深厚軟粘土地基沉降的離心模型實驗研究

孫柏濤，徐 博，王忠濤，王 諾

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧大連116024;2.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院巖土工程研究所，遼寧大連116024;3.中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京，100007;4.大連海事大學(xué)交通運輸裝備與海洋工程學(xué)院，遼寧 大連116024)

深厚軟粘土地基在較大上部荷載作用下，往往會在長時間內(nèi)發(fā)生整體沉降和不均勻沉降，嚴(yán)重影響上部結(jié)構(gòu)的使用功能，并引起結(jié)構(gòu)破壞[1－2]，因此開展深厚軟粘土地基的長期沉降效應(yīng)的研究具有重要工程意義。近年來，隨著沿海地區(qū)航空運輸和客運吞吐量的迅速增長，為節(jié)約土地和防止噪音，許多沿海地區(qū)開始大力興建海上機場。海底多為軟粘土地層，厚度較大，而且上部跑道區(qū)、航站樓等荷載較大，所引起的地基沉降[3]勢必影響海上機場的安全運營，因此準(zhǔn)確、科學(xué)、合理的沉降預(yù)測對海上機場的前期建設(shè)、長期運營及后期維護具有重要的指導(dǎo)價值。受軟粘土低滲透性和高壓縮性的影響，海上機場的地基沉降往往歷時數(shù)十年，常規(guī)的物理模型實驗難以模擬其長期沉降，而離心模型實驗借助Ng的高加速度，可使得土工模型與外形相似的N倍尺寸的海洋地基具有相同的物理、力學(xué)特性及變形破壞機制[4－5]，因此可借助離心模型實驗開展相關(guān)的物理模擬工作。目前，土工離心模型實驗技術(shù)[6－9]作為一種有效的物理模擬實驗方法，已成為巖土工程問題的主要研究手段之一。

本文以大連新海上機場為工程背景，采用國內(nèi)首臺大型鼓式離心機[10]，考慮不同加載幅值、加載時間和土體厚度及固結(jié)時間，研究了機場荷載下深厚軟粘土地基的沉降特性。

1 實驗設(shè)備

國內(nèi)首臺土工鼓式離心機GT450/1.4如圖1所示，主要包括機械系統(tǒng)、驅(qū)動控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、作動器及部分專用附屬配套裝置?？傮w上性能優(yōu)良，功能全面，在機械設(shè)備規(guī)模、數(shù)據(jù)采集精度、控制系統(tǒng)自動化程度及作動器加載模式方面領(lǐng)先于國外同類產(chǎn)品，具體技術(shù)參數(shù)列于表1。

表1 鼓式離心機GT450/1.4主要技術(shù)指標(biāo)

2 實驗方案

2.1 模擬方案

實際工程為大型離岸式圍海填筑人工島，現(xiàn)場水深8 m～9 m，海底上層海相淤泥厚度近20 m，為流動～軟塑狀態(tài)高壓縮性土，淤泥層之下為粘土及粉質(zhì)粘土，厚度30 m～50 m左右，呈可塑狀，工程的地基處理方案包括清淤、水上拋石、水下爆夯、陸上推進回填等。

圖1 土工鼓式離心機GT450/1.4

本次實驗?zāi)康闹饕獮槟M清淤面以下深厚軟粘土地基在荷載作用下的長期沉降，因此對土層模型制備進行了合理簡化。其中忽略清淤和爆夯等施工過程影響及回填碎石層的變形，采用浮重度計算水下碎石層自重，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載，最終確定軟粘土地基上表面荷載值區(qū)間為180 kPa～320 kPa。選用密度為7.9 g/cm3的小鐵球替代上部堆石料，施加等效柔性荷載。采用現(xiàn)場軟粘土，其物理性質(zhì)指標(biāo)列于表2。

表2 粘土物理性質(zhì)指標(biāo)

綜合考慮離心誤差效應(yīng)和土層厚度及邊界效應(yīng)等因素，確定實驗?zāi)Ｐ捅瘸逳=200，模型箱長度為0.31 m，寬度為0.35 m，深度為0.29 m。模型箱內(nèi)土工模型和傳感器布置如圖2所示。粘土層上下表面敷設(shè)土工布和濾紙以模擬雙面排水，同時確保鐵球的重量均勻分布在粘土層表面。接觸式位移傳感器LVDT通過空心套管置于粘土層表面，土層內(nèi)部埋設(shè)孔壓傳感器用于監(jiān)測孔隙水壓力變化，以判斷固結(jié)是否完成。

