長江口軟土的壓縮特性及圍堤沉降預測分析

楊 亮, 趙忠義, 秦愛芳

(1. 中交上海航道勘察設計研究院有限公司, 上海200120; 2. 上海大學土木工程系, 上海200444)

隨著城市建設用地規模的不斷擴大, 上海港面臨著深水岸線及土地資源發展空間不足、南北大型港口不斷崛起的問題, 嚴重制約了上海的發展. 為解決上海市在土地資源方面遇到的瓶頸, 目前利用圈圍吹填技術, 為擴大上海土地資源儲備及提前布局上海未來發展提供了新途徑.

長江三角洲地區廣泛分布著深厚的河相、三角洲相以及海相軟弱黏土, 屬第四系沉積物,沉積厚度最深處可達數百米[1]. 長江入海口集合了深水岸線、區位、可生土地等天然優勢, 東面為東海深水區, 南側為長江主航道, 北側為北港航道, 該區域對上海市未來的戰略發展重要性不言而喻[2]. 上海屬于較為典型的軟土地區, 對工程影響比較大的軟土層主要為③層淤泥質粉質黏土(指上海市工程建設規范《巖土工程勘察規范》DGJ08—37—2012[3]中地基土層序號, 下同)及其下部的④層淤泥質黏土. 軟土普遍具有含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、受豎向荷載后沉降變形大、沉降持續時間長等特點. 上海地區軟土從成因上大致可分為3 個區域: 上海市區典型軟土、崇明島區域軟土及長江口軟土, 因區域不同, 形成條件不同, 工程特性并不完全相同. 目前對于上海軟土的研究主要集中于上海市區典型軟土, 針對其他兩種區域軟土的工程特性研究較少. 因此, 對于即將開發利用的橫沙東灘的長江口軟土進行工程特性研究, 對于該區域港口圍堤、道路橋梁等大型建筑工程開發建設具有十分重要的意義.

本工作通過對長江口某圈圍工程地基原狀土及重塑土進行一維固結、次固結試驗, 研究長江口軟土的固結、次固結特性, 分析適用于該區域軟土的工后沉降預測方法, 研究成果可為長江口地區工程的開發建設提供沉降量、固結特性、次固結特性、次固結系數等方面的依據.

1 試驗概況

1.1 試驗方案

試驗土樣取自長江口某圈圍工程, 取不同地點的③層淤泥質粉質黏土和④層淤泥質黏土原狀土樣及重塑土樣進行試驗. 土樣物理性質指標如表1 所示. 切取高2 cm、橫截面積30 cm2的土樣在GJZ-2 型中壓固結儀上采用分級加載的方式進行試驗. 試驗分為Ⅰ, Ⅱ兩組: Ⅰ組為固結試驗, 原狀土, 在圈圍區4 個相距較遠位置鉆孔取土, 每個孔同一土層取3 個土樣進行對照試驗, 共進行24 組試驗, ③層、④層分別取4 個代表性土樣進行分析; Ⅱ組為不同荷載下的次固結試驗, 原狀土、重塑土同一土層取2 個土樣進行對照試驗, 共進行8 組試驗,③層、④層原狀土、重塑土分別取1 個代表土樣進行分析. 具體加載方案如表2 所示.

表1 長江口軟土的物理性質指標Table 1 Physical parameters of soft clay in Yangtze River Estuary

表2 試驗加載方案Table 2 Test loading scheme

2 試驗結果

2.1 固結試驗分析

對不同地點的土樣進行固結試驗,得到③層淤泥質粉質黏土和④層淤泥質黏土的e-lg p 固結試驗曲線, 如圖1 所示. 由圖可知, 同一區域不同點位的淤泥質粉質黏土和淤泥質黏土均具有相似的固結特性. 曲線后半段斜率可以得到③層和④層土樣的壓縮指數CC分別為0.316～0.364 和0.300～0.313. 該結果在Mesri等[4]所得黏性土壓縮指數范圍內, 略大于武朝軍等[5]所得③, ④層上海軟土的壓縮指數值, 即與上海市區軟土相比, 長江口軟土具有更高的壓縮特性, 這主要是因為長江口軟土沉積年代較近. 因此, 有必要對該區域軟土進行進一步的研究.

