吹填超软土固结特性的试验研究_图文

1、第35卷第11期 2008年11月湖南大学学报(自然科学版Journal of Hunsn Univemity(Natural SciencesVd.35,No.11 Nov.2008文章编号:1674.2974(200811.0120.04吹填超软土固结特性的试验研究。朱耀庭t,郑爱荣,李卫(中交天津港湾工程研究院有限公司,天津300222 .摘要:针对吹填超软土的特殊工程特性,以深圳吹填超软土为例,对其工程特性尤其固结特性进行了试验研究,结果表明:吹填超软土具有高含水率、高孔隙比、高粘粒含量的物理特性;当固结荷重小于200kPa时,其固结变形量和孔隙比变化最为明显;固结荷重小于80kPa时

2、,其渗透系数变化最为明显.关键词:吹填土;软土;固结试验;固结系数中图分类号:TU411文献标识码:ALaboratory Tests for the Consolidation Property of DredgerFill in the Shenzhen AreaZHU Yao-tin97,ZHENG Airong,LI Wei(Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of a。(.Tianjin 300222。ChinaAbstract:In order to analyze the special engineering properties of

3、 dredger fill,experimental studies had been done on the physicalmechanical properties of that in Shenzhen,especially for its consolidation properties。The test results indicated that dredger fill had the properties of high water content,high void ratio and high clay con. tent;When the cordining press

4、ure applied to the sample was less than 200kPa。the change of deformation and void ratio of it was obvious;When the confining pressure applied to the sample WSS less than 80kPa,the chang of permeability coefficient of that Was significant;after the load of last grade applied to the sample Was stable,

5、 the change of the height and water content of dredger fill sample Was large.Key words:dredger fill;soft soil;consolidation test;coefficient of consolidation随着国内沿海港口以及相关建设事业的迅猛发 展,港口等用地需求急剧增加,据不完全统计, 2000年以来,中国的年平均围填海造陆面积达三百 平方公里以上,目前几乎全国所有的沿海省市都在 大范围开展围海行动.砂或砂性土一直以来被认为 是比较理想的围海造陆填料,随着人们环保意识的 进一步提高,

6、这些不可再生的资源开始受到保护或 限制开发,另一方面,大量的航道疏浚等产生的海底 淤泥通过向外海抛洒而形成的环境污染和回淤等问 题也日益受到重视或限制心】,如何充分利用这些疏 浚土已成为港121建设者面临的一项重要研究课题. 在我国沿海的的天津、大连、黄骅、青岛、连云港、深 圳等大多数淤泥质海岸,每年因为疏浚形成的吹填 超软粘土达数亿立方米,由于这些土与正常沉积土 以及经过几年晾晒的吹填土的性质具有很大的不 同,对其开展研究具有深远的意义.吹填土是指利用特殊机械(挖泥船、泥浆泵等 和水力,将原沉积于近海或航道中的泥(砂通过高 压管道输送至预定位置后沉积形成的人工堆积物. 吹填土的性质与吹填土的

7、来源及吹填时的水力条件 密切相关,但是大量工程实践发现,水力吹填形成的 超软粘土与原泥的物理力学性质,特别是工程性质,收稿日期:2008-06-11饩耋尊嗡!卷耀庭(1970一,男,湖北捆州人,中交天津港湾工程研究院有限公司高级工程师 t通讯联系人。E.mail:tpeizyt163.coin第11期 朱耀庭等:吹填超软土固结特性的试验研究 121有较大差异,主要表现为含水率高(一般超过 85%、孔隙比高(一般超过2.0和强度低等特 点¨】,由于各建设单位在吹填造陆形成后的很短时 间内就希望使用土地,如何确认这些土采取何种有 效的加固方法成为我们研究的主要任务之一.本文以深圳某填海造

8、陆工程吹填超软土为研究 对象,介绍固结特性室内试验研究情况.1吹填超软土的物理性质试验选用的吹填超软粘土的原泥来自深圳某围 海造陆工程,该淤泥层属第四纪的海相沉积层,广泛 分布于深圳西部的沿海地区和伶仃洋东岸,厚度一 般310rll,呈流塑状,黑灰色,有机质含量一般在 5%10%之间.试验用吹填超软土的一般物理性质 指标试验结果见表1.结果表明,平均天然含水率为 95.7%,远大于液限,呈流塑状态.吹填超软土的孔 隙以粒闻孔隙最为发育,最大可达12卢。平均天然 孔隙比高达2.67,按照相关规范的规定,被试验土 的分类属于流泥范畴,且灵敏度较高.由于为水力 吹填土,土体均匀性稍差,试验结果有一定