2.2 實驗?zāi)M工況

為綜合考察加載幅值、加載速率、土層厚度和固結(jié)時間對軟粘土地基長期沉降的影響，共進行了四組模型實驗，分別定名為APT1～APT4，各實驗?zāi)M工況參數(shù)列于表3。

表3 實驗?zāi)M工況參數(shù)

圖2 離心模型實驗布置圖(單位:cm)

為考察軟粘土地基表面不同位置的沉降差，每組實驗中在土層表面布置了3個LVDT，位置和編號如圖3所示。

圖3 LVDT布設(shè)圖(單位:cm)

2.3 實驗步驟

第一步:將現(xiàn)場軟粘土?xí)窀煞鬯楹螅?.5倍液限含水率加入無氣水，在－85 kPa下使用真空攪拌器對土樣進行充分?jǐn)嚢?。將攪拌均勻的土樣注入事先埋置好孔壓傳感器?個模型箱中，土樣初始高度分別為33 cm和25 cm，使用大型固結(jié)儀對4個模型箱進行同步固結(jié)，確保4組試樣的一致性和均勻性。

第二步:固結(jié)過程中，使用袖珍式貫入儀測定土層不同深度處的不排水強度指標(biāo)Su。當(dāng)土層沿深度方向Su的分布符合現(xiàn)場勘查資料的原位十字板剪切強度指標(biāo)時，完成固結(jié)。刮除上部的軟弱土層，制備土樣高度分別為23 cm和15 cm。

第三步:將固結(jié)好的土樣置于100 g離心場內(nèi)，以施加初始自重應(yīng)力，過程中以孔隙水壓力值趨于穩(wěn)定作為停機控制標(biāo)準(zhǔn);

第四步:停機。按照設(shè)計的上部荷載值計算鐵球質(zhì)量，在1 g條件下將鐵球均布布置在土層表面。安裝頂板，布置位移傳感器LVDT。

第五步:按照實驗方案，將離心機均勻提速或按照20 g步長提速至200 g，過程中記錄土層表面位移和土層內(nèi)部孔隙水壓力，以獲得不同施工速度下軟粘土地基的施工期沉降。

第六步:保持離心機在200 g條件下長時間運轉(zhuǎn)，以模擬軟粘土地基的長期工后沉降過程。停機。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 土體不排水抗剪強度與含水率關(guān)系

模型實驗結(jié)束后，取不同深度位置的土樣，采用烘干法獲得土樣含水率沿深度方向的分布。以APT1和APT2為例，實驗結(jié)果如圖4所示。同時采用原位強度貫入儀測定加載前后土體沿深度方向的不排水抗剪強度，如圖5所示。結(jié)果表明，軟粘土地基經(jīng)加載實驗后，土體不排水抗剪強度明顯增強。

圖4 實驗后土樣含水率隨深度的變化

Schofield和Wroth依據(jù)臨界狀態(tài)線給出了不排水抗剪強度與含水率之間的關(guān)系式[11]:

式中，Cu為不排水抗剪強度;M為臨界狀態(tài)線斜率;λ為泊松比;ω為含水率。由此得知不排水抗剪強度與含水率之間具有指數(shù)關(guān)系:

將實驗測得的數(shù)據(jù)整理得式(3)，如圖6所示。

圖5 不排水抗剪強度變化

圖6 不排水抗剪強度與含水率關(guān)系

3.2 沉降及孔隙水壓力變化情況

實驗獲得了4組不同工況下模型試樣的沉降隨時間變化情況，沉降結(jié)果列于表4，沉降隨時間變化如圖7所示，孔隙水壓力變化如圖8所示。

表4 加載實驗沉降結(jié)果

由圖7和表4可知，經(jīng)過數(shù)十小時的離心模擬，深厚軟粘土地基的沉降仍未達到穩(wěn)定，且在同一模型實驗中土體的不同位置處產(chǎn)生了不均勻沉降。

