，大量試驗研究表明[9-11]，對于某些天然結構性高含水量軟黏土，當土體孔隙比變化較大時，e-lgσ′壓縮曲線是非線性的，直線的斜率在整個壓力范圍內不為常數。近20 年來，隨著沿海港口和工業建筑等工程建設的快速發展，用地需求急劇增加，為尋求更大的發展空間，沿海城市把目光瞄向沿海灘涂或淺海區域，普遍開展了大規模的圍海吹填造陸工程。用于吹填造陸的吹填淤泥，屬重塑土，含水質量分數最高達130%，具有高壓縮性、低滲透性等特點，固結過程中孔隙比與有效應力之間呈現明顯的非線性關系，表現出與一般軟黏土不同的壓縮特性，很難利用常規固結試驗儀測定壓縮參數及研究壓縮特性。迄今為止，對于含水質量分數大于100%的超軟土，如吹填淤泥的壓縮參數測定及非線性壓縮特性研究并不多見。本文利用GDS固結試驗系統對深圳灣吹填淤泥進行了固結滲透試驗，對吹填淤泥的壓縮特性進行了研究，獲得了幾種非線性壓縮關系的擬合參數，為吹填淤泥等超軟土壓縮非線性參數測定提供了一種良好的試驗方法，同時為其大變形固結性狀數值分析參數選取提供理論基礎。

1 吹填淤泥的GDS 固結試驗

土樣取自深圳灣納淤塘下深0.5～1.5 m 處吹填淤泥，已完成吹淤1 年，采取土樣均勻、無貝殼碎屑，呈流塑狀，為灰褐-灰黑色，具腥臭味，其基本物理性質如表1 所示。試驗以原樣為基礎，配制含水質量分數110%～150%的重塑樣進行一維固結滲透試驗，研究吹填淤泥的壓縮特性。土樣基本物理性質指標如表2 所示。

表1 深圳灣吹填淤泥基本物理性質(各參數的平均值)Table 1 Physical properties of dredged fill in Shenzhen Bay

表2 土樣基本物理性質指標Table 2 Basic physical properties index of soil sample

試驗設備采用GDS 固結試驗系統，該系統利用反壓對土樣進行吸水飽和，可直接測量固結過程中土樣底部的孔隙水壓力。進行傳統固結試驗，直接測定各級固結壓力作用下固結完成時穩定的孔隙比，得到壓縮系數、壓縮模量、體積壓縮系數等壓縮性參數，及孔隙比與固結壓力之間的關系，研究土體的非線性壓縮特性。固結試驗結束后，能夠保持固結壓力不變并進行滲透試驗，得到相應壓力下的滲透系數，測試結果可準確地反映土體的非線性特性。

該系統采用Rowe 和Barden 型固結容器，土樣直徑為76.2 mm，高度為20 mm。容器底部連接壓力傳感器，可測量土樣底部的孔隙水壓力。頂部的壓力設備與位移傳感器相連，自動記錄固結過程中試樣的壓縮量。并連接3 個壓力/體積控制器，分別對固結容器施加豎向壓力、底部壓力和反壓。

整個試驗分為試驗設備檢驗、土樣安裝、固結系統排氣、土樣飽和等4 步，最后通過GDSLAB 軟件設定試驗內容進行試驗。土樣初始含水質量分數高，強度極低，對施加荷載極其敏感，單個壓力控制器的壓力存在±1 kPa 的波動幅度，經試驗比選后確定第一級固結壓力為6 kPa，土樣分別在6，12，25，50，100，200 和400 kPa 固結壓力下進行一維固結試驗。每一步固結完成后，保持固結壓力不變的情況下進行相應的滲透試驗。具體試驗步驟如表3 所示。

表3 試驗步驟Table 3 Test step

2 試驗結果與分析

2.1 土樣壓縮變形

固結試驗中土樣的豎向壓縮變形通過安裝在土樣頂部中心的位移傳感器測量，固結壓力開始施加前，位移傳感器初值設定為0 mm。第1 級固結壓力各土樣頂部壓縮變形如圖1 所示。由圖1 可見：1) 由于土樣初始含水量高，在較小的第1 級固結壓力下就發生很大的壓縮變形，土樣SZ09-2 在第1 級固結壓力25 kPa 下壓縮應變高達20%以上；2) 施加壓力時，單個壓力控制器的實際壓力存在±1 kPa 的波動幅度，會對較小固結壓力下(p=12，15 kPa)試樣壓縮變形產生影響，使得曲線出現多處突變現象。

圖1 第1 級固結壓力土樣頂部壓縮變形sFig.1 Compression deformation s of soil sample under first level consolidation pressure

圖2 各級固結壓力土樣SZ09-2 頂部壓縮變形sFig.2 Compression deformation s of soil sample SZ09-2 under all consolidation pressures

表4 土樣SZ09-1 和SZ09-2 固結試驗結果Table 4 Consolidation test results of soil sample SZ09-1 and SZ09-2

