固化疏浚泥雙層地基承載性能室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

史文會(huì)，劉文白，吳麗穎

(1.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海201306;2.廣州市道路工程研究中心，廣東 廣州510420)

雙層地基最早是指地基由于荷載遷移、蒸發(fā)和風(fēng)化等因素的長(zhǎng)期作用[1]，表層形成厚達(dá)幾米的硬殼層，這種硬殼層物理性質(zhì)和其下的土層往往存在明顯的差異，它們強(qiáng)度較高，呈中等壓縮性，面積廣大，具有很好的承載作用[2]。鑒于雙層地基具有較好的承載性能，人們將這一概念引入到疏浚泥地基處理再利用中，有效的解決了疏浚泥地基承載性能差的問題。

疏浚泥雙層地基是指采用疏浚泥對(duì)一區(qū)域進(jìn)行吹填后，在其表層一定厚度的疏浚泥土體中摻入一定比例的固化劑使土體性質(zhì)發(fā)生改變，或在已形成的軟土地基上再吹填一層摻有一定比例固化劑的固化疏浚泥而形成的有硬殼層的雙層地基。

研究發(fā)現(xiàn)，固化后的疏浚淤泥作為土工材料化處理在技術(shù)上可行性高，且具有廢物利用和保護(hù)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)[3]。Vincent D 等[4－5]提出將水泥或石灰摻入到海洋沉積物及疏浚砂的混合物中，并將其應(yīng)用在公路路基建設(shè)領(lǐng)域，其物理性能能夠滿足設(shè)計(jì)與施工要求?？镏酒降萚6]在理論上對(duì)硬殼層的機(jī)理進(jìn)行闡述，認(rèn)為硬殼層可以分擔(dān)荷載產(chǎn)生的一部分剪力。在軟土層上的硬殼層具有類似于梁的作用，它可以承擔(dān)部分彎矩、剪力并抵抗變形。Hanna等[7]認(rèn)為，軟黏土層上的較硬砂土層發(fā)生沖剪破壞，較硬砂土層與軟黏土層分界面之間的土體垂直地插入軟土層，下臥軟土發(fā)生整體剪切破壞，雙層地基的承載力由上部和下部土層同時(shí)給出。劉青松等[8]通過室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)淤泥堆場(chǎng)人工硬殼層地基極限承載力及其影響因素進(jìn)行了研究，但影響因素僅僅研究硬殼層的強(qiáng)度和厚度。劉文白等[9－12]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)、DPDM技術(shù)、ABAQUS數(shù)值模擬、顆粒流數(shù)值模擬等方法對(duì)固化疏浚泥雙層地基的承載性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。

本文通過固化疏浚泥雙層地基室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)固化疏浚泥雙層地基的承載性能進(jìn)行分析。研究雙層地基上部硬土層的厚度、固化劑摻入比、基礎(chǔ)尺寸及寬厚比(上部硬土層厚度與基礎(chǔ)寬度的比值)不同時(shí)，固化疏浚泥雙層地基的地基承載性能及其變形特性。對(duì)于固化疏浚泥在工程應(yīng)用中的參數(shù)選取提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用上海臨港地區(qū)疏浚泥為研究對(duì)象，其基本參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)中所采用的固化劑以水泥、石灰為主，激發(fā)劑等為輔。

表1 試驗(yàn)用疏浚泥的物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)原理

1951年Langhaar通過量綱分析證明了模型中尺度的影響。此外，量綱分析給出一個(gè)能夠?qū)?shù)據(jù)從小模型轉(zhuǎn)化為大原型的設(shè)計(jì)信息。1984年Love用量綱分析研究由加筋土所鋪設(shè)道路的承載性能。1996年Fakher通過量綱分析法對(duì)土工格柵加固地的地基規(guī)模效應(yīng)及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行論證[13]。

建立各物理量之間的函數(shù)

其中B為基礎(chǔ)寬度;H為上部硬土層厚度;Es為上部硬土層壓縮模量;qu為地基極限承載力;su為地基極限承載力作用下的位移;P基礎(chǔ)所受合力。

取B，qu為基本量綱，

由于模型試驗(yàn)中上部硬土層的土質(zhì)及其固化劑摻入比與實(shí)際工程中一致，則其壓縮模量相同，則

因?yàn)?π2)m

則該試驗(yàn)方案中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蓪⑵溟L(zhǎng)度尺度縮小為實(shí)際工程情況的1/n，而應(yīng)力尺度不變，若加載采用堆載等方式則力尺度為n2，原型與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋瘸哧P(guān)系給模型試驗(yàn)加載控制提供了理論依據(jù)。

