（地质工程专业论文）上海地区冲填土固结特性研究.pdf

摘要 本文以上海临港新城地区冲填土为背景，通过理论分析、室内土工试验、室 内模型试验及数值模拟分析等方法，对冲填土的固结变形特性进行了分析研究， 以期为冲填土地区的工程建设提供参考。 分析中得到了一些有益的结论和成果： ( 1 ) 上海地区冲填土的物理力学性质； ( 2 ) 将冲填土形成过程分为了沉积阶段、颗粒接触阶段及固结阶段，并对各阶 段土体表现的性质进行了阐述； ( 3 ) 将冲填土土体固结过程分成了快速沉降阶段及缓慢沉降阶段，快速沉降阶 段持续时间短，土体沉降量大，一般占总沉降量的9 0 ； ( 4 ) 冲填土固结过程中孔隙水压力可分为快速消散阶段和缓慢消散阶段，它们 历时各占固结时间的5 0 左右，在快速消散阶段前期，孔压消散曲线大致 呈线性，后期非线性明显，缓慢消散阶段则呈线性； ( 5 ) 冲填土固结开始时有效应力增长非常快，而后有一小段时间的减少，后又 开始增大，总体呈增长趋势。有效应力与土体沉降量呈正比例关系； ( 6 ) 改变冲填土体的排水条件和荷载条件对土体固结特性有较大影响，单面排 水自重固结条件下的冲填土体固结时间最长，土体总沉降量最小，固结后 的土体强度最小，单面排水加载条件下的冲填土体固结土体总沉降量最 大，固结后的土体强度最大，双面排水自重固结条件下冲填土体固结的固 结时间最短； ( 7 ) 固结过程中土体强度的增长主要集中在固结的前期。 关键词：冲填土，固结特性，数值模拟，大变形固结理论，模型试验 a b s t r a c t i no r d e rt o p r o v i d er e f e r e n c ef o rp r o j e c tc o n s t r u c t i o ni nt h ed r e d g e rf i l la r e a s t h i s p a p e rs t u d i e st h ec o n s o l i d a t i o nd e f o r m a t i o np r o p e r t i e so ft h ed r e d g e rf i l li nl i n g a n g n e wc i t yo fs h a n g h a i ，t h r o u g has e r i e so fm e t h o d s ，i n c l u d i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s ， l a b o r a t o r ys o i lt e s t s ，i n d o o rm o d e l i n gt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s o m ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ed r e d g e rf l ui ns h a n g h a i ( 2 ) t h e r ea r et h r e ep e r i o d si nt h ef o r m i n gp r o c e s so ft h ed r e d g e rf i l l ，w h i c ha r e s e d i m e n t a r y , p a r t i c l ec o n t a c ta n dc o n s o l i d a t i o n m e a n w h i l et h es o i lp r o p e r t i e si n e v e r ys t a g ea r ei n d i c a t e d ( 3 ) t h ec o n s o l i d a t i o ns t a g ei sd i v i d e di n t ot w op a r t sw h i c ha r ef a s ts e t t l e m e n tp e r i o d a n ds l o ws e t t l e m e n tp e r i o d a n dt h ed u r a t i o no ft h ef a s ts e t t l e m e n ti sv e r ys h o r t t h es o i ls e t t l e m e n ti sl a r g e m a y b ei t st h e9 0 o ft h et o t a ls e t t l e m e n t ( 4 ) t h ew a t e rp r e s s u r ei nt h ec o n s o l i d a t i o no ft h ed r e d g e rf i l li sd i v i d e di n t of a s t d i s s i p a t i o ns t a g ea n ds l o wd i s s i p a t i o ns t a g e t h ed