牟聰，丁建文，王恒，萬星，洪振舜

(東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 210096)

筆者利用能測量試樣底部超靜孔壓的改進(jìn)型固結(jié)儀，對淮河干流香浮段吹填堆場的細(xì)顆粒區(qū)疏浚泥進(jìn)行一維固結(jié)試驗，測試試樣底部超靜孔壓和土體變形隨固結(jié)時間的變化，研究孔壓固結(jié)度與變形固結(jié)度的差異程度，為淮河干流疏浚泥吹填堆場的排水固結(jié)處理技術(shù)提供參考。

1 試樣與試驗方案

試驗土樣取自安徽省蚌埠市五河縣的淮河干流蚌埠—浮山段行洪區(qū)調(diào)整工程香廟—浮山段疏浚施工現(xiàn)場，在距堆場退水口不同距離的兩個地點進(jìn)行取樣，分別稱為吹填土A和B，土樣的基本物理性質(zhì)如表1所示，其中，液限用碟式液限儀測得，塑限用搓條法測得，顆粒級配用密度計法測得。圖1為試驗土樣塑性圖，吹填土A和B都位于A線之上，均為黏土。

表1 試驗土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of clay

圖1 塑性圖

河道疏浚泥自重沉積完成后的含水率通常高于液限，處于流動狀態(tài)。為了模擬疏浚泥固結(jié)初始狀態(tài)，兩種吹填土試樣的初始含水率配制為1.4倍液限左右，分別為58.5%和79.8%。由于試樣處于流動狀態(tài)，需要控制固結(jié)試驗中的第1級荷載，否則將產(chǎn)生擠土，導(dǎo)致試驗失真[12]。采用Hong等[13]研發(fā)的低應(yīng)力起始固結(jié)儀，第1級壓力從0.5 kPa開始，其后各級壓力依次是1、2、4、8、12.5、25、50、100、200、400、800、1 600 kPa。試驗中所用環(huán)刀直徑為61.8 mm，高度為40 mm，采用頂部單面排水，試樣底部通過三通閥與水頭管和孔壓傳感器相連，測量試驗過程中土樣的底部超靜孔壓。

2 固結(jié)度與主固結(jié)完成時間變化規(guī)律

圖2為典型的底部超靜孔壓隨固結(jié)時間的變化曲線。由圖2可見，在荷載施加的起始階段，底部超靜孔壓隨固結(jié)時間增加而增大，達(dá)到峰值后逐漸消散，峰值小于外加荷載。已有研究將這種現(xiàn)象歸結(jié)于孔壓測量系統(tǒng)剛度不足導(dǎo)致的“延遲效應(yīng)”[14-16]。當(dāng)超靜孔壓達(dá)到峰值后，這種“延遲效應(yīng)”的影響可以忽略不計[14-15]。此外，隨著豎向荷載的逐漸增大，超靜孔壓隨固結(jié)時間變化曲線的形狀變得越來越“陡峭”，說明隨著豎向應(yīng)力的增大，盡管土樣的孔隙比和滲透系數(shù)逐漸減小，但超靜孔壓的消散速度逐漸增大。

圖2 典型的底部超靜孔壓隨固結(jié)時間變化曲線Fig.2 Typical variations curves of ub against

基于Casagrande法得到的試樣平均固結(jié)度Usc和基于超靜孔壓得到的試樣底部固結(jié)度Uub定義為

Usc=dt/Δstpc×100%

(1)

Uub=(Δσv-ubt)Δσv×100%

(2)

式中：dt和ubt分別為對應(yīng)時間t的沉降和底部超靜孔壓；Δstpc為用Casagrande法得到的主固結(jié)沉降量；Δσv為荷載增量。

圖3 Usc-Uub試驗曲線Fig.3 Experimental curves of Usc against

圖4 主固結(jié)完成時間tpc和tpu隨荷載的變化規(guī)律Fig.4 Experimental variations curves of tpc and tpu against vertical effective

為了研究兩種方法得出的淮干香浮段疏浚泥固結(jié)度的差異程度，分別對Casagrande法判斷主固結(jié)完成時的殘余孔壓固結(jié)度Dutpc和用兩種方法確定的主固結(jié)沉降差異程度Mscu進(jìn)行分析。

Casagrande法判斷主固結(jié)完成時，殘余孔壓固結(jié)度Dutpc為

Dutpc=ubtpc/Δσv×100%

(3)

式中：ubtpc為用Casagrande法判斷主固結(jié)完成時對應(yīng)的底部殘余超靜孔壓。

圖5為吹填土樣Dutpc隨荷載的變化規(guī)律。由圖5可見，隨著荷載的變化，兩種吹填土的Dutpc并未呈現(xiàn)出明顯的遞增或遞減趨勢，基本在10%～20%范圍內(nèi)變化。

圖5 Casagrande法判斷主固結(jié)完成時的殘余孔壓固結(jié)度Fig.5 Degrees of remaining pore pressure at the end of primary consolidation determined by the

兩種方法確定的主固結(jié)沉降差異程度Mscu定義為

Mscu=(Δstpu-Δstpc)/Δstpc×100%

(4)

式中：Δstpc、Δstpu分別為基于Casagrande法和超靜孔壓消散法得到的主固結(jié)沉降量。

圖6為吹填土樣Mscu隨荷載的變化規(guī)律。隨著荷載的增大，Mscu呈增大趨勢，說明采用Casagrande法得到的主固結(jié)沉降量與基于超靜孔壓消散法得到的主固結(jié)沉降量的差異程度隨荷載的增加而增大。

圖6 主固結(jié)沉降差異程度Fig.6 Discrepancy of primary consolidation settlements determined by the Casagrande method and excess

3 工程應(yīng)用探討

圖6的試驗結(jié)果顯示，兩種疏浚泥的主固結(jié)沉降差異程度Mscu與外加荷載的關(guān)系線基本一致，Mscu隨豎向荷載σv的變化可以用經(jīng)驗關(guān)系式(5)表示。

Mscu=4.2lnσv-12.5

(5)

式中：Mscu的單位為%；σv單位為kPa。

若采用打設(shè)豎向排水板施加真空荷載處理加固退水口疏浚泥，真空預(yù)壓荷載大小通常為90 kPa左右，假定靜止土壓力系數(shù)為0.5，且不考慮固結(jié)過程剪應(yīng)力的影響，豎向荷載等效為135 kPa，由式(5)可知，采用Casagrande法和超靜孔壓消散法確定的主固結(jié)沉降差異程度約為8.1%，隨著荷載的增大(如真空聯(lián)合堆載)，差異程度必將進(jìn)一步擴大。

4 結(jié)論

2)按Casagrande法判斷主固結(jié)完成時，淮干香浮段疏浚泥的殘余孔壓固結(jié)度分布在10%～20%范圍內(nèi)。

3)明確了兩種方法確定的淮干香浮段疏浚泥主固結(jié)沉降差異程度隨荷載增加的半對數(shù)線性變化規(guī)律，分析了采用真空預(yù)壓方法處理淮干香浮段疏浚泥時兩種方法確定的主固結(jié)沉降差異程度約為8.1%。