天津地區(qū)吹填淤泥非線性滲透特性試驗研究

康亞靜，孫立強，路江鑫

（1.河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，石家莊050000；2.水利工程仿真與安全國家重點實驗室 天津大學(xué)，天津300072；3.河北省水利廳，石家莊050011）

1 研究背景

當(dāng)前，對吹填土地基進(jìn)行變形計算采用的是常規(guī)固結(jié)理論，工程中出現(xiàn)的較大整體沉降、標(biāo)高不足等實際問題表明，采用常規(guī)理論進(jìn)行變形計算，計算值與實際沉降值存在較大差異。忽略設(shè)計施工偶然因素，主要有兩方面原因：一是圍海造陸工程中加固對象為吹填淤泥，其含水率、孔隙比都非常高，處于流動狀態(tài)，屬欠固結(jié)土；二是加固中的吹填淤泥應(yīng)力狀態(tài)由接近于零的小應(yīng)力發(fā)展到最終固結(jié)應(yīng)力，其固結(jié)排水特性與正常固結(jié)土差別很大。所以，采用常規(guī)理論或大應(yīng)力狀態(tài)下的滲透系數(shù)進(jìn)行吹填土變形計算，與工程實際存在較大偏差。

國內(nèi)外學(xué)者對軟黏土滲透非線性特性做了大量研究。謝康和等［1］對蕭山8個試樣進(jìn)行了一維固結(jié)滲透試驗，討論和總結(jié)了4種非線性滲透模型，分析了對應(yīng)于4種非線性滲透模型的土性參數(shù)；路江鑫等［2］通過開展淤泥質(zhì)吹填土壓縮—滲透試驗，得到了軟黏土滲透性隨土質(zhì)和孔隙比之間變化的預(yù)測公式，并通過收集國內(nèi)外26組數(shù)據(jù)進(jìn)行了普適性驗證；齊添等［3-4］對蕭山軟黏土進(jìn)行了一維固結(jié)滲透聯(lián)合試驗，測定了基于孔隙比與滲透系數(shù)的e-logkv的非線性關(guān)系；孫立強等［5］基于吹填土非線性壓縮—滲透特性，對未打穿砂井固結(jié)理論進(jìn)行了研究；Pane［6］針對軟黏土滲透性，探索了新型試驗方法；Taylor［7］，Mesri &Rokhsar［8］，Moriwaki［9］，Mes ri & Tavenas［10］，Mesri &Choi［11］，Tavenas［12］等分別考慮不同因素對軟黏土滲透性影響，基于試驗數(shù)據(jù)對e-lgkv模型適用范圍進(jìn)行了探討，并對模型進(jìn)行改進(jìn)和完善。目前，不少學(xué)者對吹填淤泥非線性特性進(jìn)行了研究，例如張明等［13-14］對深圳前灣含水率大于100%的吹填淤泥進(jìn)行了固結(jié)滲透試驗，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，進(jìn)行了參數(shù)測定。以上研究大都基于某一特定地區(qū)的相同液限軟黏土開展試驗研究，對吹填淤泥滲透性研究較少，且模型試用性對于不同地區(qū)、不同液限土體不同，需要進(jìn)行不同孔隙比下的固結(jié)—滲透試驗來確定。

本文利用GDS固結(jié)儀對天津地區(qū)不同液限吹填淤泥開展連續(xù)的固結(jié)—滲透試驗，通過試驗得出吹填泥不同孔隙比下的滲透系數(shù)。采用4種非線性滲透模型對試驗結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，對比分析了模型參數(shù)，給出了適用于該地區(qū)吹填淤泥的最佳非線性滲透關(guān)系，進(jìn)一步完善了該地區(qū)吹填淤泥非線性滲透特性研究，研究成果對天津地區(qū)吹填土地基實際固結(jié)計算具有重要意義。

2 試驗方法

2.1 試驗土樣

將取自天津臨港（TJLG）、南港（TJNG）、東疆港區(qū)（TJDG）吹填區(qū)的吹填淤泥調(diào)制成泥漿狀并使其自然沉積，同時開展液塑限試驗，得到吹填淤泥塑限和液限，自然沉積后試驗土樣物理指標(biāo)如表1。