u r a t i o n so ft h e s et w oa r eb o t h 5 0 o ft h et o t a lt i m e t h ew a t e rp r e s s u r ed i s s i p a t i o nc u r v ei sl i n e a ri nt h e p r e v i o u sp e r i o do ft h ef a s td i s s i p a t i o n ，w h i l et h en o n l i n e a r i t yi so b v i o u si nl a t e r p e r i o d a n dt h ec u r v ei sa l w a y sl i n e a ri nt h es l o wd i s s i p a t i o ns t a g e ( 5 ) w h e nt h ed r e d g e rf i l ls t a r t sc o n s o l i d a t i o nt h ee f f e c t i v es t r e s si n c r e a s e sv e r yf a s t ， a n dt h e nd e c r e a s e si ns h o r tt i m e ，a tl a s tb e g i nt o i n c r e a s e t o t a l l yi th a st h e i n c r e a s i n g t r e n d t h ee r i e c t i v es t r e s sa n ds e t t l e m e n th a v et h e p r o p o r t i o n a l r e l a t i o n s h i p ( 6 ) t l l ec h a n g e so ft h ed r a i n a g ea n dl o a d i n gh a v ev e r yg r e a te f f e c t s i nt h e c o n s o l i d a t i o np r o p e r t i e so ft h ed r e d g e rf i l l n ec o n s o l i d a t i o nt i m eo ft h ed r e d g e r f i l li sl o n g e s tu n d e rs e l f - w e i g h ta n ds i n g l e - d r a i n a g e n et o t a ls e t t l e m e n ti sl e a s t t h es o i ls t r e n g t ha f t e rc o n s o l i d a t i o ni ss m a l l e s t w h i l ea f t e rl o a d i n gt h et o t a l s e t t l e m e n ti s l a r g e s tu n d e rt h es i n g l e - d r a i n a g e a n dt h es t r e n g t hi sb i g g e s t m o r e o v e rt h ec o n s o l i d a t i o nt i m eo ft h ed r e d g e rf i l li ss h o r t e s tu n d e rs e l f - w e i g h t a n dd o u b l e d r a i n a g e ( 7 ) n ei n c r e a s i n go ft h es o i ls t r e n g t hi nt h ec o n s o l i d a t i o ni sm a i n l yg e n e r a t e di nt h e p r e v i o u sp e r i o d k e yw o r d s ：d r e d g e rf i l lc o n s o l i d a t i o np r o p e r t i e s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，l a r g e s t r a i n c o n s o l i d a t i o nt h e o r y , m o d e l i n gt e s t h i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝作者躲佣外缈 呷年；月矽日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：何小缈 加罗年弓月加f i l | | | | 11 概况 1 1 i 研究区基本概况 第1 章绪论 冲填土是采用人工方法把汀河和湖海底部的泥沙或淤泥通过水力吹填或泥 浆自流式冲填等方式而形成的沉积上，属于软土类。