內河碼頭回填料壓縮-滲流耦合特性試驗

梁 越,盧孝志,郝建云

(1.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心,重慶 400074;2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074;3.重慶交通大學河海學院,重慶 400074)

內河碼頭回填料壓縮-滲流耦合特性試驗

梁 越1,2,3,盧孝志3,郝建云3

(1.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心,重慶 400074;2.重慶交通大學水利水運工程教育部重點實驗室,重慶 400074;3.重慶交通大學河海學院,重慶 400074)

利用高級固結試驗系統對不同配合比的砂泥巖混合料進行壓縮固結試驗,研究不同豎向壓力下土體的壓縮、回彈及再壓縮過程中壓縮與滲透的耦合變化特征。試驗結果表明:土體的壓縮系數隨豎向壓力的增大趨于穩定,隨泥巖含量的增大而增大;壓縮指數隨泥巖含量的增大而增大,即泥巖含量越高,土體的壓縮性越強;土體滲透系數隨孔隙比的增大而加速增大,隨泥巖含量的增大而減小;提出一維滲流-壓縮固結耦合有限差分計算方法,克服了太沙基固結理論中滲透系數恒定及小變形的假定。

砂泥巖混合料;壓縮固結;滲透特性;壓縮指數;孔隙水壓力;有限差分法;內河碼頭

飽和土體在外部荷載的作用下孔隙水排出,超靜孔隙水壓力逐步消散,土體有效應力及變形逐步增大,這個過程稱為土體的壓縮固結[1]。確定土體壓縮固結特性是研究土體沉降、強度與變形的關鍵。土體的固結與土體的孔隙性和滲透性密切相關,土體固結的快慢,即孔隙的減小速度,取決于孔隙水流出的速度。孔隙水流出的速度與超靜孔隙水壓力的大小和土體的滲透性有關,而土體的滲透性又受孔隙性控制[2],因此土體壓縮固結是孔隙變化與孔隙滲流相互影響的耦合過程。

我國中東部滲透性差、壓縮變形大的軟土、吹填土等特殊土分布廣泛,研究人員對其壓縮固結的規律、機理以及計算理論進行了大量研究。房后國等[3]基于軟土微觀結構,提出了海積軟土的排水固結機理;胡瑞林[4]通過對動力排水固結法的介紹,評述了軟土動力固結機理;李冰河等[5]基于有限差分方法,建立了求解軟黏土非線性一維固結問題的半解析方法;李傳勛等[6-7]針對軟土固結過程中土體的滲透性變化問題,對固結過程中流固耦合過程進行了探索。其他相關的研究成果也極大地推進了人們對土體壓縮固結特性的認識[8-11]。

近年來,隨著長江航運事業的發展,長江上游港口碼頭建設任務繁重。長江上游水文地質條件復雜,以重慶港為例,港區岸坡地形陡峭,碼頭后方堆場多采用岸坡開挖與回填相結合的方式(圖1),回填區的變形與沉降關系著碼頭的正常運行?；靥顓^填料為岸坡的開挖破碎料,根據長江上游尤其是三峽庫區的地質特性,岸坡地層大多為砂泥巖互層,破碎的砂巖材料強度與變形特性要優于泥巖,然而為了施工的方便及節約成本,回填料不可能將泥巖全部剔除,而是混合了一定比例的泥巖顆粒[12]。因此,確定不同混合比例條件下砂巖、泥巖破碎顆?；旌狭系膲嚎s固結特性對研究回填區變形與沉降具有重要的工程意義。

圖1 重慶港區岸坡地質情況及典型結構示意圖

土體的孔隙大小由組成土體顆粒的細顆粒控制[13],根據土體滲透性、壓縮性與孔隙的關系,土體滲透及土體固結也主要與土體中的細顆粒有關。因此,本文利用重慶港區岸坡開挖過程中的砂巖、泥巖破碎料,通過篩分獲得了土料中的砂巖、泥巖細顆粒材料,按一定的配合比制得試樣,在室內進行壓縮固結與滲透試驗,分析不同配合比條件下砂巖、泥巖混合料的壓縮與滲透規律。

