李建宇，宋蘭芳，王征亮，何漢藝

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

硅藻土工程特性尤其是沉降特性在國內(nèi)外研究較少，目前國際上僅能查閱到墨西哥城和日本大阪關(guān)西機(jī)場項(xiàng)目關(guān)于硅藻土工程性質(zhì)的相關(guān)報道[1-4]，馬秋祝等對本項(xiàng)目硅藻土工程特性、樁基負(fù)摩阻力等進(jìn)行了論述[5-8]，對硅藻土沉降特性以及沉降計(jì)算方法尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識。為分析硅藻土沉降特性，準(zhǔn)確評估硅藻土沉降，對硅藻土沉降特性研究是非常有必要的。

1 工程概況

納米比亞某港口項(xiàng)目處于南部非洲區(qū)，項(xiàng)目陸域形成面積約38萬m2，陸域形成標(biāo)高+5.0 m，吹填6~9 m砂形成陸域，成陸后作為集裝箱碼頭堆場。

2 工程地質(zhì)

工程所在區(qū)域原地形標(biāo)高-1.0~-4.0 m，土層自上而下分別為2-1粉土、3-1砂、3-2粉土、4-1砂、4-2砂、4-3粉土、5-1粉土、5-2砂、6砂、7基巖。其中所有砂層均為中密~密實(shí)，沉降可忽略；粉土層含有硅藻，為硅藻土層，具有高含水率、低密度等特性，是本文重點(diǎn)研究對象，硅藻土中2-1、3-2分布于表層且僅在部分區(qū)域有揭露；4-3及5-1分布于深部，土層較厚且分布連續(xù)，是決定本工程沉降的關(guān)鍵。

3 硅藻土各項(xiàng)指標(biāo)

3.1 物理、變形指標(biāo)

硅藻土為綠灰至灰綠色、夾雜淺灰褐色，局部夾薄層至極薄層粉細(xì)砂，質(zhì)輕、多孔。土工試驗(yàn)結(jié)果表明硅藻土含水率172.6%~235.3%，密度為1.19~1.26 g/cm3，孔隙比4.0~5.2，塑限159.0%~187.9%。硅藻土100~200 kPa壓力段的壓縮模量1.2~2.4 MPa，壓縮指數(shù)1.79~2.90，各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

表1 硅藻土參數(shù)表Table 1 Parameters of diatomite

3.2 原位試驗(yàn)指標(biāo)

3-2、4-3及5-1硅藻土平均標(biāo)貫擊數(shù)分別為4.8擊、9.1擊和14擊，按一般黏土標(biāo)貫擊數(shù)與壓縮模量換算關(guān)系計(jì)算硅藻土壓縮模量分別為4.3 MPa、4.7 MPa和5.3 MPa[9]，CPTU孔壓靜力觸探試驗(yàn)推算硅藻土豎向平均固結(jié)系數(shù)為12伊10-3cm2/s。

3.3 試驗(yàn)指標(biāo)分析

室內(nèi)土工試驗(yàn)表明硅藻土密度遠(yuǎn)小于一般黏土或粉土，含水率、孔隙比、壓縮指數(shù)遠(yuǎn)高于一般黏土及粉土，固結(jié)速率與一般黏土相近。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測試的平均標(biāo)貫擊數(shù)5~14擊，基于標(biāo)貫換算的壓縮模量與土工試驗(yàn)獲得的壓縮指標(biāo)差別較大，這種土具有高強(qiáng)度高壓縮的特性，CPTU試驗(yàn)推算的固結(jié)系數(shù)遠(yuǎn)大于土工試驗(yàn)值，原因可能在于這種土結(jié)構(gòu)性強(qiáng)，較難取得不擾動樣。基于硅藻土的特殊性，有必要進(jìn)行現(xiàn)場堆載試驗(yàn)以研究硅藻土沉降特性。

4 堆載試驗(yàn)

4.1 堆載試驗(yàn)布置

在工程所在區(qū)域，選取約100 m伊100 m的范圍進(jìn)行現(xiàn)場原位堆載試驗(yàn)，堆載料為中細(xì)砂，回填砂至+4.3 m后繼續(xù)堆載至+8.0 m，堆載砂密度約15 kN/m3，在堆載中心安裝沉降盤、分層沉降儀及孔隙水壓力計(jì)。堆載及監(jiān)測儀器布置見圖1。