9、的离散 性.衰l欧填超软±的一般物理指标T囊b.1Physltml properties of dredger nII物理参数 含水率m/%天然密度p/(gan一3 孔隙比e 液限mL/%塑限mP/%塑性指数jP 液性指数jL 最小值 93.41.4548.022.519.01.78最大值 98.61.50 56.834.028.92.66平均值 95.71.482.6751.227.623.62.15吹填超软土的主要粘土矿物成分由高岭石、伊 利石/蒙脱石混层矿物(混层比45%组成,约占总 质量的32.5%;受海水化学成分影响,含盐量为 2.2%,CI一,Na+K+含量较高,属于cl

10、一一Na+型, 对钢材具有强腐蚀性.甲种密度计法颗粒分析发现, 其胶粒(粒径<0.002含量洗盐前为26.3%,洗盐 后增大至44.4%,这是由于都分土颗粒结合形成具 有一定抗水性的“团粒”¨1.2超软土的固结试验特性吹填超软土在吹填完成后经历了细颗粒絮凝下 沉阶段和自重固结阶段,前者沉降量大,历时较短, 后者持续时间很长,沉降量与时间基本成线形关 系哺】.这是由于其粘粒含量较多,含水率高,渗透性 能差,强度和压缩性指标都比同类天然沉积土差,自 然固结时间可长达数十年.要投入使用,必须对其进 行人工加固处理,吹填超软土是由高含水量、低密度 的泥浆逐渐脱水固结形成的,具有变形较大

11、的特点, 试验结果表明渗透系数、固结系数等随固结过程而 不断变化,因此这两个参数不能视为常数,故不能 简单地采用常规的固结理论太沙基固结理论进 行固结分析.在以往的固结理论中,认为主固结阶段 应力应变关系是唯一的,孔隙比与有效应力之间有 一一对应关系.实际上,越来越多的试验资料懵捌表 明,粘土的应力应变关系是加荷速率或应变速率的 函数.2.1固结试验随着大变形理论的发展,固结试验方法也有所 进步,其中常应变固结试验通常被认为是较方便的 方法.Van T0l等对吹填土、弃土采用一维固结试验 并基于Gibsen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

12、使用所测得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.试验时共进行64组高压固结试验,固结仪器选 用全自动气压固结仪.由于被试验土样为原始状态 强度较低的饱和扰动土,试验荷重序列的第一、二级 分别为5kPa和12.5kPa.试验方法参照标准固结 进行,试样高度为2em,每级荷重的稳定标准为 0.005mm/h,为使固结更为彻底,最后一级荷重稳 定后继续固结3d.2.2试验结果分析2.2.1土样变形吹填超软土微观结构上的高孔隙特性是控制其 压缩变形的重要因素,它直接决定着软土的渗透和 固结特性【7】.在荷载作用下,饱和吹填超软土中的超 静孔隙水压力逐渐消散,有效应力逐渐增长,土骨架 产

13、生压缩变形,大、中孔隙首先塌陷,因此在固结初 期孔隙体积减小的幅度较大,相应的土体的变形较 大.随着加载过程的继续,士体中的大、中孔隙被压 密为更小的孔隙,此时软土中绝大部分孔隙为结合湖南大学学报(自然科学版 2008年水所占据,结合水不容易排出,因此在加载的后期阶 段孔隙体积的减小幅度比较低,土体变形较小. 不同荷重作用下试样的固结变形量、孔隙比变 化如图l和图2.试样在5kPa荷重固结时。试样的 固结变形量为试样高度的15.6%,孔隙比降低了 21.4%,已有较大变形.在3200kPa高压荷重下稳 定后,其变形量可达试样高度的49.3%,孔隙比降 低了67.7%,试样密实度很高,所受荷载由

