曹玉鵬，楊建

隨著港口航道的新建、拓寬，湖泊清淤等工程項(xiàng)目的開展，我國(guó)每年產(chǎn)生大量的疏浚泥[1]。由于我國(guó)經(jīng)常采用施工效率高的絞吸式疏浚方式，產(chǎn)生的疏浚泥具有含水率高、壓縮性高、滲透性差的特點(diǎn)，在荷載作用下具有明顯的大應(yīng)變固結(jié)特性，太沙基的小應(yīng)變固結(jié)理論己經(jīng)不適用于預(yù)測(cè)其固結(jié)沉降。Cargill[2]曾報(bào)道卡那維拉爾角圍海造陸吹填工程，土體的初始孔隙比達(dá)12.0以上，吹填土層最終沉降超過(guò)10 m，大應(yīng)變固結(jié)分析得到的結(jié)果與傳統(tǒng)小應(yīng)變理論分析得到的結(jié)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(yīng)變固結(jié)方程，并給出了簡(jiǎn)化條件下的解析解，為大應(yīng)變固結(jié)理論的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在此之后，Xie等諸多學(xué)者[4-10]對(duì)在不同坐標(biāo)下不同變量的大應(yīng)變固結(jié)方程的建立，以及大應(yīng)變固結(jié)方程的數(shù)值解和解析解等方面的研究，為大應(yīng)變固結(jié)理論的發(fā)展做出了卓越的貢獻(xiàn)。但由于非線性大應(yīng)變固結(jié)方程的復(fù)雜性，大多數(shù)研究主要停留在理論上，并且由于建立方程所選擇的坐標(biāo)體系不同、使用的變量不同、假定不同，導(dǎo)致大應(yīng)變固結(jié)理論本身就存在種種差異[2，4-5]，在工程中沒(méi)有很好的應(yīng)用；同時(shí)，由于缺乏低應(yīng)力下的固結(jié)參數(shù)，適合高含水率疏浚泥的一維大應(yīng)變固結(jié)預(yù)測(cè)方法研究較少。

本文在Xie[10]給出的拉格朗日坐標(biāo)下以超靜孔壓為變量的一維大應(yīng)變固結(jié)方程及其解析解的基礎(chǔ)上，耦合Hong[11]提出的考慮初始含水率影響的輕型固結(jié)試驗(yàn)方法，對(duì)吹填工程中高含水率疏浚泥的固結(jié)特性進(jìn)行了研究，并提出了一維大應(yīng)變固結(jié)的一種預(yù)測(cè)方法，以提高大應(yīng)變固結(jié)理論預(yù)測(cè)沉降的準(zhǔn)確性，拓展其應(yīng)用范圍。

1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)土源為福建省可門港的疏浚淤泥，具體物理指標(biāo)如表1所示，其中液塑限采用100 g錐式液塑限聯(lián)合測(cè)定儀測(cè)定，有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化法測(cè)定，顆分試驗(yàn)采用馬爾文公司的MAF5000激光粒度分析儀測(cè)定?？梢钥闯觯砷T港疏浚淤泥的黏粒含量很高，占42.0%，土的液限和塑性指數(shù)也很高，分別為61.1%和30.8%，有機(jī)質(zhì)含量小于3%，屬于高液限黏性土，工程性質(zhì)較差。

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

經(jīng)過(guò)吹填淤泥堆場(chǎng)調(diào)查，一般吹填后的淤泥含水率為液限的3.0～5.0倍，而室內(nèi)自然沉積試驗(yàn)表明，初始含水率約為4.0倍液限的淤泥穩(wěn)定時(shí)間相對(duì)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(shí)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(jī)玻璃板加工而成，內(nèi)徑28.4 cm，外徑30 cm，沉降柱示意圖見圖1所示。當(dāng)泥面在自重作用下沉積穩(wěn)定后，在泥面表面分級(jí)加載至10 kPa，加載等級(jí)和歷時(shí)如表2所示。試驗(yàn)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(jié)速度，減小沉降穩(wěn)定時(shí)間。加載過(guò)程中表面沉降值用百分表讀數(shù)，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(jí)表Table 2 Loading procedure