由圖8所示，地基土體內(nèi)的孔隙水壓力也遠未消散，意味著遠未達到最終沉降，必須引起重視。

圖7 時間－沉降曲線

3.3 實驗結(jié)果對比分析

3.3.1 不同荷載強度下地基工后沉降對比分析

將每組模型實驗的土層表面3個不同位置的工后沉降量分別取平均值，對比模擬工況相似的APT1，APT3和APT4模型實驗的工后沉降量結(jié)果，如圖9所示。

由圖9可知，地基上部施加的荷載越大，則工后沉降越大。

3.3.2 不同厚度的地基工后沉降對比分析

由圖10可知，相同上部荷載下，地基壓縮層越厚，地基沉降越大。

圖8 時間－孔壓曲線

圖9 不同荷載下的地基沉降隨時間變化

圖10 不同地基厚度下的地基沉降

3.3.3 不同施工速度下地基沉降對比分析

圖11 不同施工速度下地基沉降

實驗中，通過不同的方式對離心機提速，可模擬施工速度的不同。其中APT1實驗在23.6 min內(nèi)勻速提至200 g，APT3和APT4實驗中以20 g作為步長進行提速，每步中待孔隙水壓力值趨于穩(wěn)定時再升高20 g，直至提速至200 g，總計提速時間為266.7 min。由圖11可知，雖然APT1實驗施加荷載相對較小，但施工期較短，其工期沉降明顯大于APT3與APT4實驗結(jié)果。

4 理論分析及沉降預(yù)測

假設(shè)離心加速度恒定，則dz厚度土樣的應(yīng)力增量 dσ'為:

由壓縮實驗得，土體的孔隙比 e與壓縮應(yīng)力lnσ'存在線性關(guān)系，即:

當(dāng)土體表面施加荷載p0時，式(3)初始條件為:當(dāng) z=0 時，σ'=p0，積分得:

而土體底部有效應(yīng)力為:

當(dāng)離心機加載固結(jié)完成時，假設(shè)土樣的厚度為Lm，則當(dāng)z=Lm時，式(5)與式(6)中σ'值相等，由此可求得土體的最終沉降。由所求最終沉降值，運用一維固結(jié)理論則可求得任意時刻土體沉降變化。同時運用對數(shù)曲線法，對土體沉降進行預(yù)測[12－14]，對數(shù)曲線法是工程中比較常見的地基沉降預(yù)測方法，曾國熙[15]建議地基固結(jié)度采用下式計算:

其中，a，β 為固結(jié)參數(shù)，a 通常取值為 8/π2。

其中，S∞，Sd，Sc分別為最終，瞬時和固結(jié)沉降;St為任意時間t時的沉降。從上述三個方程可得:

在實測的沉降 －時間曲線上，選擇工后沉降期內(nèi)的3個時間 t1、t2和 t3，并滿足 t2－ t1=t3－ t2，讀取S1，S2，S3并代入式(9)中，聯(lián)立并求解可得:

將式(11)、式(12)帶入式(7)～式(9)聯(lián)立式中可求得Sd，將β，S∞，Sd帶入式(10)中可求得任意時刻的沉降。

利用一維固結(jié)理論和對數(shù)曲線法預(yù)測的沉降結(jié)果與實驗實測沉降結(jié)果對比圖如圖12所示。

由圖12可知，一維固結(jié)理論計算值與離心模擬實驗值之間存在一定的差異，利用對數(shù)曲線模型推求的沉降預(yù)測值與離心模型實驗所得的工后沉降值基本一致。兩種方法對地基最終沉降的預(yù)測結(jié)果列于表5。

圖12 沉降預(yù)測

表5 地基最終沉降預(yù)測值 單位:m

5 結(jié)論

根據(jù)對大連海上機場深厚軟粘土地基的離心模型實驗成果，可得出以下結(jié)論:

(1)深厚軟粘土地基長時間運營，會產(chǎn)生一定程度的不均勻沉降。

(2)離心模型實驗長達55 a的軟土地基長期沉降模擬結(jié)果表明，地基表面沉降仍未穩(wěn)定，地基土體內(nèi)的孔隙水壓力也遠未消散。

(3)不同的施工速率，對地基沉降影響較大，施工越快，工期沉降越大;地基上部荷載越大，沉降越大;地基厚度越大，沉降越大。

(4)土體不排水抗剪強度與含水率之間存在一定的指數(shù)關(guān)系。

(5)結(jié)合離心模擬實驗結(jié)果，運用對數(shù)曲線模型進行沉降預(yù)測具有一定的可行性。

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