吹填土砂井地基離心模型試驗(yàn)研究

陳科平，任新開，賀勇，吳丹偉

(1.中南大學(xué)有色金屬成礦預(yù)測與地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410083；2.廣西柳州鋼鐵集團(tuán)有限公司，廣西柳州，545002)

自21世紀(jì)以來，沿海地區(qū)為解決用地緊缺問題，通常利用大型挖泥船在海域抽吸淤泥、砂土吹填到洼地，形成吹填陸域[1]。為提高吹填陸域的承載力，通常采用施工成本較低的真空預(yù)壓方式進(jìn)行處理[2]。由于吹填現(xiàn)場施工的不確定性和土體成分不均勻性[3]，吹填土體經(jīng)真空預(yù)壓后，地基各個區(qū)域固結(jié)沉降特性不同。為研究真空預(yù)壓處理后吹填陸域的固結(jié)沉降特性，研究者一般基于太沙基固結(jié)理論進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其理論計(jì)算結(jié)果與工程監(jiān)測沉降結(jié)果相差較大。自Gibson 理論[4-5]提出以來，大變形固結(jié)問題得到了有效解決，克服了經(jīng)典太沙基理論的缺點(diǎn)。近年來，不少研究者結(jié)合大變形、非線性等因素研究土體真空固結(jié)特性。INDRARATNA 等[6-10]采用大應(yīng)變固結(jié)理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)土體固結(jié)沉降理論計(jì)算結(jié)果更加符合工程實(shí)際。閆澍旺等[11]利用變系數(shù)差分法分析吹填土固結(jié)特性，發(fā)現(xiàn)吹填土隨著固結(jié)時間增加，平均固結(jié)系數(shù)逐漸降低，固結(jié)速率逐漸變小。孫立強(qiáng)等[12]通過編制適合吹填土地基的有限元程序并進(jìn)行分析，得到了吹填土地基沉降和孔隙水壓力變化的發(fā)展趨勢。上述研究者提出的固結(jié)理論基于一定的地層條件，難以適用于不均勻的吹填地層，為此，學(xué)者通過模型試驗(yàn)探究吹填土體的固結(jié)沉降特性。在吹填土真空預(yù)壓模型試驗(yàn)方面，DONG等[13-17]通過建立模型試驗(yàn)，采用試驗(yàn)監(jiān)測結(jié)果和數(shù)值分析研究了吹填土固結(jié)沉降特性。唐益群等[18]通過建造室內(nèi)模型進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)上海地區(qū)吹填土沉降量和固結(jié)有效應(yīng)力成正比。邱長林等[19]通過自主設(shè)計(jì)的室內(nèi)真空預(yù)壓實(shí)驗(yàn)裝置研究吹填土的固結(jié)變形特性，發(fā)現(xiàn)體應(yīng)變和軸向應(yīng)變與真空壓力呈雙曲線關(guān)系，孔隙比和真空壓力的對數(shù)成線性關(guān)系。室內(nèi)模型試驗(yàn)只能局限于單一典型的土體開展，不具有整體代表性，為更加符合工程實(shí)際，需對吹填土進(jìn)行離心試驗(yàn)研究。在吹填土離心模型試驗(yàn)方面，F(xiàn)ENG 等[20-22]在離心機(jī)中模擬現(xiàn)場施工，通過離心模型試驗(yàn)研究了施工對地表沉降的影響。LIU等[23]基于某真空預(yù)壓工程，開展離心模型試驗(yàn)，獲得了土壓力變化曲線和工后2 a的最終沉降量。HU 等[24]建立了水下真空預(yù)壓模型，在不同加速度的離心機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)膜下真空度損失會引起土體中孔隙水壓力增大。YOO 等[25]通過離心模型試驗(yàn)分析了非均質(zhì)黏土層的固結(jié)特性，揭示了固結(jié)沉降、超孔隙水壓力消散和孔隙率隨深度分布的規(guī)律。楊坪等[26]采用大變形理論計(jì)算和離心實(shí)驗(yàn)的方法對上海地區(qū)吹填土進(jìn)行固結(jié)沉降分析，發(fā)現(xiàn)吹填土采用大變形理論計(jì)算和離心模型試驗(yàn)所得最終固結(jié)時間和固結(jié)沉降量基本保持一致。王存等[27]用大型離心機(jī)對近海工程軟土地基進(jìn)行離心試驗(yàn)，用等效圓截面排水體代替塑料排水板，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)離心試驗(yàn)和理論計(jì)算土體固結(jié)度基本一致，表明該塑料排水板模擬方法具有可行性。理論計(jì)算、模型試驗(yàn)、離心試驗(yàn)往往只考慮單一地層，而針對多層復(fù)雜地層吹填土地基固結(jié)沉降的研究并不多見。為研究吹填土地基多層地層的固結(jié)沉降特性，本文作者采用砂井等效替代方法，將塑料排水板轉(zhuǎn)化為等效砂井，在廣西鋼鐵集團(tuán)鋼鐵基地吹填地基取樣，建立巖土物理模型，在土工離心機(jī)中開展試驗(yàn)，并在吹填地基現(xiàn)場對地表沉降和孔隙水壓力進(jìn)行監(jiān)測，將土工離心試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，綜合分析吹填地基的固結(jié)沉降特性。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