其他各級固結壓力土樣SZ09-2 的壓縮變形曲線如圖2 所示。由圖2 可見：1) 土樣的壓縮變形曲線都呈現起始段微曲，固結結束時平緩的光滑曲線特征，經過24 h 的固結試驗后，各土樣的主固結沉降已基本完成。2) 固結前段時間(1 000 s)內，土樣不同固結壓力下的壓縮變形速率相近，隨著試驗時間的增加，變形速率之間的差異逐漸增大，且隨著固結壓力的增加，試驗結束時的總壓縮變形逐漸減小。

2.2 試驗結果匯總

由反壓飽和后試樣的高度及孔隙比，采用與傳統固結試驗方法相同的計算方法，得到表4 所示土樣SZ09-1 和SZ09-2 的壓縮應變、孔隙比ei、壓縮系數av、壓縮模量Es，體積壓縮系數mv、壓縮指數Cc等值。由表4 可知：1) 經過6～400 kPa 荷載作用后，吹填淤泥累計壓縮應變高達43.34%，在第1 級較小荷載(p≤25 kPa)作用下，壓縮應變高達24.44%，約占整個荷載范圍內累計壓縮應變的一半以上，具有大應變特性；2) 吹填淤泥的壓縮系數av、體積壓縮系數mv隨固結過程中孔隙比的減小呈非線性減小，減小幅度分別高達60 倍與34 倍；壓縮模量Es隨孔隙比的減小呈非線性增加，增加幅度高達34 倍。3) 吹填淤泥的壓縮指數Cc的變化范圍為0.495～0.875，單個土樣的壓縮指數不是常數，隨著固結過程中孔隙比的減小而減小。

3 非線性壓縮關系的適應性分析

吹填淤泥固結過程中孔隙比e 隨有效應力p′的增加而非線性減小，并不是傳統固結理論假定的線性減小。這里采用軟黏土常見的3 種孔隙比與有效應力的非線性關系對試驗數據進行回歸擬合。

e-lgp′壓縮關系：

式中：λ為單位有效應力對應的孔隙比；Cc為壓縮指數。

lge-lgp′壓縮關系為[3-5]：

式中：λ1為單位有效應力對應的孔隙比；Cc′為直線的斜率。

lg(1+e)-lgp′壓縮關系為[6-7]：

式中：λ2為土體材料參數；Cc″為直線的斜率。

吹填淤泥土樣各種壓縮關系擬合的結果如圖3～5所示，各土樣的擬合參數及相關系數R 見表5。由圖3～5 及表5 可知3 種壓縮關系擬合相關系數R 均超過0.94。擬合參數的變化情況如下：e-lgp′壓縮關系中擬合參數λ=2.872～3.868，Cc=0.519～1.083，隨著初始含水量w0的增加，參數λ及壓縮指數Cc均呈增大趨勢；lge-lgp′壓 縮 關 系 中 擬 合 參 數Cc′=0.140～0.195；lg(1+e)-lgp′壓縮關系中擬合參數Cc″=0.094～0.135，參數Cc″隨初始含水質量分數w0的增加均呈增大趨勢。

表6 所示為全部土樣的擬合參數及相關系數R，R 均在0.75 以上，說明這3 種壓縮關系對吹填淤泥來說都是適合的。但lge-lgp′壓縮關系即孔隙比與有效壓力之間的非線性冪函數關系，由于其擬合效果最好(R=0.961)、形式簡潔，成為最優非線性壓縮關系。

圖3 e-lgp'壓縮關系Fig.3 Compression relationship between e and lgp'

圖4 lge-lgp'壓縮關系Fig.4 Compression relationship between lge and lgp'

圖5 lg(1+e)-lgp'壓縮關系Fig.5 Compression relationship between lg(1+e)and lgp'

表5 各土樣擬合參數及相關系數RTable 5 Fitting parameters and correlation coefficient R of soil samples

表6 全部土樣擬合參數及相關系數RTable 6 Fitting parameters and correlation coefficient R of all soil samples

4 結論

1) 在6～400 kPa 固結壓力作用下，深圳灣吹填淤泥的壓縮系數、體積壓縮系數、壓縮模量隨固結過程中孔隙比的減小呈現非線性變化，變化幅度達數十倍；壓縮指數隨固結過程中孔隙比的減小而而減小，變化幅度近1 倍，單個土樣的壓縮指數不是常數。

2) 由于吹填淤泥初始含水量高，較小的第1 級固結壓力(p≤25 kPa)下壓縮應變高達24.44%，占整個荷載范圍內累計壓縮應變的一半以上，具有顯著的大應變特性。

3) 對深圳灣吹填淤泥而言，3 種非線性壓縮關系都適用，其中lge-lgp′非線性壓縮關系即孔隙比與有效應力之間的冪函數關系適用性較強，數據擬合效果最好，可應用于吹填淤泥非線性與大變形壓縮特性分析與數值計算。

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