天津地區吹填淤泥非線性滲透特性試驗研究

康亞靜，孫立強，路江鑫

（1.河北省水利水電勘測設計研究院，石家莊050000；2.水利工程仿真與安全國家重點實驗室 天津大學，天津300072；3.河北省水利廳，石家莊050011）

1 研究背景

當前，對吹填土地基進行變形計算采用的是常規固結理論，工程中出現的較大整體沉降、標高不足等實際問題表明，采用常規理論進行變形計算，計算值與實際沉降值存在較大差異。忽略設計施工偶然因素，主要有兩方面原因：一是圍海造陸工程中加固對象為吹填淤泥，其含水率、孔隙比都非常高，處于流動狀態，屬欠固結土；二是加固中的吹填淤泥應力狀態由接近于零的小應力發展到最終固結應力，其固結排水特性與正常固結土差別很大。所以，采用常規理論或大應力狀態下的滲透系數進行吹填土變形計算，與工程實際存在較大偏差。

國內外學者對軟黏土滲透非線性特性做了大量研究。謝康和等［1］對蕭山8個試樣進行了一維固結滲透試驗，討論和總結了4種非線性滲透模型，分析了對應于4種非線性滲透模型的土性參數；路江鑫等［2］通過開展淤泥質吹填土壓縮—滲透試驗，得到了軟黏土滲透性隨土質和孔隙比之間變化的預測公式，并通過收集國內外26組數據進行了普適性驗證；齊添等［3-4］對蕭山軟黏土進行了一維固結滲透聯合試驗，測定了基于孔隙比與滲透系數的e-logkv的非線性關系；孫立強等［5］基于吹填土非線性壓縮—滲透特性，對未打穿砂井固結理論進行了研究；Pane［6］針對軟黏土滲透性，探索了新型試驗方法；Taylor［7］，Mesri &Rokhsar［8］，Moriwaki［9］，Mes ri & Tavenas［10］，Mesri &Choi［11］，Tavenas［12］等分別考慮不同因素對軟黏土滲透性影響，基于試驗數據對e-lgkv模型適用范圍進行了探討，并對模型進行改進和完善。目前，不少學者對吹填淤泥非線性特性進行了研究，例如張明等［13-14］對深圳前灣含水率大于100%的吹填淤泥進行了固結滲透試驗，并對試驗數據進行回歸擬合，進行了參數測定。以上研究大都基于某一特定地區的相同液限軟黏土開展試驗研究，對吹填淤泥滲透性研究較少，且模型試用性對于不同地區、不同液限土體不同，需要進行不同孔隙比下的固結—滲透試驗來確定。

本文利用GDS固結儀對天津地區不同液限吹填淤泥開展連續的固結—滲透試驗，通過試驗得出吹填泥不同孔隙比下的滲透系數。采用4種非線性滲透模型對試驗結果進行回歸擬合，對比分析了模型參數，給出了適用于該地區吹填淤泥的最佳非線性滲透關系，進一步完善了該地區吹填淤泥非線性滲透特性研究，研究成果對天津地區吹填土地基實際固結計算具有重要意義。

2 試驗方法

2.1 試驗土樣

將取自天津臨港（TJLG）、南港（TJNG）、東疆港區（TJDG）吹填區的吹填淤泥調制成泥漿狀并使其自然沉積，同時開展液塑限試驗，得到吹填淤泥塑限和液限，自然沉積后試驗土樣物理指標如表1。

表1 吹填淤泥的基本物理參數

2.2 試驗儀器及試驗原理

本次試驗采用固結—滲透試驗GDS高級固結儀，克服了傳統室內試驗儀器無法測定特定壓力下滲透系數的缺陷，不僅可獲得各級固結壓力下的空隙比，還可得到相應壓力下滲透系數。為研究高含水率吹填淤泥的滲透特性，定制環刀高度40mm，內徑76.2mm，GDS固結試驗系統如圖1。

圖1 GDS固結試驗系統

GDS固結試驗原理為在豎向壓力p1和反向壓力p2作用下對試驗土樣加壓； 在一級固結壓力下穩定后，保持豎向壓力p1值不變，利用反壓p2和底應p3形成的水頭差值，開展本級固結壓力下的滲透試驗。操作原理如圖2。

圖2 固結—滲透試驗原理

2.3 試驗及過程

本次試驗對3個吹填區的吹填淤泥開展試驗。將土樣涂抹到環刀中，安裝壓力室，排出安裝過程中內存空氣，最后進行試驗。試驗過程中通過設置不同的p2和p3差值，形成常水頭差Δh，開展滲透試驗。特定固結壓力下，設定多組常水頭差Δh，通過試驗獲得每個水頭差下的滲透系數，取平均值后得到特定固結壓力下的滲透系數。試驗如表2。