最先国内的习惯叫法是“吹 填土”，但随着冲填方法的多样性发展，单以“吹填”两字己不能贴切捕述这种 土类的形成过程，故而本文称之为“冲填土”，它比“吹填上”所包含的内容更 广一些。近年来，随着我国沿海城市经济和建设事业的快速发展，沿海城市对 土地资源的需求开益迫切，在沿海及江湖地区将疏竣出来的淤泥和泥沙用来造 地，己成为沿海城市缓解土地资源紧张的有效途径。另外，在港口航道建设时， 港口后方陆域的形成需要大量的工程填料，而港池的扩建又需要挖除大量的海 底淤泥，若将挖出的淤泥用于填海造陆，其经济、环境和社会效益均十分显著， 因而在沿海特别是深圳、上海地区得到了广泛应用。 阑 哦瓤i j l 圈i1 上海f 临港新城区冲填1 地理忙置幽 p 上海地区冲填土| 司结特性研究 为了配合上海市三维地质调查、洋山深水港建设以及临港新城的规划和开 发，本文选择临港新城地区冲填土作为研究对象，它位于长江和杭州湾的入海 口，地理位置如图1 1 所示。 在上海地区，由于河流的减速，河水携带的泥砂长期淤积，滩涂和湿地不断 形成，致使陆地面积不断扩大。自1 9 7 3 年以来，先后实施了五期围海造地，临 港新城周围上百平方公里的土地就是最近一期吹填形成的冲填土。临港新城地 区的人工吹填始于1 9 7 3 年，先后在1 9 7 3 年、1 9 7 9 年、1 9 8 5 年、1 9 9 4 年和2 0 0 2 年修筑了五道人工堤坝，分五期吹填，不断扩大冲填土造地面积。临港新城地 区地势较为平坦，岸边大堤处于人工稳定状态。根据上海地质调查研究院勘探 普查结果，不同地点冲填土厚度为0 8 5 m 不等，冲填土以下为自然沉积土。 本次试验取土地点位于9 4 堤与世纪堤( 0 2 堤) 之间，临近中心湖( 即滴水湖) 北侧，如图1 2 所示。该地区是新近冲填区，冲填时间约4 - - 6 年，冲填土主要 为粘质粉土夹粉砂，有些区域还含有贝壳碎片夹层，主要成分为石英、云母， 含少量的粘土矿物。冲填土自东向西( 即由海堤向内陆方向) 厚度由大变小， 颗粒沉积分选性比较明显，同时在垂直方向上存在明显的层理，沉积韵律比较 明显。 2 图1 2 上海市冲填土的分布示意图 第1 章绪论 1 1 2 冲填土国内外研究现状 自从2 0 世纪7 0 年代，水力充填技术兴起以来，国内外就有针对冲填土的相 关研究文献发表，这些研究可以大致分成三类，第一类是针对冲填土的冲填方 法及理论计算的研究，第二类是针对冲填土形成之后的工程特性研究，第三类 是针对冲填土地基的处理方法研究。 ( 1 ) 冲填土的冲填方法及理论的研究进展 对于冲填土的冲填方法，东南大学交通学院张成良等人综合性的叙述了冲填 方法在国外的发展过程【1 j 。 荷兰、新加坡、日本、香港、上海等地方因为土地资源严重不足，迫使他们 进行大面积的围海吹填造陆。砂是吹填的首选材料，因为它的透水性能好，排 水快，压缩变形不大，在短期内能达到吹填的高度和强度，适合工程建设的需 要。香港在上世纪9 0 年代到现在的许多大型港口工程和飞机场地建设用地多为 海砂吹填造出的陆地。上海近十年来经济的快速发展，造成土地资源紧张，也 开始了大面积的围海造地工程，其主要冲填材料也是海砂。l e u n g ( 1 9 9 4 ) ，l e e ( 1 9 9 9 ) 对这种水砂冲填的原理和施工方法、关键技术进行了研究。他们的研 究成果表明，用海砂进行水力吹填的密实度、均匀性取决于砂的来源，铺砂的 方法，砂沉积的环境。在实际吹填的施工过程中，由于铺砂的厚度不均匀性和 砂颗粒的大小的影响，在进行预压的时候很难控制吹填砂的质量，需要花很高 的成本来进行压密或者用其他的方法来加固。而进行大面积的吹填时如此大的 用砂量，导致许多国家如新加坡主要依靠进口砂为主，这就增加了用砂进行吹 填的成本，迫使人们寻求成本更为低廉的吹填材料，如用海相淤泥或者疏浚淤 泥进行吹填。用海相淤泥作为吹填材料的研究在新加坡已经有十多年了，最初 是采用泥浆进行吹填，用管道将泥浆输送到吹填场地的围堰里，让泥浆沉积， 在自重的作用下固结。由于泥浆吹填出来的土孔隙比大，含水量很高，渗透性 非常低，沉积固结的时间长，而且体积很大的泥浆吹填出来的土地的体积很少， 使得这个方法具有一定的局限性。有人提出把纯砂吹填和纯泥吹填结合起来， 企图使这两种方法互补。上世纪8 0 年代早期，新加坡研究了采用吹填一层泥， 铺设一层砂的吹填造陆方法，将一层相对较薄的砂层夹在用海相淤泥吹填的土 之间，形成夹砂排水层。这个方法的优点是能减少砂的使用量，节省建设成本。 另一方面，因成层的砂土相间，由于排水路径的减短，比纯泥吹填的固结速度 3 上海地区冲填土l 司结特性研究 要快。w a t a r i ( 1 9 8 4 ) 就提出一定厚度的纯泥吹填需要花费几年的时间来固结和 获取足够的强度以承载各种荷载，从而使吹填造出来的土地在短时间内得不到 应用。而l e e e t a l ( 1 9 8 7 ) 用现场实验成功地证明了这种成层的夹砂土层的吹填 方法的可行性，这种吹填方法关键在于夹在吹填土层之间的排水砂层的形成， 从而加速泥土的固结。