14、土骨架 来承受.固结压力小于200Ida时,曲线的曲率较 大,在200kPa处出现明显拐点,之后随着固结荷载 的增大,试样的变形量及孔隙比变化趋于缓慢,这说 明荷载小于200kPa时试样固结速率较高.1210墨8袋s4董越一固结荷t/kPa圉2孔隙比与固结压力关系曲线Fig.2Relationship Detween void ratio andconsolidation pressure2.2.2渗透性能及含水率变化影响粘土渗透性的因素很多,除了渗流流体本 身的密度和粘滞性之外,土体颗粒的大小和级配以 及孔隙大小及分布对渗透性的影响也很明显8】.室 内渗透试验结果表明,吹填超软土的渗透系数为

15、 10。数量级,透水性能差,这主要是因为吹填淤泥经 过了水力分选,粒度较细,级配较差,微观结构以紊 流状及蜂窝状结构为主,粒间孔隙连通性较差所致. 但与该区域的海相沉积淤泥相比,由于其结构性较 差,孔隙比大,且微层理及裂隙更发育,因此渗透性 要稍好一些.固结试验过程中,孔隙中的水在荷载作用下不 断排出,含水率降低,土体发生压缩变形.加载初期, 外荷载主要由孔隙水承担,土体间的孔隙以大、中孔 隙为主,土体中的自由水排出速度较快,渗透系数相 对较高.随着荷载的增大,孔隙总体积减小,孔隙结 构的连通性逐渐变差,渗透系数降低,且软土中绝大 部分孔隙为结合水所占据,结合水不容易排出,因此 在加载的后期,

16、土样含水率变化缓慢.不同荷重下固结完成后试样的含水率、渗透系数 如图3和图4所示.当固结荷重由5kPa增加到80 kPa时,试样含水率、渗透系数急剧减小.在80kPa的 固结荷重下,含水率由95.7%降至51.1%,降低幅度 达46.6%,渗透系数仅为固结荷重为5Ida试样渗透 系数的1/15,渗透系数变化明显.荷重大于80Ida 后,渗透系数与固结荷重关系曲线基本呈现为一条水 平直线,渗透系数随荷载增大变化缓慢.10080适60碍嚣40200100020003000固结荷重/kPa目3舍水率与固结压力关系曲线Fig.3Relationship between water content an

17、dconsolidation pressure0100200300400的O固结荷重/kl'a田4渗透系数与田蛄压力关系曲线Fig.4Relationship between coefficient of permeability and consolidation pressure65432lOOnnOOOO第11期 朱耀庭等:吹填超软土固结特性的试验研究2.2.3固结系数变化固结系数是估算沉降速率的指标,是影响排永 固结的固结时间、固结度的主要因素,固结系数越 大,土体的固结速度越快.目前由室内固结试验求解 固结系数的方法主要有时问对数法、时间平方根法、 三点法等,本试验采用的是时

18、间平方根法.由于被试 验土属于后期人工吹填形成的欠固结土。土样在自 重等作用下的落淤过程还未完成,且渗透系数小,固 结过程中其固结系数很小,固结速率缓慢.不同固结荷重下试样的固结系数变化如图5所 示,结果表明,土样在不同荷重下的固结系数随荷重 的增大总体趋势是增大的,其值在10cm2/s一 10。cm2/s之间,但是无论在哪一级固结压力下,固 结系数的变异性都很大,且固结荷重与固结系数关 系曲线不光滑,这与吹填淤泥的非均一性是一致的.eg各籁倏姆叵固结荷重/图5目结系数与固结压力关系曲线Fig.5Relationship between coefficient of consolidation and comolldation pre鹤ure3结论1深圳前湾吹填超软土具有“三高三低”的基本 特征,即高含水率、高孔隙比、高压缩性、低干密度、 低强度、低渗透性,属于典型的淤泥质超软土.固结 试验表明。土样在一定的荷重下土中的部分水可以自由排出,同时土的强度也随着水的排出而增加。说 明排水固结法处理此种类型的土从理论上讲是完全 可行的.2由于吹填超软土具有高压缩性。固结过程中 试样变形量大,3200kPa荷载作用下。变形量接近 试样高度的一半,因此在地基加固过程中,应严格控 制沉降稳定标准,减小残余沉降.3分析固结压力与最终试样变形量