表2 試驗方案

吹填淤泥固結—滲透試驗裝樣過程、試驗過程及試驗結束卸載后土樣如圖3。

圖3 試驗過程

3 試驗結果

3.1 吹填淤泥滲透系數與孔隙比關系

按照表2試驗方案，分別對3個吹填區的吹填淤泥開展試驗，為直觀呈現試驗結果，繪制滲透系數kv與固結壓力p、孔隙比e之間關系如圖4，圖5。

圖4 滲透系數k v與固結壓力p關系

圖5 滲透系數kv孔隙比與孔隙比e關系

由圖4可看出，滲透系數隨著固結壓力的增大呈現非線性減小。約以pL=150kPa為分界點，當p＜pL時（大應力狀態），滲透系數隨著固結壓力增大減小較快；當p＞pL時（小應力狀態），滲透系數隨著固結壓力增大減小不明顯。小應力階段的滲透系數與大應力階段存在較大差別。

由圖5可看出，隨著土體被壓縮，孔隙比減小，滲透系數隨著孔隙比減小呈非線性減小。約以eL=1.5為分界點，當e＞eL時，滲透系數隨著孔隙比的減小而大幅減小；當e＜eL時，滲透系數減小幅度明顯降低。在吹填淤泥空隙比變化范圍內，滲透系數并不是固定不變的，而是非線性變化的。采用常規理論中假定不變的滲透系數來計算吹填淤泥，與實際情況差別較大。

3.2 非線性滲透模型參數確定及分析

常見適用于軟黏土孔隙比與滲透系數的非線性關系有4種：

（1）e-lgkv滲透關系式［15］為e=e0′+Cklgkv。

式中e0′為單位豎向滲透系數對應的孔隙比；Ck為滲透指數。

（2）lge-lgkv滲透關系式［16］為lge=Algkv+B。

式中A，B均為滲透特性參數。

（3）lg［kv（1+e）］-lge模型非線性滲透關系式［17］為lg［kv（1+e）］=lgC+nlge。

式中C為反應土體滲透特性的參考滲透系數（cm/s）；n為土體材料參數。

（4）lg（1+e）-lgkv滲透關系式［18］為lg（1+e）=αlgkv+β。

式中α，β均為土性參數。

利用4種滲透關系分別對3種液限吹填淤泥試驗結果進行回歸擬合，同時用4種關系對不同液限吹填淤泥試驗數據進行綜合分析，回歸擬合曲線如圖6。根據擬合曲線確定了天津地區不同液限吹填淤泥4種滲透模型的擬合參數，結果如表3，表4。

圖6 非線性滲透擬合關系

表3 非線性滲透模型擬合參數及相關系數

表4 非線性滲透模型擬合參數及相關系數

由圖6可看出，3種液限吹填淤泥滲透試驗結果數據點基本散落在擬合曲線的兩側，同時由表3可知，4種非線性滲透模型回歸擬合相關系數R2均在0.9以上，擬合標準差SD均較小。從工程應用角度出發，4種非線性滲透模型對不同液限天津吹填淤泥均為試用。

為尋求適用于天津地區吹填淤泥最佳滲透模型，對4種非線性滲透模型擬合參數進行對比分析：對3種液限吹填淤泥而言，e-lgkv模型參數變化范圍為Ck=0.592~0.856，e0′=5.358~7.443，變化幅度為1.4~1.5倍；lge-lgkv模型參數變化范圍A=0.209~0.220，B=1.517~1.611，相差1.1倍；lg［kv（1+e）］-lge模型參數變化范圍C=0.440~1.968，n=4.933~5.204，差值4.5，1.1倍； lg （1+e）-lgkv模型參數變化范圍α=0.113~0.131，β=1.310~1.169，相差1.2倍。其中lg［kv（1+e）］-lge模型參數C變化幅度最大，lge-lgkv模型中參數變化范圍最小。同時，對比表4中4種模型對不同液限吹填泥綜合擬合分析結果可知，lge-lgkv模型擬合相關系數高，擬合標準差小，且模型參數最簡單。綜合分析，推薦lge-lgkv模型為適用于天津地區吹填淤泥等超軟土實際固結變形計算的最佳滲透模型。

4 結語

（1）3種不同液限吹填淤泥kv-e，kv-p 關系表明，軟黏土特別是吹填淤泥初始含水量較高、初始孔隙比較大，加固過程中滲透系數隨孔隙比的減小和有效應力的增加呈非線性減小，因而按照常規固結理論的基本假定滲透系數為常數不符合實際情況。

（2）采用4種非線性滲透模型對3種液限吹填淤泥kv-e數據進行擬合，獲得了模型對應參數。分析表明，從工程應用角度出發，4種常見的非線性滲透模型對天津地區吹填淤泥都是適用的，其中lge-lgkv模型擬合效果最好，且參數最簡單，建議將其作為天津地區吹填淤泥等超軟土地基實際固結變形計算的最佳非線性滲透模型，且測定的模型參數可直接用于實際工程計算。