圖1 堆載及監(jiān)測儀器布置圖Fig.1 Plan of preloading and monitoring equipment

4.2 監(jiān)測結(jié)果及分析

4.2.1 表層沉降

布置了8組沉降盤進(jìn)行表層沉降觀測，8組沉降變化規(guī)律相近，選擇堆載中心位置的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，堆載標(biāo)高及沉降隨時間變化曲線見圖2。沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隨著堆載高度的增加，沉降呈線性增加，當(dāng)堆載至+6.0~7.0 m時，沉降顯著增加，直至滿載+8.0 m沉降速率出現(xiàn)減緩趨勢，并在滿載后約60 d沉降呈現(xiàn)穩(wěn)定的低速率增長。出現(xiàn)這種變化趨勢原因可能為，加載初期堆載荷載小，未超過硅藻土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，沉降呈現(xiàn)線彈性的變化規(guī)律，但堆載至一定高度后，堆載荷載產(chǎn)生的應(yīng)力超過了硅藻土結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，沉降快速增加并發(fā)生固結(jié)沉降，滿載后荷載穩(wěn)定在固定值，固結(jié)沉降速率隨時間逐漸降低，并以較低的沉降速率持續(xù)發(fā)展，沉降后期包含主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。采用雙曲線法推算最終沉降，雙曲線推算見圖3，推算的最終沉降值為600 mm，截止試驗(yàn)停止時沉降監(jiān)測值為53 mm，可見在8個月內(nèi)完成了大部分主固結(jié)沉降。

圖2 表層沉降隨時間變化Fig.2 Surface settlement varies with time

圖3 雙曲線示意圖Fig.3 Hyperbolic diagram

4.2.2 分層沉降

共布置了4組分層沉降儀進(jìn)行深層土體沉降觀測，4組沉降變化規(guī)律相近，選擇堆載中心位置分層沉降進(jìn)行分析，分層沉降隨時間變化曲線見圖4。沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，分層沉降隨時間變化規(guī)律與表層沉降相同，也證實(shí)了具有較高標(biāo)貫擊數(shù)的深層硅藻土確實(shí)發(fā)生沉降，同時揭示深層硅藻土沉降小于淺層硅藻土沉降。選擇深層硅藻土頂部的分層沉降點(diǎn)ME3進(jìn)行固結(jié)分析，采用雙曲線法推算的最終沉降為280 mm，截止停止試驗(yàn)時ME-3的沉降值為202 mm，固結(jié)度為72%，依據(jù)式（1）反算深層硅藻土固結(jié)系數(shù)為22伊10-3cm2/s，與CPTU試驗(yàn)推算的固結(jié)系數(shù)接近。

式中：Ut為t時刻的固結(jié)度，72%；H為深層硅藻土厚度，約20 m，具備雙面排水條件，取10 m；t為時間，d；cv為固結(jié)系數(shù)（待求）。

圖4 分層沉降隨時間變化Fig.4 Stratified settlement varies with time

4.2.3 孔隙水壓力

共布置了4組孔隙水壓力計(jì)進(jìn)行深層土體孔隙水壓力觀測，4組孔壓隨時間變化規(guī)律相近，選擇堆載中心位置的一組孔壓進(jìn)行分析，增加的孔隙水壓變化值隨時間變化曲線見圖5?？紫端畨罕O(jiān)測數(shù)據(jù)表明，最上部孔壓VWP-1和最底部孔壓VWP-7隨時間呈波形變化，變化幅度約為5 kPa，變化規(guī)律與水位變化情況相同，孔壓增加幅度小、消散速度快，原因可能在于該孔壓測點(diǎn)與砂土臨近，該位置硅藻土更多體現(xiàn)砂的排水特性；其余孔壓測點(diǎn)（VWP-2~VWP-6）孔壓隨堆載增高而增大，達(dá)滿載時孔壓增加至最大值，由于硅藻土具有結(jié)構(gòu)特性，孔壓增加值小于堆載荷載增加值，隨后孔壓逐步消散，約6個月孔壓消散趨近完成。圖5中在170~190 d孔壓出現(xiàn)短時增加后迅速消散，原因在于在此期間荷載發(fā)生了局部變化。

圖5 孔壓隨時間變化Fig.5 Pore water pressure varies with time

5 沉降計(jì)算方法討論

5.1 室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)沉降計(jì)算

采用分層總和法進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算參數(shù)采用室內(nèi)試驗(yàn)獲取的壓縮指數(shù)Cc、再壓縮指數(shù)Cs和前期固結(jié)應(yīng)力Pc，計(jì)算公式見式（2）。

式中：Cci為第i分層的壓縮指數(shù)；Csi為第i分層的回彈再壓縮指數(shù)；e0i為第i分層的初始孔隙比；pci為第i分層的前期固結(jié)應(yīng)力，kPa；p0i為第i分層的現(xiàn)有固結(jié)應(yīng)力，即自重應(yīng)力，kPa。