目前国外一些学者如m a n i v a n n a n ( 1 9 9 8 ) 、k a r t h i k e y a n ( 2 0 0 1 ) 、l e u n g ( 2 0 0 1 ) 、r o b i n s o n ( 2 0 0 5 ) 等正在研究用很大的土团颗粒来进 行吹填，土团的直径为1 5m ，在理论上要建立一个这种吹填土团的固结模型比 较困难，在实际施工过程中，很难了解土团之间的孔隙的变化情况，所以这种 吹填方法在国外有所应用，但是在国内还没有先例。 国内对冲填方法的研究较少，一些发表的文献仅仅局限于现场施工经验，提 出了冲填方法在各地区的适用性及具体的施工方法。 理论研究方面，冲填土的形成一般都要经过水力吹填、沉积排水、固结压密 三个阶段，因而有关冲填土的理论主要有沉积理论与固结理论。k y n c h ( 1 9 5 2 ) 假设土粒的沉降速度v 。只由它的浓度c 决定，从而得到沉淀理论的控制方程 y 化) 兰+ 兰：0 a ； 甜 其中c 固体的浓度； 争一欧拉坐标。 y ( c 1 ；v 。+ c 当 其中1 ，厂- 固体的沉降速度，= v s 亿) 。 m i k a s a ( 1 9 6 5 ) 经过大量软土固结过程的研究发现，软土的固结特性与太沙 基的固结理论不太符合，他认为当土层很软很厚时，土层的自重应力水平对固 结过程影响很大；g i b s o n ( 1 9 6 7 ) 考虑饱和土的自重和非线性，按土体固相物 质坐标z ，由土体平衡条件，流量平衡条件，d a r c y 定律和有效应力原理提出了 以孔隙比为基本变量的一维大变形固结方程 印丢篇弦圭篇i d o 云o e k 2 。 g i b s o n 和s c h i f f i m a n ( 1 9 8 1 ) 等人用有限非线性应变固结理论分析厚层粘土 的固结过程也发现，如果考虑土层的自重应力，则求得的同一层土的固结速率 比太沙基理论推求的要快。这些研究表明，土层自重应力在固结过程中是一个 4 第1 章绪论 不容忽视的因素。 m i k a s a 和g i b s o n 等人之后，国内外学者对软土和吹填土的大变形固结特性 开展了一些研究，他们在分析大变形影响时，较多地考虑了大、小变形理论在 描述构形上的差别，而很少注意到有关大变形的基本理论，所以，由此得到的 一维大变形固结理论还缺乏理论的普遍性。 在实验研究方面，随着大变形固结理论的发展，固结试验方法也有所进步， 其中常应变固结试验( c r s ) 通常被认为是较方便的方法。它可以确定土体的前 期固结压力以及孔隙比与有效应力关系。z n i d a r c i c & s c h i f f m a n ，z n i d a r c i c e t a l ， a b u h e j l e h & z n i d a r c i c 以g i b s o n 的理论为基础，研究了软土的有效应力与孔隙比， 孔隙比与渗透系数之间的关系。前二者采用了c r d 固结试验，后者则采用了常 水头渗透固结试验。z n i d a r c i ce ta l 进行了饱和软粘土的c r d 试验，但是他们假定 大变形固结系数甙e ) 为常数，没有分析c r d 试验中固结系数的变化，不适用于很 软的粘性土。a b u h e j l e h & z n i d a r c i c 基于常水头渗透固结试验，对美国佛罗里达 州磷酸盐粘土的固结性状作了研究，在试验中减少了人为因素和试验设备对量 测结果的影响。v a nt o le ta l 对吹填土、弃土采用一维固结试验并基于g i b s o n 等的 一维大变形固结理论分析了大变形的固结参数，研究表明在传统的一维小变形 固结理论中使用所测的大变形固结参数也可以很好地对土体固结过程进行预 测。方开泽等对连云港吹填土进行了c r d 试验，测定了大变形固结系数随孔压 的变化规律。谢新宇对杭州粘土进行了拟k oc r d 固结试验，得到了基于大变形 固结理论的固结参数，并可以直接应用于大变形的固结分析。 ( 2 ) 冲填土工程特性研究 由于冲填土的形成方式以及材料的不同，其工程特性具有很强的地域性，学 者对自身所处地区冲填土的工程性质研究并不具有普遍意义，但其研究方法以 及手段都是可以被借鉴使用的。目前有关冲填土工程特性研究的文献有很多， 这里只列出国内的一些研究成果。 在国内，在2 0 世纪七八十年代由于国内基础建设的兴起，修建了大量的大 坝，水力冲填受到了相当的重视，国内的很多岩土界前辈对冲填坝体做了研究 分析，清华大学水利系水工专业7 2 届水坠坝毕业实践小组( 1 9 7 6 ) 围绕水坠坝 边坡稳定问题，对黄土地区常用的冲填土料提出实用的c 、f 值，根据冲填 土料的特性，提出两种建立在有效应力原理基础上的简易边坡稳定分析方法【2 1 。 朱泽民、贾锦、纪珠宝( 1 9 8 4 ) 根据比奥固结理论，用有根单元法对吴城冲填 5 上海地区冲填七同结特性研究 坝进行了分析和计算，反映了冲填坝在施工过程中坝体内部孔隙压力、位移和 应力的变化过程1 3 l 。