表1 吹填淤泥的基本物理參數(shù)

2.2 試驗儀器及試驗原理

本次試驗采用固結(jié)—滲透試驗GDS高級固結(jié)儀，克服了傳統(tǒng)室內(nèi)試驗儀器無法測定特定壓力下滲透系數(shù)的缺陷，不僅可獲得各級固結(jié)壓力下的空隙比，還可得到相應(yīng)壓力下滲透系數(shù)。為研究高含水率吹填淤泥的滲透特性，定制環(huán)刀高度40mm，內(nèi)徑76.2mm，GDS固結(jié)試驗系統(tǒng)如圖1。

圖1 GDS固結(jié)試驗系統(tǒng)

GDS固結(jié)試驗原理為在豎向壓力p1和反向壓力p2作用下對試驗土樣加壓； 在一級固結(jié)壓力下穩(wěn)定后，保持豎向壓力p1值不變，利用反壓p2和底應(yīng)p3形成的水頭差值，開展本級固結(jié)壓力下的滲透試驗。操作原理如圖2。

圖2 固結(jié)—滲透試驗原理

2.3 試驗及過程

本次試驗對3個吹填區(qū)的吹填淤泥開展試驗。將土樣涂抹到環(huán)刀中，安裝壓力室，排出安裝過程中內(nèi)存空氣，最后進(jìn)行試驗。試驗過程中通過設(shè)置不同的p2和p3差值，形成常水頭差Δh，開展?jié)B透試驗。特定固結(jié)壓力下，設(shè)定多組常水頭差Δh，通過試驗獲得每個水頭差下的滲透系數(shù)，取平均值后得到特定固結(jié)壓力下的滲透系數(shù)。試驗如表2。

表2 試驗方案

吹填淤泥固結(jié)—滲透試驗裝樣過程、試驗過程及試驗結(jié)束卸載后土樣如圖3。

圖3 試驗過程

3 試驗結(jié)果

3.1 吹填淤泥滲透系數(shù)與孔隙比關(guān)系

按照表2試驗方案，分別對3個吹填區(qū)的吹填淤泥開展試驗，為直觀呈現(xiàn)試驗結(jié)果，繪制滲透系數(shù)kv與固結(jié)壓力p、孔隙比e之間關(guān)系如圖4，圖5。

圖4 滲透系數(shù)k v與固結(jié)壓力p關(guān)系

圖5 滲透系數(shù)kv孔隙比與孔隙比e關(guān)系

由圖4可看出，滲透系數(shù)隨著固結(jié)壓力的增大呈現(xiàn)非線性減小。約以pL=150kPa為分界點，當(dāng)p＜pL時（大應(yīng)力狀態(tài)），滲透系數(shù)隨著固結(jié)壓力增大減小較快；當(dāng)p＞pL時（小應(yīng)力狀態(tài)），滲透系數(shù)隨著固結(jié)壓力增大減小不明顯。小應(yīng)力階段的滲透系數(shù)與大應(yīng)力階段存在較大差別。

由圖5可看出，隨著土體被壓縮，孔隙比減小，滲透系數(shù)隨著孔隙比減小呈非線性減小。約以eL=1.5為分界點，當(dāng)e＞eL時，滲透系數(shù)隨著孔隙比的減小而大幅減??；當(dāng)e＜eL時，滲透系數(shù)減小幅度明顯降低。在吹填淤泥空隙比變化范圍內(nèi)，滲透系數(shù)并不是固定不變的，而是非線性變化的。采用常規(guī)理論中假定不變的滲透系數(shù)來計算吹填淤泥，與實際情況差別較大。