圖1 壓縮試驗曲線Fig.1 Curves of compression test

2.2 荷載對次固結系數的影響

為研究荷載對長江口軟土次固結系數的影響, 對③層淤泥質粉質黏土和④層淤泥質黏土兩個軟黏土層進行次固結試驗, 原狀土和重塑土取深度為12.0～12.3 m 的③層淤泥質粉質黏土和28.0～28.3 m 的④層淤泥質黏土, 分別采用方案Ⅱ進行試驗, 試驗結果用e-lg t 關系整理,如圖2 和3 所示.

圖2 不同荷載下原狀土次固結試驗曲線Fig.2 Curves of secondary consolidation test of undisturbed clays under different loads

圖3 不同荷載下重塑土次固結試驗曲線Fig.3 Curves of secondary consolidation test of remolded clays under different loads

本工作采用文獻[6]的公式計算次固結系數,

式中: Δe 為t1, t2時刻孔隙比差值; t1為主固結完成時間; t2為次固結完成時間.

圖2 和3 表示兩種原狀土樣及重塑土樣在荷載作用下的次固結試驗變形過程. 由圖可以看出, 在每一級荷載作用下, 土樣初始壓縮時速度較快, 此時土體中孔隙水排出, 孔隙水壓力逐漸減小, 有效應力逐漸增大, 這個階段的沉降主要是主固結沉降. 當主固結完成后, 土體的沉降趨于緩慢, 土體壓縮變形表現出隨時間增大的現象, 該階段的沉降稱為次固結沉降. 這是由于在有效應力作用下, 土骨架的壓縮及土顆粒表面的吸附水膜蠕變產生的.

各土樣次固結系數值隨荷載的變化如表3 所示. 由表可知, ③層原狀土的次固結系數Cα最大值出現在100 kPa 附近, 為0.023 1; ④層原狀土的次固結系數Cα最大值出現在200 kPa 附近, 為0.019 6. 可見, 當荷載達到先期固結壓力附近時次固結系數達到最大值, 而重塑土的次固結系數變化不明顯. 重塑土由于土骨架結構遭到破壞, 次固結作用減小, 次固結系數小于原狀土次固結系數.

表3 次固結系數Table 3 Consolidation coefficient

將表3 所得荷載與次固結系數的關系整理成圖4. 由圖可以看出, 原狀土與重塑土試驗結果呈現出明顯的差異性. 原狀土的次固結系數與荷載有關, 且當荷載小于先期固結壓力時, 次固結系數呈現增大趨勢; 當荷載大于先期固結壓力時, 次固結系數呈減小趨勢, 并最終趨于穩定. 原因可解釋如下: 隨著荷載增大到先期固結壓力, 土體接近正常固結狀態, Cα達到最大值;當荷載超過先期固結壓力, 土骨架及土顆粒表面吸附水膜的膠結作用增大, 阻礙次固結變形的能力增強, Cα減小; 隨著荷載的進一步增大, 土體結構遭到破壞, 此時Cα趨于穩定值. 該結果與余湘娟等[7]、雷華陽等[8]所得結論相同. 而重塑土的次固結系數則隨荷載的增大變化不明顯, 主要是由于土體結構遭到破壞, 這說明重塑土的次固結系數與荷載無關, 也說明土結構對次固結影響較大. 孫德安等[9]得到20 m 深度上海典型軟土④層淤泥質黏土的次固結系數最大值小于0.015, 而本工作所得長江口軟土次固結系數最大值約為0.020, 大于上海典型軟土所得次固結系數, 即長江口軟土具有更明顯的次固結特性.