值得注意的是，本試驗(yàn)為堆載模擬試驗(yàn)，受加載面積影響，最大加荷量約為10 kPa，為便于在計(jì)算過(guò)程中利用Hong等提出的輕型固結(jié)試驗(yàn)得到的試驗(yàn)參數(shù)，本文采用表2的加載等級(jí)。荷載作用下，淤泥的固結(jié)穩(wěn)定時(shí)間參考GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》?？紤]到試驗(yàn)條件的限制，本試驗(yàn)前7級(jí)荷載每級(jí)的加載時(shí)間以24 h內(nèi)沉降量小于0.5 mm為標(biāo)準(zhǔn)，第8級(jí)荷載以每小時(shí)沉降量小于0.01 mm為準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淤泥大應(yīng)變固結(jié)性狀分析

沉降柱試驗(yàn)淤泥高度值隨時(shí)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(dá)到40 cm后基本穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算，此時(shí)含水率為120%，孔隙比為3.25，分級(jí)加載后，又沉降11.3 cm，此時(shí)含水率降低到84%，孔隙比減小到2.27。從圖2沉降實(shí)測(cè)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(yīng)變達(dá)22.6%，已經(jīng)超出小應(yīng)變的假定范圍，屬于大應(yīng)變固結(jié)范疇，因此需要引入一維大應(yīng)變固結(jié)理論，對(duì)淤泥加載過(guò)程中的固結(jié)特性進(jìn)行研究。

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

2.2 Xie計(jì)算方法與適用性分析

Xie[10]基于拉格朗日坐標(biāo)體系，根據(jù)連續(xù)性方程、達(dá)西定律和有效應(yīng)力原理等，進(jìn)行簡(jiǎn)化假定后得到以超靜孔隙水壓力為控制變量的固結(jié)方程，并給出了該一維大應(yīng)變固結(jié)方程式的解析解和任意時(shí)刻任意位置的沉降計(jì)算公式。

根據(jù)Xie的大應(yīng)變固結(jié)理論，當(dāng)孔隙比變化范圍為0.1～3.0時(shí)，滲透系數(shù)符合kv/kv0=（1+e）2/（1+e0）2的變化規(guī)律。圖3是Xie假定式與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式e-e0=cklog10（kv/kv0）的對(duì)比，其中ck=3，與Xie取值相同，可以看出，當(dāng)孔隙比值在0.1～3.25之間時(shí)，Xie關(guān)系式和經(jīng)驗(yàn)式也比較一致，因此可以將Xie解析解應(yīng)用于本模型試驗(yàn)中吹填淤泥表面沉降計(jì)算。

圖3 Xie關(guān)系式和經(jīng)驗(yàn)式比較Fig.3 Comparison of Xie'sequation and the empirical equation

2.3 基于Xie解析解計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

計(jì)算時(shí)參數(shù)的取值如下：1）取自重固結(jié)穩(wěn)定后即將加載時(shí)的體積壓縮系數(shù)為固結(jié)參數(shù)；為探討體積壓縮系數(shù)對(duì)沉降的影響，同時(shí)選取整個(gè)加載過(guò)程中體積壓縮系數(shù)的平均值計(jì)算沉降，作對(duì)比分析；2） 滲透系數(shù)變化符合Xie假定的規(guī)律，計(jì)算時(shí)取即將加載時(shí)的滲透系數(shù)為初值；3）表面荷載為一次性瞬時(shí)施加并保持不變，選取一次性施加10.44 kPa表面荷載。計(jì)算圖如圖4所示，參數(shù)如表3所示。

圖4 Xie解析解計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Fig.4 Comparison between calculated value by Xie's analytical solution and measured value

表3 Xie大應(yīng)變解析解參數(shù)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(shù)為參數(shù)的計(jì)算沉降值與選取平均體積壓縮系數(shù)為參數(shù)的計(jì)算沉降值差別較大，而室內(nèi)實(shí)測(cè)值介于兩者之間。計(jì)算過(guò)程中假定體積壓縮系數(shù)為常數(shù)，對(duì)壓縮性較低的土而言誤差較小，但對(duì)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(nèi)該參數(shù)的取值界限本文不作探討。