經(jīng)計(jì)算，采用室內(nèi)土工試驗(yàn)指標(biāo)計(jì)算的理論沉降值為1.95 m，與采用實(shí)測沉降數(shù)據(jù)推算的最終沉降0.6 m有較大的差距，采用室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行沉降計(jì)算的方法不理想。

5.2 原位試驗(yàn)（SPT和CPTU）指標(biāo)沉降計(jì)算

采用分層總和法進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算參數(shù)采用現(xiàn)場原位試驗(yàn)SPT和CPTU推算的壓縮模量Es，計(jì)算公式見式（3）。

式中：駐p為附加荷載，kPa；Es為由現(xiàn)場原位試驗(yàn)SPT和CPTU推算的壓縮模量，MPa；Hi為土層分層厚度。

經(jīng)計(jì)算，采用原位試驗(yàn)推算的壓縮模量和現(xiàn)場反算的固結(jié)系數(shù)計(jì)算的固結(jié)沉降曲線與實(shí)際監(jiān)測沉降曲線比較吻合，沉降計(jì)算曲線見圖6。

圖6 理論與實(shí)測沉降對比Fig.6 Theoretical comparison with measured settlement

5.3 計(jì)算結(jié)果分析

采用室內(nèi)固結(jié)壓縮試驗(yàn)確定的壓縮指數(shù)、再壓縮指數(shù)計(jì)算的理論沉降值與實(shí)測值顯著不同，而采用SPT和CPTU原位試驗(yàn)推算的壓縮參數(shù)計(jì)算的理論沉降值與實(shí)測值較為吻合。原因可能在于，納米比亞硅藻土為結(jié)構(gòu)性土，在勘探取樣及室內(nèi)土工試驗(yàn)過程中對土樣產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)所獲得的土工參數(shù)不夠準(zhǔn)確。對于該類結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的特殊土，在進(jìn)行固結(jié)沉降計(jì)算時，建議采用SPT或CPTU原位試驗(yàn)推算的壓縮模量和固結(jié)系數(shù)進(jìn)行沉降計(jì)算。

6 結(jié)語

1）納米比亞某項(xiàng)目所遇硅藻土具有低密度、高含水率、高液限、高塑限、高壓縮性、低固結(jié)速率等特性，與現(xiàn)場原位SPT及CPTU推算參數(shù)不符。

2）表層及分層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，加載初期堆載荷載小，未超過硅藻土的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，沉降呈線彈性變化規(guī)律，當(dāng)堆載至一定高度后，應(yīng)力超過了硅藻土結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，沉降快速增加并發(fā)生固結(jié)沉降，滿載后荷載穩(wěn)定在固定值，固結(jié)沉降速率隨時間逐漸降低，并以較低的沉降速率持續(xù)發(fā)展。同時，分層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)表明深層硅藻土雖然具有較高的標(biāo)貫擊數(shù)，但仍會發(fā)生沉降，由分層沉降推算的固結(jié)系數(shù)與CPTU推算的固結(jié)系數(shù)相近。

3）孔隙水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，最上部孔壓點(diǎn)VWP-1和最底部孔壓點(diǎn)VWP-7臨近砂層，孔壓隨時間呈波形變化，變化幅度?。▋H為5 kPa），變化規(guī)律與水位變化情況相同，孔壓增加幅度小、消散速度快，該位置硅藻土表現(xiàn)出砂的排水特性；其余孔壓測點(diǎn)（VWP-2~VWP-6）孔壓隨堆載增高而增大，達(dá)滿載時孔壓增加至最大值，由于硅藻土具有結(jié)構(gòu)特性，孔壓增加值小于堆載荷載增加值，孔壓逐步消散，約6~8個月孔壓消散趨近完成。

4）采用室內(nèi)固結(jié)壓縮試驗(yàn)確定的壓縮指數(shù)、再壓縮指數(shù)計(jì)算的理論沉降值與實(shí)測值顯著不同，而采用SPT和CPTU原位試驗(yàn)推算的壓縮參數(shù)計(jì)算的理論沉降值與實(shí)測值較為吻合。原因可能在于，納米比亞硅藻土為結(jié)構(gòu)性土，在勘探取樣及室內(nèi)土工試驗(yàn)過程中對土樣產(chǎn)生擾動，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)所獲得的土工參數(shù)不夠準(zhǔn)確。對于該類結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的特殊土，在進(jìn)行固結(jié)沉降計(jì)算時，建議采用SPT或CPTU原位試驗(yàn)推算的壓縮模量和固結(jié)系數(shù)進(jìn)行沉降計(jì)算。