1 壓縮固結試驗

利用高級固結試驗系統(GDS advanced consolidation testing system,GDSACTS)開展相關的試驗研究。本試驗系統可在固結過程中進行土體滲透試驗,已在土體固結特性試驗研究中得到了大量的應用并取得了良好的試驗效果[14-15]。試驗系統由計算機、固結容器、位移傳感器、壓力及體積數字控制器、數據采集系統及分析軟件等組成,試樣內徑為100mm,初始高度為30mm。

試驗先取重慶港區岸坡開挖過程中的砂巖、泥巖破碎料,篩分得到土料中對固結及滲透起控制作用的砂巖、泥巖細顆粒材料。砂巖顆粒密度為2.71g/cm3,泥巖顆粒密度為2.69g/cm3,利用激光粒度分析儀得到兩種材料的顆粒級配,如圖2所示。

圖2 試樣采用的砂巖、泥巖材料級配曲線

按一定的砂巖、泥巖顆粒質量比例混合制樣,采用6∶4、4∶6、2∶8以及0∶10這4種不同的砂巖、泥巖質量比,即泥巖的質量分數分別為40％、60％、80％、100％。制樣后,按以下步驟進行試驗:①抽真空飽和;②裝樣;③給試樣頂面施加恒定豎向壓力,并施加恒定孔隙壓力,模擬瞬時加載,使試樣在恒定有效應力作用下發生單向排水壓縮固結;④加壓過程中監測試樣頂面位移隨時間變化;⑤每級壓力持續固結24 min,并在單級固結結束后進行滲透試驗,滲透試驗過程中保持豎向應力不變;⑥滲透試驗后,改變試樣頂面豎向壓力大小,進行下一級荷載的固結及滲透試驗。

為分析試樣的壓縮及回彈特性,采用的試樣頂面豎向加壓方案為:50kPa→100kPa→200kPa→400kPa→800kPa→400kPa→200kPa→100kPa→50kPa→100kPa→200kPa→400kPa→800kPa→1600kPa。每級荷載下的固結結束后,保持豎向壓力不變并進行滲透試驗,以確定壓縮完成后土體滲透性的變化。

2 試驗結果分析

2.1 壓縮固結過程

試驗過程中監測了瞬時加載后試樣頂面的豎向位移隨時間的變化關系。以純泥巖試樣(質量分數為100％)為例,圖3為試樣壓縮過程中每級荷載條件下頂面位移與時間的關系曲線。可以看出,瞬時施加荷載后,試樣迅速沉降,隨著時間的推移沉降速度由快變慢,沉降量逐漸趨于穩定值,每級荷載下的位移與時間的關系曲線接近于雙曲線形狀。試樣在每級荷載下的最終沉降量與豎向壓力的大小有關,每級荷載下的沉降量隨著施加豎向壓力的增加而增大。

在豎向荷載增加到一定值后對試樣進行逐步卸載,然后重新加載,探索試樣的回彈和再壓縮特性。以豎直向下為位移正方向,則回彈位移為負值,回彈及再壓縮過程中位移與時間的關系曲線如4所示?？梢钥闯?回彈及再壓縮過程中每級荷載下位移與時間的關系曲線也呈雙曲線形狀。結合圖2可知,回彈過程中每級荷載下的回彈量要小于加載過程中的壓縮量,即在回彈過程中,試樣已產生了一定量的不可恢復的塑性變形;再壓縮過程中每級荷載下的沉降量也明顯小于壓縮過程,即試樣在經過一輪壓縮過程后試樣的壓縮性有很大的降低。

圖3 壓縮過程中位移與時間的關系曲線

圖4 回彈及再壓縮過程中位移與時間的關系曲線

每個試樣的壓縮—回彈—再壓縮試驗過程持續336h,整個壓縮過程中試樣頂面位移與時間的關系曲線如圖5所示。通過不同壓力條件下試樣的壓縮情況對比可以看出壓縮過程、回彈過程以及再壓縮過程中試樣的固結特性的差異。