1.3 試驗(yàn)方案

為研究上部硬土層厚度h，固化劑摻入比λ，基礎(chǔ)尺寸及寬厚比對(duì)雙層地基承載性能及變形特性的影響，根據(jù)模型試驗(yàn)長(zhǎng)度、應(yīng)力、力及位移尺度比，選用合適的加荷裝置，并確定實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽纭＜僭O(shè)實(shí)際工程中疏浚泥雙層地基吹填面積為長(zhǎng)480 m，寬280 m的矩形區(qū)域。將試驗(yàn)所用模型箱尺寸取為長(zhǎng)48 cm，寬28 cm，高30 cm，則本試驗(yàn)中原型與模型之間的長(zhǎng)度比尺為1000。試驗(yàn)裝置主要由模型箱及加載裝置組成，加載裝置包括千斤頂及量力環(huán)。本實(shí)驗(yàn)采用兩種基礎(chǔ)形式，基礎(chǔ)底面尺寸分別為30 mm×30 mm及30 mm×450 mm，將其稱為方形基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)，它們?cè)谠椭械挠行С叽鐬? m×3 m及3 m×45 m，裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 室內(nèi)全模型試驗(yàn)裝置

為研究疏浚泥雙層地基中基礎(chǔ)尺寸，固化劑摻入比、上部硬土層厚度及寬厚比對(duì)雙層地基承載性能的影響，共進(jìn)行18組全模試驗(yàn)，其中1～9組為底面尺寸為30 mm×30 mm方形基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)方案，10～18組為底面尺寸為30 mm×450 mm條形基礎(chǔ)的試驗(yàn)方案。

1.4 試驗(yàn)步驟

將一定比例的固化劑摻入上述粉土中，經(jīng)砂漿攪拌機(jī)攪拌均勻。按照試驗(yàn)方案要求設(shè)置于模型箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，形成上部固化疏浚泥層下部疏浚泥層的疏浚泥雙層地基，養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行疏浚泥雙層地基室內(nèi)模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)中用千斤頂對(duì)模型基礎(chǔ)進(jìn)行加載，加載方式為局部豎向分級(jí)加載，每級(jí)荷載為50 kPa，分級(jí)加載直至地基破壞。位移基本穩(wěn)定后12 h基礎(chǔ)位移不再增加，視地基土體沉降穩(wěn)定。基礎(chǔ)位移達(dá)到一定程度后，位移值出現(xiàn)瞬間增大現(xiàn)象或基礎(chǔ)完全陷入地基時(shí)雙層地基破壞。

在每級(jí)荷載作用下，當(dāng)?shù)鼗馏w沉降穩(wěn)定后，記錄當(dāng)時(shí)的荷載值及對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)沉降百分表讀數(shù)所表示的位移值。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制模型試驗(yàn)P－s曲線，各特征值對(duì)荷載值影響曲線等進(jìn)行疏浚泥雙層地基室內(nèi)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疏浚泥雙層地基全模試驗(yàn)P－s曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別繪制出方形基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)作用下固化疏浚泥雙層地基全模試驗(yàn)P－s曲線，見圖 2、圖 3。

圖2 不同上部硬土層厚度雙層地基全模試驗(yàn)的P－s曲線(方案1～9，基礎(chǔ)底面尺寸為30 mm×30 mm)

圖3 不同上部硬土層厚度雙層地基全模試驗(yàn)的P－s曲線(方案10～18，基礎(chǔ)底面尺寸為30 mm×450 mm)

從圖中可以看出，條形基礎(chǔ)的疏浚泥雙層地基全模試驗(yàn)P－s曲線存在比較明顯的三個(gè)階段，初始段為線性直線變形階段，中間部分為曲線狀，末段出現(xiàn)直線緩降。一般方形基礎(chǔ)作用下土體的P－s曲線經(jīng)過局部剪損的曲線段后達(dá)到整體剪切破壞階段而出現(xiàn)垂直直線下降，即在荷載不變的情況下，位移持續(xù)增加。條形的P－s曲線經(jīng)過曲線段后，曲線逐漸變緩，呈現(xiàn)出線性下降的狀況，即在經(jīng)過局部剪切破壞后，雙層地基雖然已經(jīng)進(jìn)入整體破壞階段，但由于條形基礎(chǔ)自身的強(qiáng)度不能達(dá)到完全剛性，在千斤頂?shù)淖饔孟聲?huì)產(chǎn)生一定的變形而表現(xiàn)出為基礎(chǔ)的位移，從而導(dǎo)致雙層地基P－s曲線的這一特征。