2.4 考慮壓縮參數(shù)分段線性變化的大應(yīng)變固結(jié)預(yù)測(cè)方法

產(chǎn)生沉降預(yù)測(cè)誤差的原因主要在于進(jìn)行大應(yīng)變固結(jié)計(jì)算時(shí)，假定整個(gè)固結(jié)過(guò)程中的體積壓縮系數(shù)為常量，而實(shí)際固結(jié)過(guò)程中該參數(shù)是一直變化的，即隨著固結(jié)度的發(fā)展而逐漸減小。筆者根據(jù)Xie[10]理論和Hong[11]提出的輕型固結(jié)試驗(yàn)方法提出了一維大應(yīng)變固結(jié)的一種預(yù)測(cè)方法，即：以淤泥自重固結(jié)穩(wěn)定后的含水率為初始含水率，根據(jù)Hong提出的輕型固結(jié)試驗(yàn)方法，得到該含水率下重塑土樣的e-logσ′壓縮曲線，通過(guò)計(jì)算得到每級(jí)荷載下的孔隙比、體積壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)、固結(jié)系數(shù)等參數(shù)，再通過(guò)內(nèi)插得到與沉降柱實(shí)際加載荷級(jí)相應(yīng)的各個(gè)參數(shù)，最后，根據(jù)每級(jí)加載的實(shí)際荷載、加荷歷時(shí)等進(jìn)行大應(yīng)變計(jì)算。此計(jì)算方法能準(zhǔn)確模擬每級(jí)荷載下土體的平均體積壓縮系數(shù)，并且滲透系數(shù)在每級(jí)荷級(jí)下的變化過(guò)程仍然按照Xie的理論假定發(fā)展，因此計(jì)算方法能準(zhǔn)確反映土體的整個(gè)固結(jié)過(guò)程。

計(jì)算過(guò)程中各參數(shù)引用Hong[11]重塑土樣e-logσ′的壓縮數(shù)據(jù)，見表4。

表4 本文預(yù)測(cè)方法模擬室內(nèi)沉降柱加載試驗(yàn)參數(shù)Table4 Parameters for simulating laboratory settlement column loading test by proposed predicting method

本預(yù)測(cè)方法得到的淤泥沉降值與實(shí)測(cè)沉降時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5 本文預(yù)測(cè)方法計(jì)算值與室內(nèi)實(shí)測(cè)沉降值對(duì)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(jì)算得到的最終沉降量為0.107 m，而室內(nèi)沉降柱試驗(yàn)實(shí)測(cè)值為0.113 m，兩者相差0.006 m，數(shù)值相當(dāng)接近，并且二者的發(fā)展過(guò)程基本重合，在200～300 d之間室內(nèi)實(shí)測(cè)值有一定的變化，這可能與加載后期的土體蠕變特性有關(guān)。實(shí)際上，兩者發(fā)展過(guò)程如此接近，與參數(shù)的選取有很大關(guān)系，這說(shuō)明Hong提出的輕型固結(jié)試驗(yàn)方法非常有效，將低含水率的常規(guī)土體固結(jié)試驗(yàn)延伸到了高含水率低應(yīng)力狀態(tài)。在大應(yīng)變固結(jié)理論不能得到完全考慮材料非線性的解析解的現(xiàn)狀下，運(yùn)用材料非線性參數(shù)隨著幾何非線性不斷變化的計(jì)算方法預(yù)測(cè)高含水率土體的固結(jié)，是準(zhǔn)確和切實(shí)可行的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行了高含水率疏浚泥室內(nèi)沉降柱模型試驗(yàn)，基于Xie給出的拉格朗日坐標(biāo)下以超靜孔壓為變量的一維大應(yīng)變固結(jié)理論和Hong提出的考慮初始含水率影響的輕型固結(jié)試驗(yàn)方法，提出了高含水率疏浚泥一維大應(yīng)變固結(jié)的一種預(yù)測(cè)方法，得到結(jié)論如下：

1）高含水率疏浚泥自重固結(jié)穩(wěn)定后進(jìn)行表面加載，沉降量超出小應(yīng)變假定范疇，應(yīng)引入大應(yīng)變固結(jié)理論對(duì)其進(jìn)行固結(jié)特性研究；

2）計(jì)算過(guò)程中，壓縮參數(shù)為定值時(shí)得到的沉降量與室內(nèi)實(shí)測(cè)沉降值有較大的差別，體積壓縮系數(shù)的選取對(duì)最終沉降量和固結(jié)過(guò)程的模擬有至關(guān)重要的影響；

3） 耦合Xie的大應(yīng)變固結(jié)理論以及Hong的輕型固結(jié)試驗(yàn)方法，提出的一維大應(yīng)變固結(jié)預(yù)測(cè)方法能考慮土體固結(jié)過(guò)程中壓縮參數(shù)的分段線性變化，較為準(zhǔn)確的模擬高含水率土體的固結(jié)過(guò)程。