圖5 整個壓縮過程中位移與時間的關系曲線

2.2 壓縮固結特性

土體孔隙比與豎向壓力的大小有關,根據圖5所示的每級荷載作用下試樣頂部的最終沉降量,可以得到孔隙比與沉降量之間的關系,即

式中:e0為初始孔隙比;ei為施加第i級荷載后的孔隙比;hi為施加第i級荷載后試樣的沉降量;H為試樣初始高度。

圖6為純泥巖試樣在壓縮—回彈—再壓縮過程中孔隙比e與豎向壓力p之間的關系曲線(e-p關系曲線)。可以看出,在加載階段,孔隙比隨豎向壓力的增加呈線性減小的趨勢?；貜椙€與再壓縮曲線形成一個回滯環,當再壓縮荷載超過壓縮最大荷載時,試樣沉降量進一步增大,與壓縮曲線呈現一定的連續性。如果對于表示壓力值的坐標取對數,則可以得到試樣壓縮的e-lgp關系曲線,如圖7所示。可以看出,當豎向壓力較大時,e-lgp關系曲線接近直線,直線的斜率反映了土體的壓縮性能。

圖6 純泥巖試樣壓縮試驗e-p關系曲線

圖7 純泥巖試樣壓縮試驗e-lgp關系曲線

2.3 滲透特性

土體的壓縮固結主要是孔隙水流出、孔隙減小的過程,因此土體的固結速度由孔隙水的流出速度確定,而水流出的速度與土體的滲透性有關。在每級荷載下的壓縮試驗完成后,在試樣內進行了定水頭條件下的一維滲透試驗,根據不同水頭差條件下的單位時間內通過試樣截面的滲透流量計算土體的滲透系數k,發現不同泥巖含量試樣的滲透特性基本服從達西定律。根據每級荷載下壓縮結束后測得的滲透系數,得到不同試樣的k-e關系曲線,如圖8所示?？梢钥闯?滲透系數與孔隙比關系密切,滲透系數隨孔隙比的增大呈加速增大,當土體的孔隙比由0.23增大到0.55時,土體的滲透系數由8.0×10-7cm/s增大到6.0×10-5cm/s,增大了約2個數量級。

圖8 不同泥巖質量分數的k-e關系曲線

2.4 回彈特性

根據試驗結果,不同試樣的壓縮及滲透規律十分類似,但試樣中砂巖、泥巖的含量對土樣的壓縮性及滲透性依然有很大的影響。土體的壓縮系數反映了兩級荷載之間的壓縮性,即圖6中e-p關系曲線上兩點之間的割線斜率。如豎向壓力p1、p2條件下對應的孔隙比分別為e1、e2,則有

式中:a為壓縮系數,MPa-1,其值與豎向壓力的大小有關。

圖9為壓縮過程中不同泥巖質量分數的壓縮系數a與豎向壓力p的關系。可以看出,除純泥巖試樣外,試樣壓縮系數隨豎向壓力的升高而增大,當豎向壓力較高時壓縮系數逐漸趨于恒定值。壓縮系數與砂泥巖配合比也密切相關,泥巖含量越高,同一級壓力下的壓縮系數越大;而砂巖含量越高,壓縮系數越小。

圖9 不同泥巖質量分數的a-p關系曲線

通過試樣壓縮—回彈—再壓縮的e-lgp關系曲線,可以得到壓縮指數與回彈指數,其中壓縮指數為e-lgp關系曲線直線段的斜率;回彈指數取e-lgp關系曲線回彈段及再壓縮段的平均斜率。通過計算發現回彈指數遠小壓縮指數,將回彈指數擴大10倍,二者與泥巖質量分數的關系如圖10所示,可以看出回彈指數的值基本上為壓縮指數的1/20～1/10,且泥巖含量越低,壓縮指數與回彈指數的差值越大。隨著試樣中泥巖含量的增加,壓縮指數呈升高的趨勢,而回彈指數呈線性減小。

圖10 壓縮指數、回彈指數與泥巖質量分數的關系曲線

壓縮系數、壓縮指數及回彈指數是反映土體壓縮性及回彈性的重要參數。通過以上的分析可以看出,土體的壓縮性與砂巖、泥巖配合比密切相關,泥巖含量越高,土體壓縮性越大,土體越容易發生沉降?；貜椫笖捣从沉送馏w卸載回彈的特性,表征了卸載過程中土體的回彈模量,即砂巖含量越高,土體的回彈模量越大,回彈特性越明顯。