3.2 非線性滲透模型參數(shù)確定及分析

常見適用于軟黏土孔隙比與滲透系數(shù)的非線性關(guān)系有4種：

（1）e-lgkv滲透關(guān)系式［15］為e=e0′+Cklgkv。

式中e0′為單位豎向滲透系數(shù)對應(yīng)的孔隙比；Ck為滲透指數(shù)。

（2）lge-lgkv滲透關(guān)系式［16］為lge=Algkv+B。

式中A，B均為滲透特性參數(shù)。

（3）lg［kv（1+e）］-lge模型非線性滲透關(guān)系式［17］為lg［kv（1+e）］=lgC+nlge。

式中C為反應(yīng)土體滲透特性的參考滲透系數(shù)（cm/s）；n為土體材料參數(shù)。

（4）lg（1+e）-lgkv滲透關(guān)系式［18］為lg（1+e）=αlgkv+β。

式中α，β均為土性參數(shù)。

利用4種滲透關(guān)系分別對3種液限吹填淤泥試驗結(jié)果進(jìn)行回歸擬合，同時用4種關(guān)系對不同液限吹填淤泥試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，回歸擬合曲線如圖6。根據(jù)擬合曲線確定了天津地區(qū)不同液限吹填淤泥4種滲透模型的擬合參數(shù)，結(jié)果如表3，表4。

圖6 非線性滲透擬合關(guān)系

表3 非線性滲透模型擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

表4 非線性滲透模型擬合參數(shù)及相關(guān)系數(shù)

由圖6可看出，3種液限吹填淤泥滲透試驗結(jié)果數(shù)據(jù)點基本散落在擬合曲線的兩側(cè)，同時由表3可知，4種非線性滲透模型回歸擬合相關(guān)系數(shù)R2均在0.9以上，擬合標(biāo)準(zhǔn)差SD均較小。從工程應(yīng)用角度出發(fā)，4種非線性滲透模型對不同液限天津吹填淤泥均為試用。

為尋求適用于天津地區(qū)吹填淤泥最佳滲透模型，對4種非線性滲透模型擬合參數(shù)進(jìn)行對比分析：對3種液限吹填淤泥而言，e-lgkv模型參數(shù)變化范圍為Ck=0.592~0.856，e0′=5.358~7.443，變化幅度為1.4~1.5倍；lge-lgkv模型參數(shù)變化范圍A=0.209~0.220，B=1.517~1.611，相差1.1倍；lg［kv（1+e）］-lge模型參數(shù)變化范圍C=0.440~1.968，n=4.933~5.204，差值4.5，1.1倍； lg （1+e）-lgkv模型參數(shù)變化范圍α=0.113~0.131，β=1.310~1.169，相差1.2倍。其中l(wèi)g［kv（1+e）］-lge模型參數(shù)C變化幅度最大，lge-lgkv模型中參數(shù)變化范圍最小。同時，對比表4中4種模型對不同液限吹填泥綜合擬合分析結(jié)果可知，lge-lgkv模型擬合相關(guān)系數(shù)高，擬合標(biāo)準(zhǔn)差小，且模型參數(shù)最簡單。綜合分析，推薦lge-lgkv模型為適用于天津地區(qū)吹填淤泥等超軟土實際固結(jié)變形計算的最佳滲透模型。

4 結(jié)語

（1）3種不同液限吹填淤泥kv-e，kv-p 關(guān)系表明，軟黏土特別是吹填淤泥初始含水量較高、初始孔隙比較大，加固過程中滲透系數(shù)隨孔隙比的減小和有效應(yīng)力的增加呈非線性減小，因而按照常規(guī)固結(jié)理論的基本假定滲透系數(shù)為常數(shù)不符合實際情況。

（2）采用4種非線性滲透模型對3種液限吹填淤泥kv-e數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得了模型對應(yīng)參數(shù)。分析表明，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，4種常見的非線性滲透模型對天津地區(qū)吹填淤泥都是適用的，其中l(wèi)ge-lgkv模型擬合效果最好，且參數(shù)最簡單，建議將其作為天津地區(qū)吹填淤泥等超軟土地基實際固結(jié)變形計算的最佳非線性滲透模型，且測定的模型參數(shù)可直接用于實際工程計算。