2.2 疏浚泥雙層地基極限承載力分析

根據(jù)所繪出的P－s曲線，采用第二拐點(diǎn)法及雙切線法綜合確定極限承載力qu，并確定其對(duì)應(yīng)的極限位移 su，如表2、表3所示。

表2 方案1～9的試驗(yàn)成果分析

表3 方案10～18的試驗(yàn)成果分析

從表2、表3可以看出，當(dāng)固化劑摻入比相同時(shí)，雙層地基上部硬土層厚度越厚，k1、k3值逐漸增大，體現(xiàn)了極限承載力的增長(zhǎng)趨勢(shì);k2、k4值逐漸減小，體現(xiàn)了極限承載力下的位移變化趨勢(shì)。對(duì)比k1和k3值發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)形狀對(duì)疏浚泥雙層地基極限承載力的增長(zhǎng)趨勢(shì)影響不大;對(duì)比k2和k4值發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)形狀對(duì)疏浚泥雙層地基極限承載力下的位移變化率影響較為顯著。

通過對(duì)表中各物理量之間的關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，上部硬土層厚度、上部硬土層固化劑摻入比、基礎(chǔ)尺寸等因素對(duì)雙層地基極限承載力及其對(duì)應(yīng)的位移均有所影響。

3 疏浚泥雙層地基承載力的影響因素

3.1 基礎(chǔ)形狀及上部硬土層厚度對(duì)雙層地基承載力的影響

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過DPDM軟件處理及數(shù)值帶入進(jìn)行測(cè)算，發(fā)現(xiàn)位移達(dá)到3 mm(基礎(chǔ)寬度的10%)時(shí)的數(shù)值最有代表性，因此本文選用基礎(chǔ)位移達(dá)到3 mm時(shí)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及極限承載力情況下的各項(xiàng)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象。

方形基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)作用下當(dāng)固化劑摻入比為2%、4%、5%時(shí)，基礎(chǔ)位移均達(dá)到3 mm(基礎(chǔ)寬度的10%)時(shí)的上部硬土層厚度－荷載值關(guān)系曲線見圖4。

圖4 基礎(chǔ)位移均達(dá)到3 mm時(shí)的上部硬土層厚度－荷載值關(guān)系曲線

當(dāng)外加荷載值相同時(shí)，條形基礎(chǔ)與雙層地基表面的接觸面積較方形基礎(chǔ)與地基表面的接觸面積大，由力的比尺可知，條形基礎(chǔ)上所受到的力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方形基礎(chǔ)上所受到的力。當(dāng)固化劑摻入比為2%、4%、5%時(shí)，條形基礎(chǔ)作用下基礎(chǔ)位移達(dá)到3 mm的荷載值比方形基礎(chǔ)下的荷載值分別提高了32.28%，21.69%，16.47%。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是條形基礎(chǔ)傳遞到下部軟土層的荷載范圍比方形基礎(chǔ)更廣，則通過條形基礎(chǔ)傳遞到地基上的荷載減小幅度比方形基礎(chǔ)更大，此外條形基礎(chǔ)與地基的接觸面積比方形基礎(chǔ)大，則條形基礎(chǔ)沉降時(shí)所受到摩擦阻力大于方形基礎(chǔ)，因此采用條形基礎(chǔ)時(shí)雙層地基的承載性能比采用方形基礎(chǔ)時(shí)雙層地基的承載性能更好。

固化疏浚泥層厚度增長(zhǎng)的同時(shí)提高了雙層地基承載性能。一方面雙層地基經(jīng)過一定時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，在自身重力作用下，地基已經(jīng)基本達(dá)到穩(wěn)定，上部硬土層越厚，其本身結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，下部軟土層也相應(yīng)受到更大的預(yù)壓使得其土顆粒間接觸面積增大，孔隙率減小，土體更加密實(shí);另一方面當(dāng)上部疏浚泥層承受通過基礎(chǔ)傳下的荷載時(shí)，由于上部硬土層的存在對(duì)荷載起到擴(kuò)散作用[14]，上部硬土層越厚，由固化疏浚泥層傳遞到下部軟臥層的受力范圍越大，在相同荷載作用下，單位面積的下部軟臥層所承受的荷載就越小，且荷載分布更加均勻，這就使得地基的承載性能有顯著的改善。當(dāng)雙層地基上部硬土層的固化劑摻入比λ相同時(shí)，方形基礎(chǔ)作用下雙層地基極限承載力隨著上部硬土層厚度的增加平均增長(zhǎng)了187.69%;條形基礎(chǔ)作用下雙層地基極限承載力隨著上部硬土層厚度的增加平均增長(zhǎng)了174.93% 。