從表2數據可知，Cd、Pb為我國垃圾焚燒廠飛灰中的主要超標污染物，如本次檢測中N市、C市和SW市3座城市垃圾焚燒廠的夏季原灰中Pb均超過標準中規定的限值，分別為限值的18.4、32.2和24.0倍。在飛灰中Cr的浸出可能性普遍較低，從取樣測試數據來看，其浸出濃度均遠遠低于標準中所規定的限值；而重金屬Zn、Cu的標準限值分別為100 mg/L和40 mg/L，比其他重金屬元素的填埋浸出濃度限值高很多，通常情況下不容易超標。因此，該飛灰樣品中的主要超標重金屬為Pb、Cd和Ni，將著重進行這3種容易超標重金屬的穩定化研究。

圖4 荷載與次固結系數的關系Fig.4 Relationship between loads and secondary consolidation coefficient

3 長江口軟土的工程特性

3.1 上海不同區域軟土的成因

上海不同區域軟土的成因不同[1,10]: (1)上海市區典型軟土主要位于市區內, 第四紀時期, 在江、湖、海的交互作用下, 經過沉積、沖刷、再沉積的反復作用過程而形成, 對工程影響比較大的軟土為③層淤泥質粉質黏土和④層淤泥質黏土, 軟土大部分頂層埋深在-4 m 左右, 呈條帶狀結構, 中間夾薄層粉砂, 間斷而不連續, 多呈透鏡體, 厚度不均; (2)崇明島區域的軟土由泥沙在長江口長期沉積而形成, 為新近沉積土層, 土的性質比較差, 軟土埋置較深, 在-12～-20 m 之間, 因受后期粉土侵蝕, 缺失③層淤泥質粉質黏土層, 僅部分區域分布有④層淤泥質黏土, 厚薄不均, 含有較多的有機質, ③層下較多為粉質黏土; (3)長江口軟土為崇明島東南方長江口主航道區域軟土, 其土層的沉積主要受長江口的變遷影響, 黏性土與砂土相間成層, 沉積年代較近, 軟土埋置較深, 其中對工程影響較大的③層淤泥質粉質黏土厚度不大, 但厚度變化較大, 部分地方缺失, 分布不穩定, ④層淤泥質黏土厚度較大, 分布穩定, 兩層軟土均夾粉砂薄層.

3.2 上海不同區域軟土的物理性質指標

將本試驗所得長江口軟土的物理參數(見表1)與上海其他區域軟土的基本物理力學性質指標[1,9](見表4)進行對比, 可以看出: 本試驗所得長江口軟土的天然含水率及初始孔隙比均大于上海市區及崇明島區域軟土, 而其壓縮模量遠小于上海市區及崇明島區域軟土. 可見, 長江口軟土與典型上海軟土及崇明島區域軟土均有較大差異性, 在長江口區域進行圈圍吹填及開發建設時, 必須對該區域軟土進行研究.

表4 上海其他區域軟土的物理性質指標Table 4 Physical parameters of soft clays in other areas of Shanghai

4 沉降計算與預測分析

為了考慮次固結沉降, 殷建華等[11-14]建立了一維彈黏塑性本構模型, 但由于該模型需要求解耦合方程, 計算較為復雜, 隨后提出了考慮蠕變的沉降計算方法,

式中: S 為壓縮量(mm); U 為固結度; Sf為主固結壓縮量(mm); Cαe為蠕變系數; e0為初始孔隙比; t0為主固結完成時間(1 d); te為等效蠕變時間.

但該方法在固結時間的確定上存在缺陷, 目前考慮次固結沉降的計算大多在此基礎上進行修正. 本工作采用文獻[11]基于長江口軟土壓縮特性對式(2)進行修正得到

式中: Si為第i 層土的壓縮量(mm); Ui為第i 層土的固結度; Sfi為第i 層主固結壓縮量(mm);Cαi為第i 層土的次固結系數; t0i為第i 層土在工程條件下主固結完成時間(d); Hi為第i 層土的厚度(mm). 利用式(3)可以計算及預測任意時間點的沉降量.