张维江、胡必武、杨禄润( 1 9 9 6 ) 得到了一定范围内冲填体 抗剪强度指标的方程式【4 j 。桂和荣、杨学明( 1 9 9 7 ) 针对新庄孜矿水力冲填土分 析研究了冲填土强度的变化与脱水固结时问、含水率及土料性质等因素之间的 内在联系【引。 彭涛、武威、黄少康、侯培丽( 1 9 9 9 ) 从吹填淤泥的沉积特征、物质组成、 孔隙特征、微观结构、渗透特征、固结特征及物理力学性质等方面对吹填淤泥 的工程地质特征进行了研究，将吹填土沉积分为4 个阶段，其微观结构以絮流 状结构为主，蜂窝状为辅，并将吹填土与海相淤泥做了对比，认为其工程性质 更差，高含水量、高压缩性、高孔隙比、高灵敏度、结构性差、固结程度低、 承载力低的工程特性比海相淤泥更显著，但其渗透性远大于海相淤测6 1 。 王华敬、顾长存、苏慧于2 0 0 2 年发表了钱塘江吹填土的沉积特性研究 一文，通过对钱塘江标准塘v 期的吹填土的颗粒分析曲线和沉淀试验，得出了 粉土干密度、沉积的快慢与含水量没有明显关系，土的自重在欠固结土中发挥 着重要作用的结论i 7 。 肖树芳、刘莹、王清等人于2 0 0 3 - - - 2 0 0 6 年期间对冲填土做了较为详细的研 究，( 2 0 0 3 ) 根据吹填土沉积固化后的压缩试验，提出了吹填土结构强度的概念， 并且由试验结果得出了吹填土固化后结构强度与压力的关系曲线，发现了结构 强度随压力增长的趋势。从微观结构的角度，以微观结构定量化数据为基础， 系统地分析了吹填土结构强度的增长机理l 驯；( 2 0 0 3 ) 对不同连云港和青岛地区 的吹填土基本性质进行了对比研究【9 j ；( 2 0 0 4 ) 通过模拟现场吹填土沉积情况的 量筒沉降试验和沉降柱试验，测定了吹填土在不同土水比及不同添加剂作用下 沉降后的容重、孔隙比及含水量等物理指标【1 0 l ；( 2 0 0 6 ) 以连云港地区吹填土为 主要研究对象，通过室内沉积试验，对吹填土在静水条件下的沉积规律及固结 特性做了系统分析和研究，并对沉积后的吹填土进行了微观结构定量分析，得 出了由于冲填环境中泥沙来源以及冲填时的水力条件等方面的不同而造成它们 在基本性质上的差别【1 1 】f 1 2 1 。 唐益群、杨坪( 2 0 0 7 ) 通过离心机模型试验对上海市地区冲填土的自重固结 沉降进行了研究，得出了冲填土在自重应力条件下固结与时间的关系i l 引。并以 上海临港新城冲填土地层分布区的道路在车辆振动荷载作用下路基变形为研究 对象，以一定的动应力、不同的振动频率来模拟车辆振动荷载，进行了振动三 6 第1 章绪论 轴试验研究1 1 4 j 。 ( 3 ) 冲填土地基处理方法研究 冲填土地基通常情况下都是软弱地基，在工程应用时，采取的加固处理方法 也是一般的软土地基加固方法，如堆载预压法、真空预压法、真空堆载联合预 压法、强夯法、深层搅拌加固法等等。但是冲填土地基加固与其他软土类地基 处理又不一样，它存在一个时间的问题，即在冲填结束之后多长时间里才能进 行加固处理。由于这个因素的影响，所以对于冲填土来说，这些加固措施就有 些不同的适用范围。 我国目前应用较多的是堆载预压法，上海临港新城地区冲填土的地基处理应 用了这种方法，它是在进行堆载预压的同时，加塑料排水板作为改进，以加快 土层排水速度，达到尽快固结的目的。有文章指出，大面积超厚冲填土也具有 “堆载预压”效应【1 5 】，至于如何利用这个“堆载预压”效应以达到实际工程应 用的需要，还需要进一步的研究。 早期也有使用沉桩加固的，如1 9 9 0 年，扬子公司石脑油罐群工程因投运工期 受限，作了吹填后立即沉桩的尝试，在吹填后的第2 5 天开始沉制振冲碎石柱。 实践证明，新吹填区有可能立即沉桩1 16 。但是用桩基进行加固存在的一个问题 是，冲填土地基对桩基的“负摩阻力会加速桩基下沉，这样使得处理的效果 并不好，所以此种方法应用不广。 深层搅拌加固法是加固软土地基的一种常用方法，它是利用深层搅拌机械， 在软土地基内边钻进边喷射浆液和外加剂，并且利用搅拌轴的旋转充分拌和， 使固化剂和土体之间发生一系列的物理和化学反应，改变原状土的结构，使之 硬结成具有整体性和水稳性及一定强度的水泥土，从而使土体的强度增加，达 到加固目的。2 0 0 0 年，董庆祝、刘永和发表文章从工程实例的角度论证了它应 用于冲填土地基的可行性【1 7 】，同年，又有赵宜峰、赵旺明发表文章介绍了粉体 喷搅法和压密注浆联合加固地基的方法( b i d c 法) 在加固冲填土软弱地基的施 工【1 8 l 方法。深层搅拌加固法主要是应用于小面积的冲填土地基，对于大面积的 冲填土地基则因为经济等方面的原因应用得并不广泛。 强夯法加固冲填土地基应用的也比较普遍，它具有经济、施工简单、加固效 果明显的特点。一般认为地基经强夯后强度提高的过程可分为4 个阶段： ( 1 ) 夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密，气体排出，孔隙水压力上升； ( 2 ) 土体液化或土体结构破坏，表现为土体强度降低或抗剪强度丧失；( 3 ) 排水固 7 上海地区冲填十同结特性研究 结压密，表现为渗透性能改变、土体裂隙发展、土体强度提高；( 4 ) 触变恢复 并伴随固结压密，部分自由水又变成薄膜水，土的强度继续提高。