3 簡化固結模型

土體壓縮過程中水的滲透性依然可以用達西定律描述,且滲透性受孔隙比的控制。根據圖8所示的k-e關系曲線,對滲透系數k取常用對數,可得lgk-e關系曲線,如圖11所示。

圖11 lgk-e關系曲線

從圖11可以看出,lgk與e之間基本滿足線性關系,可以用下式表示:

式中:A、B為擬合系數。不同砂巖、泥巖配合比條件下的A與B值可以利用數據擬合得到,圖12為A、B值與泥巖質量分數的關系?？梢钥闯鯝、B值都與泥巖質量分數呈線性關系,但變化趨勢相反,A值隨泥巖質量分數的增加而減小,而B值隨泥巖質量分數的增加而增加。利用線性擬合,可以得到A、B兩值與泥巖質量分數的關系:

式中:w為泥巖質量分數。

圖12 擬合系數與泥巖質量分數的關系曲線

在土體的壓縮固結過程中,土體的變形大部分由于孔隙水的流出而造成的體積減小。土體壓縮過程中的滲透性與孔隙性是耦合的,在試樣材料組成已知條件下,一旦確定了孔隙比與滲透系數的耦合關系,便可以建立起土體壓縮變形的計算模型。本文基于以上的試驗結論,提出一種基于有限差分格式的砂巖、泥巖混合料一維壓縮固結計算方法,其需滿足以下假設:①土體均質且飽和;②土顆粒與水均不可壓縮;③水的流動為豎向一維滲流,且服從達西定律;④每級荷載下的壓縮系數a為定值?？梢钥闯?與太沙基固結理論相比,本方法在壓縮固結分析中不再需要假定滲透系數為定值,且也不需要小變形假定。對于一定厚度土體,按間距Δh離散成的差分格式如圖13所示。

圖13 一維滲流-固結耦合有限差分格式

在某段時間Δt內,流經格點j-1與j之間界面以及格點j與j+1之間界面的體積流量分別為

式中:kj為格點j處的滲透系數;Ij-1,j、Ij,j+1分別為格點j-1與j之間、格點j與j+1之間的水力梯度;uj-1、uj、uj+1分別為格點j-1、j、j+1處的超靜孔隙水壓力;f(ej)為孔隙比與滲透系數的關系方程;ρw為水的密度;g為重力加速度。

根據質量守恒,Δt時間處格點j處損失的流量為

水的流出引起土體孔隙的減小,則Δt時間后,格點j處的孔隙比以及格點間距變為

在孔隙比發生變化的同時,格點的超靜孔隙水壓力也在消散。根據假定,壓縮過程中壓縮系數a為定值,根據a的定義,結合太沙基固結理論及有效應力原理,在總應力不變條件下,有

式中:Δu為超靜孔隙水壓力;Δσ′為有效應力變化量。

那么孔隙比減小后的超靜孔隙水應力變為

在得到了新的超靜孔隙水壓力以后,重復式(5)、式(7)、式(8)、式(10)的計算,進行下一時步壓縮固結的模擬,直至達到預設的固結時間或超靜孔隙水壓力消散為零。在此過程中,排水邊界上的超靜孔隙水壓力一直取零。

以純泥巖壓縮試驗為例,對有限差分法進行驗證。試樣初始高度H=3cm,初始格點間距Δh=0.3cm,即得到11個有限差分格點。取壓縮系數a=0.2 MPa-1;時步長度Δt=0.01 s。利用有限差分法對壓縮過程中豎向壓力為200kPa條件下的試樣壓縮進行計算。200kPa豎向壓力的前一級壓力為100kPa,因此荷載瞬時加載后,在試樣內形成的初始超靜孔隙水壓力為100kPa。將以上參數代入式(5)、式(7)、式(8)、式(10)進行計算,得到試樣頂部位移即土體的沉降量。為了進行對比,同時利用太沙基固結理論對算例進行計算,并將計算結果與試驗數據進行對比。圖14為不同方法得到的時間沉降比與時間的關系曲線。