對該圈圍工程進行圍堤沉降監測, 監測點位于東堤E2200 坐標. 圍堤下地基主要分為5 個土層: ①1粉砂層, ②3-1粉砂層, ③淤泥質粉質黏土層, ④淤泥質黏土層, ⑤1粉質黏土層.表5 為各土層物理性質指標. 取該工程2016 年4 月4 日至2018 年2 月21 日現場監測數據對沉降計算方法的準確性進行驗證, 現場加載情況及沉降監測數據如表6 和7 所示. 圍堤最終堆載高度為9.6 m, 壩頂標高+8.5 m, 平均潮位+2.02 m, γ =19.3 kN·m-3, 加載完成后圍堤對下部軟土地基施加的豎向荷載為pn=154.7 kPa.

表5 各土層物理性質指標Table 5 Physical parameters of clay layers

表6 現場加載情況Table 6 Situation of on-site loading

表7 現場沉降監測數據Table 7 Field settlement monitoring data

表8 壓縮量計算值Table 8 Calculation values of compression

工程中常利用現場近期的監測數據, 結合經驗公式對沉降變形與時間關系進行雙曲線、指數曲線擬合來預測下一階段沉降, 其中沉降計算經驗公式考慮了由蠕變引起的次固結沉降,

式中: s 為沉降量(mm); s0為1 mm; t0為1 d; ht為無量綱參數; Ct為無量綱參數, 反映土體蠕變速度; M 為過程參數.

下面用第593 天的監測沉降預測第685 天的沉降, 初始值t1=0 d, s1=0 mm, t2=262 d,s2=769 mm, t3=593 d, s3=913 mm, 其中t3為近期某一監測時間, t2約為t3的中值附近監測時間. 將上述參數代入式(4)得到沉降量s 的表達式:

由式(5)預測第685 天沉降量為949 mm, 與監測值相比誤差約為1%, 預測第990 天沉降量為1 019 mm, 與監測值相比誤差為7.83%.

采用同上方法, 用第685 天的監測數據預測第990 天的沉降, 此時t1= 0 d, s1= 0 mm,t2= 345 d, s2= 828 mm, t3= 685 d, s3= 927 mm, 到第990 天的沉降量為999 mm, 與監測值相比誤差為5.71%. 通過式(4)預測的沉降值, 預測時間越接近與監測值吻合越好. 監測值與兩條擬合曲線預測結果對比如圖5 所示.

圖5 沉降實測與預測值對比Fig.5 Comparisons between values of measured and predicted settlement

由殷建華[11]的一維彈黏塑性模型得到的改進方法預測軟土地基圍堤沉降, 雖然需要已知具體的初始孔隙比、次固結系數等試驗參數, 且相關試驗往往周期較長, 但其沉降計算不受現場監測沉降的影響, 誤差較為穩定. 用沉降擬合曲線方法預測, 雖然計算及預測較為方便, 但受t2, s2及t3, s3即現場沉降監測值的影響較大. 具體選用何種方法可視工程情況而定.

5 結 論

(1)長江口淤泥質粉質黏土壓縮指數為0.316～0.364,淤泥質黏土壓縮指數為0.267～0.313.

(2) 原狀土的次固結系數與荷載有關, 且隨著荷載增大, 次固結系數先增大后減小, 最后趨于穩定. 重塑土的次固結系數與荷載無關.

(3) 長江口軟土與典型上海市區軟土及崇明島區域軟土的物理性質指標存在一定差異, 含水率、壓縮指數、次固結系數均略大于典型上海市區軟土, 因此有必要對長江口軟土的固結、次固結特性進行有針對性的研究.

(4) 采用改進的考慮次固結的沉降計算方法及擬合方法預測后期沉降, 與現場監測數據均吻合較好.