关于强夯法 在冲填土地基上的使用在我国有不少实例1 1 9 j 1 2 0 l ，它比较的适合于大面积的软弱 地基处理，采用强夯法加固吹填粉细砂软基，具有良好的应用前景，若根据工 程的实际情况，设计合理的夯打参数，夯打区域内地基土的承载力将大为提高， 加固深度也将明显增大，那样会取得更为满意的经济效果。 真空预压法最早由瑞典争家地质学院杰而曼教授于1 9 5 2 年提出，真空预压 法适用于加固新吹填的淤泥质土及其下卧粘土层。七十年代后期，日本大阪港 采用了一种新的做法，将塑料排水板与真空降水结合起来，加速地基的沉降。 张诚厚、陈绪照等人在r 本经验的基础上，结合我国施工水平做了一些改进， 在连云港庙岭新港区进行试验，并取得了成功l z 。2 0 0 6 年，铁道第四勘察设计 院郭全元通过工程实例分析，得出了如下的结论：( 1 ) 真空预压对欠固结、 渗透系数较大的土处理效果较好，特别对新近吹填土具有更好的效果。( 2 ) 真 空预压对2 0r n 以内的深层软土有一定的处理效果，但对浅层软土的处理效果更 明显，且工期缩短。( 3 ) 加固面积越大，真空预压处理的经济效果越明显【列。 目前国际上较为先进的方法是将疏浚淤泥进行固化处理，向疏浚泥中加入固 化材料，使处理后的疏浚泥具有良好的工程特性。这一方法被称为冲填土的预 加固，我国也有这一方面的研究，2 0 0 1 年，天津大学的刘振杰等人对淤泥粉煤 灰的混合吹填进行了研究，发现淤泥掺粉煤灰后其力学性质指标有了显著的改 善1 2 3 l ；2 0 0 3 年，谢海澜、王清等人首次对利用水泥和生石灰对吹填土的预加固 处理进行了试验研刭2 4 1 。这些研究进展突出，但是由于冲填土地域性的限制， 且没有提出对吹填设备的改进设想，使得这些成果未能及时转化为实际生产力。 1 2 研究内容 根据国内外目前对冲填土工程特性的研究进展，并结合冲填土地区开发建设 的需要，本课题的研究内容为： ( 1 ) 通过室内土工试验，对上海地区冲填土的物理性质做一系统分析； ( 2 ) 应用大变形固结理论，计算分析不同固结条件下冲填土的固结特性； ( 3 ) 通过室内冲填土固结模型试验及静三轴强度试验分析冲填土在不同固 结条件下，其固结沉降量、固结时间及固结后强度的发展规律； 8 第1 章绪论 ( 4 ) 通过数值模拟，对冲填土在各种固结条件下的固结特性进行研究分析， 并将所得到的结果与理论计算及模型试验结果进行对比，分析各方法的合理性。 1 3 研究方法 根据所要研究的内容，本课题将以冲填土在自重应力及静荷载下固结的土体 沉降量、固结后强度为研究对象，采用现场取样、室内模型试验、室内静三轴、 数值模拟以及必要的理论分析等研究方法，应用土力学、土工试验、数值方法 等理论知识进行相关的研究工作。 ( 1 ) 室内试验：物理性质土工试验、冲填土固结模型试验、静三轴强度试 验、渗透试验。 ( 2 ) 理论分析及数值模拟：运用大变形固结理论对冲填土进行分析，运用 f l a c 3 d 软件分析冲填土在各种固结条件下的固结特性。 1 4 研究目的与意义 冲填土由水力吹填而成，其工程性质与所吹填的泥沙来源、吹填时水力条件 及形成时间有着密切的关系，因此，冲填土的工程性质具有明显的个性。龚晓 南教授指出以往人们对土的研究中，主要对岩土材料的共性进行研究，而对个 性深入系统研究的较少，对各类各区域性土的工程性质，开展深入系统的研究 将是2 1 世纪岩土工程发展的方向。而有关于冲填土的研究，国内外开展的较少， 主要集中在一些基本性质和加固处理措施方面，对冲填土的工程特性、自重固 结规律等方面的研究还有待于深入。 冲填土地基作为软土地基的一部分，在理论上一直未能得到比较有成效的突 破，对冲填土的固结特性进行研究，将会提高我们对冲填土的认识。研究冲填 土在自重应力及静荷载作用下的固结沉降规律，将会丰富软土的理论体系知识； 在实际工程应用中，此研究成果可以指导冲填土地基处理施工方法的选择和工 期的安排；而利用数值方法对冲填土工程性状的研究成果，则可直接应用于冲 填土地基加固的设计当中。因而，本课题的研究不仅具有可观的工程经济效应， 而且对软土地基理论的完善也起到一定的作用。 9 第2 章上海地区冲填土物理性质 自然界的土是分布在地球表面自然形成的松散堆积物，它是固相、液相、气 相组成的三相体系。土中三相物质的含量比例不同，使土的状态和物理力学性 质产生很大差异。不同成因类型的土，性质也有很大差别。要了解一种土的物 理性质，主要可以从土的含水率、密度、比重、液塑限、颗粒级配等物理指标 来进行分析【2 5 】f 2 6 】。 本课题实验用土全部取自上海市临港新城区，临近中心湖( 即滴水湖) 北侧。 该地区是新近冲填区，冲填时间约4 - 一6 年，冲填土主要为粘质粉土央粉砂，有 些区域还含有贝壳碎片夹层，主要成分为石英、云母，含少量的粘土矿物。 