為確保試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在鋼鐵基地真空預(yù)壓區(qū)域鉆孔取樣，從上至下依次為黏性素填土、吹填淤泥、粉細(xì)砂；取樣后對影響土體固結(jié)的關(guān)鍵地層-淤泥層進(jìn)行礦物分析和電鏡掃描，并對各地層土樣進(jìn)行土工常規(guī)試驗(yàn)。

采用X線衍射(XRD)對吹填淤泥進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)吹填淤泥主要礦物為石英、云母、長石、高嶺石、黃鐵礦，如圖1所示。礦物成分中以原生礦物為主，石英含量最高，其次是次生礦物，以黏土礦物高嶺石為主，表明該區(qū)域吹填土含砂量大，且具有可塑性。

圖1 吹填淤泥礦物成分衍射圖Fig.1 Diffraction pattern of mineral composition of dredged silt

采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察吹填淤泥中土粒表面顆粒和孔隙排列結(jié)構(gòu)[28]，將其放大20 000倍，如圖2所示。從圖2可見：土粒之間孔隙較大，以絮凝狀結(jié)構(gòu)為主，結(jié)構(gòu)較松散。

土樣的基本工程性質(zhì)如表1所示，其中黏性素填土呈硬塑狀態(tài)，吹填淤泥呈流塑狀態(tài)且含水率高。

1.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)所需儀器可分為試驗(yàn)平臺、測量裝置和輔助裝置。

圖2 吹填淤泥掃描電鏡(SEM)圖Fig.2 Scanning electron microscopy(SEM)image of dredged silt

試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TLJ-150離心機(jī)上進(jìn)行；該離心機(jī)的最大容量為150 g·t，最大加速度為200g(1g=9.8 m/s2)，有效旋轉(zhuǎn)半徑為3.0 m。模型設(shè)計(jì)加速度為40g，模型箱長×寬×高為500 mm×500 mm×800 mm。

土體固結(jié)沉降試驗(yàn)主要采集地表沉降和孔隙水壓力。土體沉降采用線性位移傳感器(LVDT)測量，量程為100 mm；孔隙水壓力采用孔隙水壓力計(jì)測量，量程為0.5 MPa。本文主要選取相鄰砂井連線中心和對角砂井連線中心這2 個位置進(jìn)行觀測，其中，相鄰砂井連線中心指距離最近的2根砂井的連線中心，對角砂井連線中心指4根相鄰砂井連線形成的正方形的中心。

輔助裝置有定位板、薄壁套管、長臂筒、夾持器。定位板用來確定砂井打設(shè)的位置和孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)的位置；薄壁套管和長臂筒用來埋設(shè)砂井和孔隙水壓力計(jì)，最大限度地降低對土體的擾動；夾持器用于固定位移傳感器。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 砂井制作

吹填地基通過打設(shè)塑料排水板進(jìn)行排水預(yù)壓，由于塑料排水板的長×寬為100 mm×4 mm，難以在模型中實(shí)現(xiàn)，為解決排水板厚度尺寸效應(yīng)問題，利用砂井等效替代法將塑料排水板換算為等效砂井，換算公式如下：

表1 吹填土樣的基本工程性質(zhì)Table 1 Basic engineering properties of dredger soil

式中：Dp為等效原型直徑；b為塑料排水板寬度，b=100 mm；δ為排水板厚度；α為換算系數(shù)，α=0.96。

由上述公式得出等效原型直徑Dp=66 mm，原型間距sp=900 mm。

根據(jù)文獻(xiàn)[29]，將原型地基塑料排水板間距轉(zhuǎn)化為試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕熬g距，轉(zhuǎn)換公式如下：

式中：sm為模型砂井間距；Dm為模型砂井直徑。模型箱的長×寬×高為500 mm×500 mm×800 mm，根據(jù)模型箱尺寸取sm=135 mm，則模型砂井直徑Dm=10 mm，因此，可以在模型箱中打設(shè)16 根砂井，砂井布置如圖3所示。

