疏浚泥一維大應變固結的一種預測方法

曹玉鵬，楊建

隨著港口航道的新建、拓寬，湖泊清淤等工程項目的開展，我國每年產生大量的疏浚泥[1]。由于我國經常采用施工效率高的絞吸式疏浚方式，產生的疏浚泥具有含水率高、壓縮性高、滲透性差的特點，在荷載作用下具有明顯的大應變固結特性，太沙基的小應變固結理論己經不適用于預測其固結沉降。Cargill[2]曾報道卡那維拉爾角圍海造陸吹填工程，土體的初始孔隙比達12.0以上，吹填土層最終沉降超過10 m，大應變固結分析得到的結果與傳統小應變理論分析得到的結果相差50%以上。

Gibson[3]在1967年提出了以孔隙比為基本變量的一維大應變固結方程，并給出了簡化條件下的解析解，為大應變固結理論的發展奠定了堅實的基礎。在此之后，Xie等諸多學者[4-10]對在不同坐標下不同變量的大應變固結方程的建立，以及大應變固結方程的數值解和解析解等方面的研究，為大應變固結理論的發展做出了卓越的貢獻。但由于非線性大應變固結方程的復雜性，大多數研究主要停留在理論上，并且由于建立方程所選擇的坐標體系不同、使用的變量不同、假定不同，導致大應變固結理論本身就存在種種差異[2，4-5]，在工程中沒有很好的應用；同時，由于缺乏低應力下的固結參數，適合高含水率疏浚泥的一維大應變固結預測方法研究較少。

本文在Xie[10]給出的拉格朗日坐標下以超靜孔壓為變量的一維大應變固結方程及其解析解的基礎上，耦合Hong[11]提出的考慮初始含水率影響的輕型固結試驗方法，對吹填工程中高含水率疏浚泥的固結特性進行了研究，并提出了一維大應變固結的一種預測方法，以提高大應變固結理論預測沉降的準確性，拓展其應用范圍。

1 試驗方案

本試驗土源為福建省可門港的疏浚淤泥，具體物理指標如表1所示，其中液塑限采用100 g錐式液塑限聯合測定儀測定，有機質含量采用重鉻酸鉀氧化法測定，顆分試驗采用馬爾文公司的MAF5000激光粒度分析儀測定。可以看出，可門港疏浚淤泥的黏粒含量很高，占42.0%，土的液限和塑性指數也很高，分別為61.1%和30.8%，有機質含量小于3%，屬于高液限黏性土，工程性質較差。

表1 可門港疏浚淤泥物理參數Table1 Physical property of Kemen Port dredged sludge

經過吹填淤泥堆場調查，一般吹填后的淤泥含水率為液限的3.0～5.0倍，而室內自然沉積試驗表明，初始含水率約為4.0倍液限的淤泥穩定時間相對較短，因此，本文將淤泥按初始含水率為液限的4.1倍（即含水率為250%）配置成泥漿，然后一次性倒入沉降柱中，高度90 cm，沉降柱上貼有透明塑料刻度尺，精確到1 mm，按不同時間觀察和記錄泥水分界面的刻度值。沉降柱由厚度8 mm的透明有機玻璃板加工而成，內徑28.4 cm，外徑30 cm，沉降柱示意圖見圖1所示。當泥面在自重作用下沉積穩定后，在泥面表面分級加載至10 kPa，加載等級和歷時如表2所示。試驗中采用頂部和底部雙面排水的模式，以加快吹填淤泥的固結速度，減小沉降穩定時間。加載過程中表面沉降值用百分表讀數，精確到0.01 mm。

圖1 沉降柱示意圖Fig.1 Schematic diagram of the settlement column

表2 加載等級表Table 2 Loading procedure

值得注意的是，本試驗為堆載模擬試驗，受加載面積影響，最大加荷量約為10 kPa，為便于在計算過程中利用Hong等提出的輕型固結試驗得到的試驗參數，本文采用表2的加載等級。荷載作用下，淤泥的固結穩定時間參考GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》。考慮到試驗條件的限制，本試驗前7級荷載每級的加載時間以24 h內沉降量小于0.5 mm為標準，第8級荷載以每小時沉降量小于0.01 mm為準。

2 試驗結果與分析

2.1 淤泥大應變固結性狀分析

沉降柱試驗淤泥高度值隨時間變化曲線如圖2所示，可以看出，淤泥泥漿在自重作用下沉降量不斷增大，沉降量達到40 cm后基本穩定，經計算，此時含水率為120%，孔隙比為3.25，分級加載后，又沉降11.3 cm，此時含水率降低到84%，孔隙比減小到2.27。從圖2沉降實測值可以看出，加載后淤泥表面沉降為11.3 cm，其初始加載淤泥高度為50 cm，應變達22.6%，已經超出小應變的假定范圍，屬于大應變固結范疇，因此需要引入一維大應變固結理論，對淤泥加載過程中的固結特性進行研究。

圖2 淤泥高度值隨時間變化曲線Fig.2 The height value of slurry versustime

2.2 Xie計算方法與適用性分析

Xie[10]基于拉格朗日坐標體系，根據連續性方程、達西定律和有效應力原理等，進行簡化假定后得到以超靜孔隙水壓力為控制變量的固結方程，并給出了該一維大應變固結方程式的解析解和任意時刻任意位置的沉降計算公式。