圖14 時間沉降比與時間的關系曲線

由于時間與位移變形量之間呈雙曲線關系,所以時間沉降比與時間之間基本呈線性關系?？梢钥闯?有限差分法與太沙基固結理論的結果非常相近,但由于太沙基理固結論假定了壓縮過程中滲透系數的值恒定,因此其結果中壓縮達到最大值所需要的時間略小于有限差分法的結果。當土體滲透性隨孔隙比變化更敏感時,這種差別勢必更大。同時需要指出的是,有限差分法與太沙基理固結論的結果在壓縮初始階段都明顯要大于試驗數據,造成這種現象的主要原因在于高級固結試驗系統在進行瞬時加載時,是通過向壓力室內注入一定壓力的水實現的,水的注入及壓力的穩定需要一定的時間,因此豎向荷載的施加并非嚴格意義上的瞬時施加,而是有一個時間過程,而土體壓縮速度最快的階段恰恰在壓縮的初始階段,在荷載施加至預定值以前,已經造成了超靜孔隙水壓力的大量消散,使得試驗初始階段試樣的頂面位移小于理論值。但對于最終壓縮量,計算值與試驗值相差較小,從圖5可得壓縮過程中200kPa豎向壓力下的最終頂面位移為0.395mm,而有限差分法與太沙基理論的計算結果分別為0.411mm與0.412mm。

4 結論

a.瞬時加載條件下土體壓縮沉降量與時間呈雙曲線關系;土體的變形主要由于壓縮作用下孔隙水的流出而造成的孔隙減小。

b.土體的壓縮系數與豎向壓力的大小有關,隨著豎向壓力的增大趨于穩定;壓縮系數受砂巖、泥巖配合比的影響,泥巖含量越高,壓縮系數越大。

c.壓縮指數隨泥巖含量的增大而增大,泥巖含量越高,土體的壓縮性越強。土體的回彈指數值約為壓縮指數的1/20～1/10,隨泥巖含量的增大而減小。

d.土體滲透系數隨孔隙比的增大而加速增大,lgk-e關系呈線性;同時滲透系數還與砂巖、泥巖配合比有關。

e.基于一維滲流-壓縮固結耦合過程的有限差分法不再假定滲透系數為定值,而是孔隙比的函數;不需要小變形假定,考慮了壓縮變形對計算的影響,當土體壓縮變形較大時依然適用。

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Experimental study on consolidation-seepage coupling of backfill in inland river ports

//LIANG Yue1,2,3,LU Xiaozhi3,HAO Jianyun3(1.National Engineering Research Center for Inland Waterway Regulation,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;2.Key Laboratory of Hydraulic＆amp;Waterway Engineering of the Ministry of Education,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China;3.School of River and Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

We used the GDSCTS(GDS advanced consolidation testing system)for consolidating and permeating experiments on the mixed filling with different mix proportion.To do this,we proposed experiments for studying the coupling characteristics of the consolidating and the permeating in soils compression under instantaneous step loading.The results show that the compressibility tends to be stable with the increasing vertical pressure and goes up with the increasing mudstone content.The compression index also increases with the increasing mudstone content,which means that the more the mudstone content is,the higher the compressibility of soil would be.The permeability exponentially increases with the increasing of the void ratio and decreases with the increasing of mudstone content.Thus,we proposed an algorithm based on the finite difference method for 1-D seepage-consolidation coupling.The algorithm is more appropriate to describe the consolidation of soils than the Terzaghi's consolidation theory because the permeability is related to the void ration and the large deformation is permitted in the new method.

mixed filling of sandstone and mudstone;compression and consolidation;permeability characteristics;compression index;pore water pressure;finite difference method;inland river ports

TU411.4

:A

:1006-7647(2014)06-0070-06

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.06.015

2013-09-29 編輯:周紅梅)

“十二五”國家科技支撐計劃(2011BAB09B01);國家自然科學基金(51409029,51349007)

梁越(1985—),男,山東臨沂人,副教授,博士,主要從事巖土體滲流研究。E-mail:lycqjtu@gmail.com