在離心模型試驗(yàn)中，砂井的制作是關(guān)鍵。采用濾紙制作的砂井袋代替塑料排水板濾膜，塑料排水板濾膜等效孔徑不大于75 μm，選擇孔徑為30～50 μm 的中速定量濾紙，既能確保砂井袋滲透系數(shù)不影響土體排水，又能確保土粒不堵塞濾紙。砂土采用粒徑不大于2 mm 的砂粒并填入砂井袋，使砂井充盈系數(shù)(即每根砂井灌砂量與按砂井直徑計(jì)算的理論砂量之比)達(dá)1.05～1.10。

1.3.2 離心固結(jié)

離心固結(jié)時中，在施加荷載之前先對土樣進(jìn)行超飽和處理[30]、分層預(yù)固結(jié)[31]，使初始應(yīng)力達(dá)到平衡狀態(tài)。預(yù)固結(jié)結(jié)束后打設(shè)砂井，埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，施加地層頂部荷載，安裝位移計(jì)，開始固結(jié)，具體操作如下。

1)首先進(jìn)行土樣超飽和。將地基的3層土樣分別進(jìn)行晾曬、過篩、浸水飽和處理。為保證試驗(yàn)飽和度達(dá)到100%，浸泡2 周，并每晚用攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

2)預(yù)固結(jié)。待3層土樣飽和完畢后，將土樣上部的清夜用針管抽干，然后充分?jǐn)嚢琛y定3種土樣含水率，得到超飽和土樣含水率。由于土樣固結(jié)前后的密度相同，固結(jié)前后含水率已知，故可以根據(jù)土樣的模型高度利用如下公式計(jì)算模型箱中土樣初始高度：

圖3 模型箱布置圖Fig.3 Layout of model box

式中：h1為土樣初始高度；h2為土樣模型高度；w1為土樣初始含水率；w2為土樣模型含水率；Gs為土樣密度。土樣的各種參數(shù)見表2。

先填入底層粉細(xì)砂至初始高度，啟動離心機(jī)固結(jié)到模型高度。固結(jié)完畢后，填入吹填淤泥至初始高度，啟動離心機(jī)進(jìn)行預(yù)固結(jié)，并通過攝像機(jī)時刻觀察淤泥層頂部的下降深度，當(dāng)頂部下降到模型高度時，立即使離心機(jī)停止工作；填入上部黏性素填土至初始高度，離心固結(jié)到模型高度再次使離心機(jī)停止工作；此時，3層土樣已經(jīng)處于現(xiàn)場土層的物理狀態(tài)[32]。利用已有輔助裝置打設(shè)砂井和埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)，砂井和孔壓計(jì)位置如圖3所示，孔壓計(jì)設(shè)置在相鄰砂井連線中心，深度分別為模型箱深度(105 mm)和(210 mm)，對應(yīng)原型地基深度為4.2 m和8.4 m。

表2 吹填土樣固結(jié)離心模型試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Centrifuge model test parameters

真空預(yù)壓施工時抽真空設(shè)備對現(xiàn)場地基提供負(fù)壓[33]，在試驗(yàn)中通常以正壓代替負(fù)壓來滿足載荷要求，因此，在模型箱地基頂部覆蓋砂土提供正向均布荷載。一般情況，真空預(yù)壓最大負(fù)向固結(jié)壓力為80～90 kPa[34]，故在地基土層上部提供85 kPa的正向均布荷載。

砂井和孔隙水壓力計(jì)打設(shè)完畢后，在模型上部覆蓋砂土，提供正向均布荷載。砂土覆蓋前埋設(shè)沉降標(biāo)，砂土覆蓋后安裝位移計(jì)，位移計(jì)位置如圖3所示，設(shè)置在相鄰砂井連線中心和對角砂井連線中心。所有調(diào)試工作完成后，開啟離心機(jī)，在5 min 內(nèi)加載到40g，運(yùn)行1.125 h，相當(dāng)于75 d真空預(yù)壓現(xiàn)場施工。達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行時間后，減小加速度直至停止。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理

固結(jié)完畢后，整理分析數(shù)據(jù)。由于土工離心機(jī)利用自身提供的加速度為原型加速度的N倍，故離心試驗(yàn)將原型尺寸縮小為1/N，將固結(jié)時間縮短為1/N2，但孔隙水壓力無放大縮小效應(yīng)。本試驗(yàn)提供加速度為40g，所以模型長度為原型長度的1/40，模型時間為原型時間的1/1 600，模型孔隙水壓力與原型孔隙水壓力相同。