根據Xie的大應變固結理論，當孔隙比變化范圍為0.1～3.0時，滲透系數符合kv/kv0=（1+e）2/（1+e0）2的變化規律。圖3是Xie假定式與經驗關系式e-e0=cklog10（kv/kv0）的對比，其中ck=3，與Xie取值相同，可以看出，當孔隙比值在0.1～3.25之間時，Xie關系式和經驗式也比較一致，因此可以將Xie解析解應用于本模型試驗中吹填淤泥表面沉降計算。

圖3 Xie關系式和經驗式比較Fig.3 Comparison of Xie'sequation and the empirical equation

2.3 基于Xie解析解計算值與實測值對比

計算時參數的取值如下：1）取自重固結穩定后即將加載時的體積壓縮系數為固結參數；為探討體積壓縮系數對沉降的影響，同時選取整個加載過程中體積壓縮系數的平均值計算沉降，作對比分析；2） 滲透系數變化符合Xie假定的規律，計算時取即將加載時的滲透系數為初值；3）表面荷載為一次性瞬時施加并保持不變，選取一次性施加10.44 kPa表面荷載。計算圖如圖4所示，參數如表3所示。

圖4 Xie解析解計算值與實測值對比Fig.4 Comparison between calculated value by Xie's analytical solution and measured value

表3 Xie大應變解析解參數表Table3 Calculation parameters for Xie'slargestrain analytical solution

從圖4中可以看出，選取初始體積壓縮系數為參數的計算沉降值與選取平均體積壓縮系數為參數的計算沉降值差別較大，而室內實測值介于兩者之間。計算過程中假定體積壓縮系數為常數，對壓縮性較低的土而言誤差較小，但對于高含水率疏浚淤泥等高壓縮性土誤差較大，至于可接受誤差范圍內該參數的取值界限本文不作探討。

2.4 考慮壓縮參數分段線性變化的大應變固結預測方法

產生沉降預測誤差的原因主要在于進行大應變固結計算時，假定整個固結過程中的體積壓縮系數為常量，而實際固結過程中該參數是一直變化的，即隨著固結度的發展而逐漸減小。筆者根據Xie[10]理論和Hong[11]提出的輕型固結試驗方法提出了一維大應變固結的一種預測方法，即：以淤泥自重固結穩定后的含水率為初始含水率，根據Hong提出的輕型固結試驗方法，得到該含水率下重塑土樣的e-logσ′壓縮曲線，通過計算得到每級荷載下的孔隙比、體積壓縮系數、滲透系數、固結系數等參數，再通過內插得到與沉降柱實際加載荷級相應的各個參數，最后，根據每級加載的實際荷載、加荷歷時等進行大應變計算。此計算方法能準確模擬每級荷載下土體的平均體積壓縮系數，并且滲透系數在每級荷級下的變化過程仍然按照Xie的理論假定發展，因此計算方法能準確反映土體的整個固結過程。

計算過程中各參數引用Hong[11]重塑土樣e-logσ′的壓縮數據，見表4。

表4 本文預測方法模擬室內沉降柱加載試驗參數Table4 Parameters for simulating laboratory settlement column loading test by proposed predicting method

本預測方法得到的淤泥沉降值與實測沉降時程曲線如圖5所示。

圖5 本文預測方法計算值與室內實測沉降值對比Fig.5 Comparison between the calculated value of proposed predicting method and the measured settlement data

從圖5中可以看出，計算得到的最終沉降量為0.107 m，而室內沉降柱試驗實測值為0.113 m，兩者相差0.006 m，數值相當接近，并且二者的發展過程基本重合，在200～300 d之間室內實測值有一定的變化，這可能與加載后期的土體蠕變特性有關。實際上，兩者發展過程如此接近，與參數的選取有很大關系，這說明Hong提出的輕型固結試驗方法非常有效，將低含水率的常規土體固結試驗延伸到了高含水率低應力狀態。在大應變固結理論不能得到完全考慮材料非線性的解析解的現狀下，運用材料非線性參數隨著幾何非線性不斷變化的計算方法預測高含水率土體的固結，是準確和切實可行的。

3 結語

本文進行了高含水率疏浚泥室內沉降柱模型試驗，基于Xie給出的拉格朗日坐標下以超靜孔壓為變量的一維大應變固結理論和Hong提出的考慮初始含水率影響的輕型固結試驗方法，提出了高含水率疏浚泥一維大應變固結的一種預測方法，得到結論如下：

1）高含水率疏浚泥自重固結穩定后進行表面加載，沉降量超出小應變假定范疇，應引入大應變固結理論對其進行固結特性研究；

2）計算過程中，壓縮參數為定值時得到的沉降量與室內實測沉降值有較大的差別，體積壓縮系數的選取對最終沉降量和固結過程的模擬有至關重要的影響；

3） 耦合Xie的大應變固結理論以及Hong的輕型固結試驗方法，提出的一維大應變固結預測方法能考慮土體固結過程中壓縮參數的分段線性變化，較為準確的模擬高含水率土體的固結過程。