3.2 固化劑摻入比對(duì)雙層地基承載力的影響

固化劑有加快土體排水，增加土顆粒間聚合力，提高土體力學(xué)性能的效用。固化劑在土中起到膠結(jié)物的作用，使土顆粒之間的連接類型從接觸連接轉(zhuǎn)變?yōu)槟z結(jié)連接，膠結(jié)連接使土顆粒之間的連接強(qiáng)度增強(qiáng)，使土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度呈現(xiàn)不斷增長(zhǎng)的線性趨勢(shì)[15]。Suzuki Y(1982)用水泥作為固化材料，進(jìn)行試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)固化土的力學(xué)性能隨著水泥摻入比的增大而增大[16]。固化劑摻入比不同會(huì)在一定程度上影響上部硬土層的物理性質(zhì)，固化劑摻入比越高，土顆粒間的黏聚力越大，含水率有所降低，土體的抗剪、抗壓強(qiáng)度隨之增大。

從圖5疏浚泥雙層地基位移達(dá)到3 mm時(shí)的固化劑摻入比－荷載曲線圖可以看出，基礎(chǔ)形狀相同時(shí)，隨著固化劑的摻入比提高，方形基礎(chǔ)位移達(dá)到3 mm時(shí)所承受的荷載值平均提高181.26%，條形基礎(chǔ)位移達(dá)到3 mm時(shí)所承受的荷載值平均提高179.86% 。

3.3 不同寬厚比對(duì)雙層地基承載力的影響

疏浚泥雙層地基上部硬土層厚度與基礎(chǔ)寬度的比值簡(jiǎn)稱寬厚比，寬厚比是影響雙層地基承載力的因素之一。圖6為方形基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)作用下，寬厚比與極限承載力的關(guān)系圖。

隨著上部固化疏浚泥厚度的增加，硬土層與周圍土體的接觸面積變大，當(dāng)通過基礎(chǔ)對(duì)雙層地基施加壓力時(shí)，基礎(chǔ)下降還需要克服周圍土體對(duì)上部硬土層所提供的摩擦力，表現(xiàn)為極限承載力隨著寬厚比增大而不斷增大。

圖5 基礎(chǔ)位移達(dá)到3 mm時(shí)的固化劑摻入比－荷載關(guān)系曲線

圖6 寬厚比－極限承載力關(guān)系曲線

從圖6中可以看出，方形基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)作用下，當(dāng)λ=2%時(shí)，基礎(chǔ)寬厚比從1.0增加到2.0，疏浚泥雙層地基極限承載力分別增大了49.09%、32.14%，極限承載力與寬厚比近似呈線性關(guān)系;當(dāng)λ=4%時(shí)，基礎(chǔ)寬厚比從1.0增加到2.0，疏浚泥雙層地基極限承載力分別增大了72.68%、32.75%;當(dāng)λ=5%時(shí)，基礎(chǔ)寬厚比從1.0增加到2.0，疏浚泥雙層地基極限承載力增大了98.56%、78.73%。顯然隨著寬厚比的增加，疏浚泥雙層地基極限承載力增大，且固化劑摻入比越大，疏浚泥雙層地基承載性能越好。

對(duì)比圖6(a)和圖6(b)，當(dāng) λ=2%時(shí)，在每一寬厚比值點(diǎn)上，條形基礎(chǔ)作用下的極限承載力比方形基礎(chǔ)下地基作用下的極限承載力平均提高了11.28%;當(dāng)λ=4%時(shí)，平均提高了37.22%;當(dāng) λ=5%，平均提高了26.66%。基礎(chǔ)形式對(duì)地基承載性能的影響在λ=4%時(shí)達(dá)到峰值。圖6中曲線的變化規(guī)律及以上分析表明，當(dāng)基礎(chǔ)形狀為條形，固化劑摻入比采用4%，且雙層地基的寬厚比選1.5時(shí)，固化疏浚泥雙層地基的地基承載性能綜合較好。