為與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，需要對離心固結(jié)后的結(jié)果進(jìn)行處理，主要是將土體在40g加速度下的沉降轉(zhuǎn)化為土體在1g加速度下的沉降。原型孔隙水壓力和模型孔隙水壓力相同，無需轉(zhuǎn)化。在離心機(jī)(0～40g)加速過程中，土體會發(fā)生一定沉降；因此，土體在加速度40g下的沉降應(yīng)減去預(yù)固結(jié)過程中土體發(fā)生的沉降，即減去離心機(jī)恰巧達(dá)到40g時位移傳感器采集的沉降，計(jì)算所得的沉降即為試驗(yàn)固結(jié)沉降，將其擴(kuò)大40 倍，則轉(zhuǎn)化為土體在1g加速度下的沉降。同理，從離心機(jī)達(dá)到40g加速度時開始作為土體固結(jié)起始時間，并將試驗(yàn)時間擴(kuò)大1 600倍即可得到土體在1g加速度下的固結(jié)時間。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

模型地基經(jīng)離心機(jī)固結(jié)1.125 h 后，地基的3層土樣狀態(tài)達(dá)到現(xiàn)場固結(jié)狀態(tài)。通過地基表面設(shè)置的位移傳感器測得地層表面各點(diǎn)固結(jié)沉降與試驗(yàn)時間的關(guān)系如圖4所示。

從圖4可見：模型中各位置的沉降量隨時間變化的關(guān)系曲線基本相似；前期固結(jié)0～5 min為離心機(jī)加速過程，此過程地應(yīng)力急劇增加；后期固結(jié)5～102 min 為維持原型應(yīng)力狀態(tài)的真空預(yù)壓固結(jié)過程；離心機(jī)從0加載到40g的過程中，土層的沉降先急劇增加，隨后變緩，由此可知在離心機(jī)加載過程中，不可避免地發(fā)生土體固結(jié)沉降，且LVDT3 處的沉降明顯比其他3 個位置的沉降大；在5～102 min，LVDT1 沉降從44.782 mm 開始到52.055 mm結(jié)束，對應(yīng)地基原型沉降為290.92 mm；LVDT2 沉降從44.496 mm 開始到51.594 mm 結(jié)束，對應(yīng)地基原型沉降為283.92 mm；LVDT3 沉降從47.928 mm 開始到56.340 mm 結(jié)束，對應(yīng)地基原型沉降為336.48 mm；LVDT4的沉降從46.568 mm開始到54.153 mm 結(jié)束，對應(yīng)地基原型沉降為303.40 mm。可知離心機(jī)在維持40g運(yùn)行狀態(tài)時，LVDT1，LVDT2 和LVDT4 的沉降較接近，而LVDT3的沉降比LVDT1，LVDT2和LVDT4的沉降大(LVDT1，LVDT2 和LVDT4 的平均沉降為LVDT3沉降的87%)。這是因?yàn)長VDT3位置受附近4 個砂井的影響，而其他位置主要受附近2 個砂井的影響。

圖4 沉降隨時間變化關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between settlement and time

孔隙水壓力隨時間變化如圖5所示。由圖5可知：在0 到40g加載過程中，孔隙水壓力急劇增加；在加速度為40g的運(yùn)行過程中，孔隙水壓力緩慢下降；前期離心機(jī)加速度不斷增大，導(dǎo)致孔隙水壓力急劇增加，后期離心機(jī)維持40g時的運(yùn)行速度，孔隙水壓力緩慢下降，且孔隙水壓力降低較小；孔隙水壓力降低較小，是由于在土體固結(jié)過程中，土體中的孔隙水排到土層頂部，未排出箱外，故土體中水位基本保持不變，孔壓計(jì)測量得到的總孔隙水壓力降低較小。根據(jù)圖4和圖5可得上述地基沉降主要是土骨架壓縮并伴隨孔隙水壓力下降所致。

圖5 孔隙水壓力隨時間變化關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between pore water pressure and time

3 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對比

廣西鋼鐵集團(tuán)有限公司在防城港港口區(qū)新建鋼鐵基地，該基地所處區(qū)域?yàn)?0年前吹填形成的陸域，施工單位采用真空預(yù)壓進(jìn)行地基處理。為保證模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在取樣點(diǎn)對真空壓力、孔隙水壓力和地表沉降進(jìn)行觀測，取樣點(diǎn)地層相關(guān)參數(shù)如表3所示。在取樣點(diǎn)布置1個孔隙水壓力監(jiān)測點(diǎn)、2個沉降監(jiān)測點(diǎn)(監(jiān)測點(diǎn)A和監(jiān)測點(diǎn)B)和3個真空壓力觀測點(diǎn)(觀測點(diǎn)1，觀測點(diǎn)2和觀測點(diǎn)3)，監(jiān)測所得結(jié)果如圖6～8所示。