2 1 含水率 土的含水率w 是指土在温度1 0 5 1 1 0 下烘到恒量时所失去的水质量与达到 恒量后干土质量的比值，它反映了土的干、湿状态。含水率的变化将使土物理 力学性质发生一系列的变化，它可使土变成半固态、可塑状态或流动状态，可 使土变成稍湿状态、很湿状态或饱和状态，也可造成土在压缩性和稳定性上的 差异。 在现场取土后即进行室内含水率试验，试验数据如表2 1 所示。 表2 1 冲填土含水率试验数据 盒加湿盒加干 盒质最水质量干土质量含水率 平均 土质量土质量 含水率 编 盒号 ( g )( g ) ( g )( g )( g ) ( ) ( ) 号 ( 1 )( 2 )( 3 )( 4 )( 5 )( 6 )( 7 ) ( 1 ) 一( 2 )( 2 ) - ( 3 )( 4 ) ( 5 ) 4 1 0 0 1 2 4 32 9 0 9 72 5 9 5 81 1 7 0 63 1 3 91 4 2 5 22 2 0 22 4 52 8 0 3 82 5 0 0 11 1 1 1 23 0 3 71 3 8 8 92 1 9 39 5 82 8 3 3 3 2 5 3 4 21 1 8 8 62 9 9 11 3 4 5 6 2 2 2 2 2 6 49 4 73 1 8 2 52 8 0 6 41 1 4 4 43 7 6 11 6 6 22 2 6 58 6 82 7 8 9 72 4 8 3 61 1 5 3 23 0 6 11 3 3 0 42 3 0 6 1 0 1 9 3 1 5 5 9 2 7 6 8 41 1 4 3 83 8 7 51 6 2 4 62 3 9 上海地区冲填十同结特性研究 2 2 密度 土的密度p 是指土的单位体积质量，其单位为g c m 3 ，它反映了土体结构的 松紧程度，是计算土的自重应力、干密度、孔隙比、孔隙度等指标的重要依据， 也是挡土墙土压力计算、土坡稳定性验算、地基承载力和沉降量估算以及路基 路面施工填土压实度控制的重要指标之一。土的密度一般是指土的湿密度。 土的密度跟含水率有很大关系，由现场取样在室内进行环刀法密度试验得到 的试验数据如表2 2 所示。 表2 2 环刀法测定冲填十密度试验数据 环刀质最环刀加土质量 环刀容积 土的密度平均密度 编号 ( g )( 曲( c m 3 )( g e r a 3 )( g c m 3 ) 0 2 0 43 9 8 91 5 3 76 01 8 9 7 0 3 74 0 51 5 6 1 9 6 01 9 2 8 1 94 1 0 81 5 5 3 66 01 9 0 5 0 3 04 0 8 71 5 6 9 56 01 9 3 5 1 9 0 5 0 1 73 9 9 11 5 3 66 01 8 9 5 1 14 2 2 51 5 5 4 26 01 8 8 6 0 1 1 74 1 9 21 5 5 3 66 01 8 9 1 2 3 界限含水率 土的状念随着含水率的变化而变化，当含水率不同时，土可分别处于固态、 半固态、可塑状态及流动状态，土从一种状态转到另一种状态的分界含水率称 为界限含水率。土从流动状态转到可塑状态的界限含水率称为液限耽，土从可 塑状态转到半固体状态的界限含水率称为塑限w p ，土由半固体状态不断蒸发水 分，则体积逐渐缩小，直到体积不再缩小时的界限含水率称为缩限帆。 土的塑性指数昂是指液限与塑限的差值，由于塑性指数在一定程度上综合反 映了影响粘性土特征的各种重要因素，因此，粘性土常按塑性指数进行分类。 土的液性指数屯是指粘性土的天然含水率和塑限的差值与塑性指数之比，液性 指数可被用来表示粘性土所处的软硬状态，所以土的界限含水率是计算土的塑 性指数和液性指数不可缺少的指标，土的界限含水率还是估算地基土承载力的 一个重要依据。 第2 章上海地区冲填土物理性质 表2 3 液塑限联合测定法试验记录表 试样圆锥下沉盒加湿土 盒加干盒 液限塑限塑性 土质量质量 含水率( ) 编号 深度( m m )质量( g )( )( ) 指数 ( g ) ( g ) ( 1 ) ( 2 ) ( 3 )( 6 )( 7 ) ( 8 ) ( 9 ) 1 11 42 6 0 22 3 0 8 41 3 33 0 o 2 1 3 32 3 7 52 2 1 1 31 3 2 61 8 52 6 51 4 71 1 8 3 17 82 4 4 42 2 2 9 61 3 2 72 3 8 1 21 4 73 6 1 5 3 0 8 7 1 3 2 7 3 0 0 两条直线在2 m m 处的含水 2 23 52 6 2 82 4 0 9 21 3 2 82 0 2 率差值大于2 ，本次数据 3 29 12 9 1 92 6 0 8 31 3 2 82 4 3 小口j 冉用。 1 3 1 4 82 7 5 12 4 2 7 11 3 2 72 9 4 2 33 4 52 5 32 3 4 2 91 3 2 71 8 42 5 71 4 81 0 9 3 37 42 7 4 9 2 4 8 4 5 1 3 2 9 2 2 9 求得液限为2 6 1 ，塑限为1 4 8 ，颦性指数为1 1 4 。 