3.4 壓縮模量對(duì)雙層地基承載力的影響

在綜合測(cè)算出試驗(yàn)中三種固化劑摻入比情況下，上部硬土層的壓縮模量與上部硬土層固化劑摻入比關(guān)系見圖7。由圖7可看出，上部硬土層壓縮模量隨著固化劑摻入比的增加而增長(zhǎng)，固化劑摻入比從4%增長(zhǎng)到5%時(shí)的壓縮模量增大速率是固化劑摻入比從2%增長(zhǎng)到4%時(shí)的壓縮模量增大速率的5.3 倍。

圖7 上部硬土層固化劑摻入比與壓縮模量關(guān)系曲線

方形基礎(chǔ)作用下和條形基礎(chǔ)作用下，上部硬土層的壓縮模量與極限承載力關(guān)系，如圖8所示。表4為不同壓縮模量、不同形狀的基礎(chǔ)作用下，上部固化疏浚泥層厚度變化所引起的雙層地基極限承載力變化率。方形基礎(chǔ)與條形基礎(chǔ)作用下疏浚泥雙層地基極限承載力隨著上部硬土層壓縮模量的增大而增大，雙層地基極限承載力的增長(zhǎng)速率隨著上部硬土層厚度的減小不斷減緩。與方形基礎(chǔ)不同，條形基礎(chǔ)作用下的地基承載力增長(zhǎng)速率在上部硬土層壓縮模量為9.36，硬土層厚度為45 mm～60 mm時(shí)近似達(dá)到峰值，說明當(dāng)固化劑摻入比為4%，采用條形基礎(chǔ)時(shí)，上部硬土層厚度采用45 mm～60 mm的基礎(chǔ)承載性能最佳。

圖8 壓縮模量與極限承載力的關(guān)系圖

壓縮模量增大對(duì)地基承載性能的增加有顯著的效果，隨著上部硬土層厚度的增加，壓縮模量對(duì)地基極限承載力的影響越來越突出。這主要是因?yàn)殡p層地基整體的承載能力由上部硬土層及下部軟土層共同提供，隨著上部硬土層厚度的增加，固化疏浚泥層在整個(gè)土體所占的比例隨之?dāng)U大，雙層地基整體的壓縮模量則與上部硬土層的壓縮模量逐漸接近，因此上部固化疏浚泥壓縮模量對(duì)土體的整體承載性能的影響隨著其厚度的增加而更加明顯。

表4 不同壓縮模量、不同基礎(chǔ)形狀下，上部固化疏浚泥層厚度變化所引起的雙層地基極限承載力變化率

4 結(jié)論

疏浚泥雙層地基是一種復(fù)合地基，固化劑的加入能夠改變地基的力學(xué)特性，隨著硬土層厚度、固化劑摻入比、基礎(chǔ)形狀等因素的改變，雙層地基的承載性能相應(yīng)發(fā)生改變。根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論:

(1)采用固化劑對(duì)疏浚泥地基上層部分進(jìn)行加固形成雙層地基，有效提高地基的承載性能，很大程度上縮短地基處理的工期，具有較高的工程實(shí)用性;

(2)從地基承載力要求、環(huán)境保護(hù)，工程經(jīng)濟(jì)等方面看，疏浚泥雙層地基的應(yīng)用有非常大的發(fā)展前景，可以在大范圍投入施工。根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)與原型的尺度比能夠快速有效得選擇恰當(dāng)固化劑摻入比及上部硬土層厚度;

(3)本文利用室內(nèi)模型試驗(yàn)在研究上部硬土層強(qiáng)度和厚度對(duì)淤泥堆場(chǎng)人工硬殼層地基極限承載力及其影響的基礎(chǔ)上，對(duì)包括基礎(chǔ)底面尺寸及上部硬土層的固化劑摻入比、壓縮模量、寬厚比和厚度在內(nèi)的五大因素對(duì)雙層地基承載性能的影響進(jìn)行分析比對(duì)，比選出最經(jīng)濟(jì)的上部硬土層固化摻入比值、厚度值、寬厚比值以及較適合的基礎(chǔ)形式?？紤]到工程施工及工程經(jīng)濟(jì)等因素，在條形基礎(chǔ)作用下，固化劑摻入比為4%，上部硬土層厚度采用45 mm～60 mm，雙層地基寬厚比為1.5時(shí)的固化疏浚泥雙層地基承載性能最優(yōu)。

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