表3 取樣點(diǎn)土層厚度Table 3 Soil layer thickness at sampling point m

從圖6可見：現(xiàn)場測得的真空壓力變化趨勢為先上升后下降，最后上升維持在85 kPa 左右；中間真空壓力下降，可能是由于現(xiàn)場密封效果欠佳導(dǎo)致漏氣；現(xiàn)場地基真空負(fù)壓穩(wěn)定后為85 kPa 左右，與離心試驗(yàn)土層頂部均布荷載相同。

圖6 原型地基現(xiàn)場真空壓力隨時間變化關(guān)系曲線Fig.6 Vacuum pressure on site of prototype foundation with time

圖7 原型地基現(xiàn)場孔隙水壓力隨時間變化關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between pore water pressure and time on site of prototype foundation

從圖7可見：原型地基中不同深度的孔隙水壓力變化規(guī)律不同；深度為3 m和6 m的孔隙水壓力在0～20 d內(nèi)先減小后增大，20 d以后逐漸減??；深度為9 m 和12 m 的孔隙水壓力在0～20 d 內(nèi)略微下降，變化幅度不大，20 d以后也逐漸減小，變化速率與深度3 m和6 m時的幾乎相同。土工離心模型試驗(yàn)取得的孔隙水壓力與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果不同，在土工離心模型箱中先是急劇上升后緩慢減小。這是因?yàn)楝F(xiàn)場為真空設(shè)備提供負(fù)壓，水從土體內(nèi)排出導(dǎo)致原型地基水位不斷下降，而模型試驗(yàn)為向上排水排入覆蓋砂土，導(dǎo)致模型地基水位先升高后減小。故兩者的孔隙水壓力無法進(jìn)行對比分析。

由圖8可知：原型地基在真空預(yù)壓開始到第10 d地表沉降明顯，沉降速率較快，與現(xiàn)場孔隙水壓力急劇下降相對應(yīng)；10～70 d 內(nèi)沉降逐漸加大，沉降速率基本恒定；70 d后，沉降仍發(fā)生，但沉降速率穩(wěn)定且很小，沉降維持在300 mm左右；而模型地基沉降在固結(jié)到70 d 時也維持在300 mm 左右，沉降仍繼續(xù)，且沉降速率很小。對比現(xiàn)場監(jiān)測沉降結(jié)果與模型試驗(yàn)沉降結(jié)果，兩者沉降速率明顯不同，0～10 d 時現(xiàn)場沉降速率較快，10～70 d時兩者沉降速率相近，但是兩者最終沉降幾乎一致。這兩者沉降速率不同，其原因是原型地基排水方式與模型試驗(yàn)地基排水方式不同。原型地基孔隙水壓力先下降后上升再下降，而模型試驗(yàn)中孔隙水壓力在40g固結(jié)過程中低速下降，表明現(xiàn)場真空負(fù)壓對孔隙水壓力的影響較大，能使孔隙水壓力快速降低，原型地基中水快速排出，進(jìn)而造成地表沉降速率較快。

圖8 原型地基現(xiàn)場沉降和模型沉降隨時間變化關(guān)系曲線Fig.8 Relationship between on-site settlements of prototype foundation and model settlement and time

4 結(jié)論

1)離心模型試驗(yàn)沉降結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測沉降結(jié)果均維持在300 mm附近，驗(yàn)證了采用正向均布荷載替代真空負(fù)壓是合理可行的，同時表明模型地基和原型地基在經(jīng)過75 d 加載后，仍會發(fā)生固結(jié)沉降，因此，在后續(xù)工程建設(shè)中，要特別重視工后固結(jié)沉降。

2)相鄰砂井連線中心的沉降為對角砂井連線中心沉降的87%，因此，需要注意場地不均勻沉降帶來的差異性。

3)原型地基前期地表沉降速率比模型地基地表沉降速率快，中期沉降速率相近，后期沉降均穩(wěn)定。

4)離心試驗(yàn)中孔隙水壓力緩慢減小，而現(xiàn)場孔隙水壓力先下降后上升再緩慢下降，兩者出現(xiàn)差異的原因是離心模型試驗(yàn)的排水方式和現(xiàn)場真空預(yù)壓排水方式不同，因此，模型試驗(yàn)的孔隙水壓力表現(xiàn)規(guī)律與原型地基孔隙水壓力表現(xiàn)規(guī)律不完全等效。