本课题采用了液、塑限联合测定法来进行液限及塑限的测定。液、塑限联合 测定法是根据圆锥仪的圆锥入土深度与其相应的含水率在双对数坐标上具有线 性关系的特性来进行的。利用圆锥质量为7 6 9 的液塑限联合测定仪测得土在不 同含水率时的圆锥入土深度，并绘制其关系直线图，在图上查得圆锥下沉深度 为l o m m ( 或1 7 r a m ) 所对应的含水率即为液限，查得圆锥下沉深度为2 m m 所 对应的含水率即为塑限。 试验所测得的数据如表2 3 所示。 根据表中数据，以含水率为横坐标、以圆锥入土深度为纵坐标在双对数坐标 纸上绘制含水率与圆锥入土深度关系曲线，如图2 3 所示。 图2 1 由两组试验数据得出，取平均值，可查得l o m m 液限为2 6 1 ，2 m m 塑限为1 4 8 。 根据公式，p = m w e 计算塑性指数，得，= 1 1 4 根据公式，l w o ，- p w e ，得j l = o 6 8 w 0 天然含水率( ) ，由表2 1 ，得w o 为2 2 6 上海地区冲填十固结特性研究 售1 0 g 。7 瑙 磷5 州 一 蓄3 2 _ n | l | t l | 1 2 4 颗粒分析 2 0 暑l o e 魁7 殛气 书j 一 2 0 2 0c o 0 0 5土名 ( m m ) 0 5o 2 50 10 0 7 40 0 0 5 粒径组 含量0o 50 35 92 6 96 0 85 6砂质粉土 ( ) 小于某粒径的土粒重量累计百分数为1 0 时，相应的粒径称为有效粒径d 。 当小于某粒径的土粒重量累计百分数为6 0 时，该粒径称为限定粒径d 。d 与 d 。之比值反应颗粒级配的不均匀程度，所以称为不均匀系数e 。d = 0 0 7 ， 1 6 o o o 0 0 o 0 0 0 d 0 们 约m o 小于某粒径的土质量百分数v 第2 章上海地区冲填土物理性质 d l o = 0 0 1 8 ，d 3 0 = 0 0 6 不均匀系数e = d 九6 0 = 怒= 3 9 曲率系数c c = 毳= 丽0 0 6 2 - 2 8 6 e 1 0 的土则是不均匀的，即级配良好的，c c 值 在1 - 3 之间的土级配较好。 2 5 小结 本章通过室内试验，对上海地区冲填土的物理性质进行了研究。上海地区冲 填土为砂质粉土，主要成分为石英、云母，含少量的粘土矿物，其天然含水率 为2 2 6 ，天然密度为1 9 0 5 9 c m 3 ，液限为2 6 1 ，塑限为1 4 8 ，塑性指数为 1 1 4 ，液性指数为0 6 8 ，不均匀系数为3 9 ，曲率系数2 8 6 ，属级配较好的均 匀土。 1 7 第3 章冲填土固结理论计算分析 3 1 固结理论发展过程刎刎 固结理论一直是土力学的重要课题之一，早在1 9 2 5 年，t e r z a g h i 就在其著作 中提出了著名的有效应力原理，并据此建立了一维固结理论，成为土力学发展 史上的一个重要罩程碑。在t e r z a g h i - - 维固结理论中除了假定土是均质的和小变 形外，还做了如下假定：土是完全饱和的；土颗粒和土中水是不可压缩的；土 的压缩和孔隙水挤出只发生于一个方向；土中水的流动服从d a r c y 定律；固结过 程中渗透系数和压缩系数都是常数；以及土的孔隙比与有效应力的关系不随时 间变化，即线弹性假定等。后来，r e n d u l i c ( 1 9 3 6 ) 将t e r z a g h i 的一维固结理论 推广n - 维、三维情况，得出t e r z a g h i r e n d u l i c 扩散方程。对于简单的几何形状 和边界条件，可以求得扩散方程的解析解，对于较复杂的边界条件和几何形状， 可以借助有限差分法求解。 t e r z a g h i 固结理论假定： ( 1 ) 土层只有竖向压缩变形，而无侧向膨胀，渗流也只有竖向。这样就成 了一维问题。 ( 2 ) 土体是饱和的，只有土骨架和水二相。 ( 3 ) 土体是均匀的，在荷载作用下土体的压缩仅仅是孔隙体积的减小，土 粒本身以及水体的压缩量可以忽略不计，且假定压缩系数a 为常量。 ( 4 ) 孔隙水的渗透流动符合d a r c y 定律，渗透系数k 为常量。 ( 5 ) 外荷载为均布连续荷载，且一次施加于土层。 t e r z a g h i 单向固结微分方程式： o u ，a u i 乩v 孑 其e e c v ；r ( 1 + e 1 ) ，e 为土的固结系数，m 2 d 。 口y 其单面排水的解为 1 9 上海地区冲填士同结特性研究 童阿u o ( z ) s i n c 署咔n c 署廊卧字聃m 乩3 ，s ，为 正奇数) ； 其双面排水的解舢薹跚日味z ) s i n 罄2 h 忱1 js i n 曙) e x p ( - 孚轨 式中n 为正整数。 式中h 为最大排水距离，在单面排水条件下为土层厚度，在双面排水条件下 为土层厚度的一半。互，为时间因素，z ，：善。 爿 b i o t ( 1 9 4 1 ) 根据有效应力原理、土的连续条件和平衡方程，提出了b i o t 固