疏浚土物理力學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析

陳明，房宇航

（1.神華天津煤炭碼頭有限責(zé)任公司，天津 300452；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津市港口巖土工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，圍海造陸已成為我國(guó)突破土地資源緊缺瓶頸問題的重要措施之一。為了滿足環(huán)保的要求，圍海造陸工程中多采用航道疏浚出來的土料直接作為原料，進(jìn)行吹填造陸。由于疏浚土本身具有含水率高、滲透性差、承載力低等特點(diǎn)，且不同地區(qū)的疏浚土具有明顯的差異性，其地基加固效果還有待進(jìn)一步明確[1]。

關(guān)于疏浚土加固方法的研究很多，目前常見的加固方法多以真空預(yù)壓為主。梁志榮等[2]對(duì)由于真空預(yù)壓而引起的沉降變形、分層沉降、孔隙水壓力等試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)分析，在上海等軟土地區(qū)，進(jìn)行真空預(yù)壓對(duì)大面積地基進(jìn)行處理，取得良好效果。過程中由于前期沒有對(duì)該地區(qū)軟土進(jìn)行細(xì)致的相關(guān)性分析，在施工方法及工藝的選擇上走了彎路。近些年來，鄒峰等[3]針對(duì)疏浚土形成的地基，開展了不同施工工藝的加固效果研究，對(duì)比了直排式、常規(guī)式和增壓式3 種不同方法的加固效果及經(jīng)濟(jì)性；諸葛愛軍等[4]運(yùn)用有限元仿真技術(shù)對(duì)疏浚土地基的加固過程進(jìn)行仿真分析，明確了疏浚土地基在加固過程中的沉降變化和孔隙水消散規(guī)律；劉文彬等[5]針對(duì)天津?yàn)I海地區(qū)的某疏浚土地基，開展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬研究，對(duì)疏浚土地基的長(zhǎng)期沉降量及沉降特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)，揭示了疏浚土地基的長(zhǎng)期沉降發(fā)生機(jī)理；劉飛禹等[6]針對(duì)疏浚淤泥采用真空預(yù)壓聯(lián)合間歇電滲法加固，得到通電時(shí)間長(zhǎng)加固效果好的結(jié)論，但超過24 h后加固效果減弱。馮軍等[7]針對(duì)黃驊電廠試樁區(qū)真空預(yù)壓效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)研究，得出不同土性對(duì)真空預(yù)壓固結(jié)效果有較大影響。這些學(xué)者均認(rèn)為疏浚土加固工藝的選擇，取決于疏浚土的物理力學(xué)特點(diǎn)，由于疏浚土的工程特性會(huì)因地域不同而呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，因此，對(duì)于疏浚土地基的研究首先應(yīng)落腳于對(duì)其物理力學(xué)特性研究。

本文以連云港疏浚土地基為主要研究對(duì)象，通過現(xiàn)場(chǎng)大量取樣和室內(nèi)試驗(yàn)，獲取了大量疏浚土的含水率、孔隙比、液限、塑限、塑性指數(shù)和壓縮模量等指標(biāo)，同時(shí)運(yùn)用數(shù)學(xué)的方法建立了各個(gè)指標(biāo)之間的相關(guān)性，可為該地區(qū)的疏浚土工程提供全面而準(zhǔn)確的土體參數(shù)，為其加固方法的選擇提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程概況

本項(xiàng)研究依托某吹填造陸工程，原地基由疏浚土吹填形成，具有含水率高（120%～130%）、承載力極低（接近0 kPa）、滲透性很差（小于10-7cm/s）的特點(diǎn)，其地層分布及土體特性如表1 所示。

表1 疏浚土特性Table 1 Characteristics of dredged soil

該工程采用真空預(yù)壓方法[8]對(duì)疏浚土地基進(jìn)行加固處理，表面鋪設(shè)0.5 m 厚中粗砂，設(shè)計(jì)真空荷載為85 kPa，抽真空天數(shù)為150 d，采用B 型塑料排水板，排水板打入深度18 m，排水板間距1 m，正方形布置。

2 疏浚土的力學(xué)特性

要明確疏浚土的物理力學(xué)特性及各指標(biāo)之間的相關(guān)性，采用一元線性回歸方法，通過3 258組室內(nèi)試驗(yàn)，分析得到以下結(jié)果。圖中兩條回歸線分別取3 258 組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中大小占比前20%的特征值（用下腳標(biāo)1 表示）與占比后20%的特征值（用下腳標(biāo)2 表示）。

1）含水率與孔隙比的關(guān)系

吹填陸域疏浚土的天然含水率ω 與孔隙比e的相關(guān)關(guān)系如圖1 所示。

圖1 土體天然含水率與孔隙比的相關(guān)圖Fig.1 Correlation diagram of soil natural water content and void ratio

從天然含水率ω 和孔隙比e 的散點(diǎn)關(guān)系圖可知，天然含水率和孔隙比呈現(xiàn)較好的線性遞增，隨著含水率的增加，孔隙比也逐漸增加。運(yùn)用最小二乘法歸納推導(dǎo)出其在式（1）、式（2）兩個(gè)線性方程范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)R2分別為0.997 1、0.997 5，有較好的相關(guān)性。

2）液限與塑限的關(guān)系

液限ωL與塑限ωP的相關(guān)關(guān)系如圖2 所示。

圖2 液限與塑限相關(guān)圖Fig.2 Correlation diagram of liquid limit and plastic limit

從圖2 可知，液限ωL與塑限ωP近似符合線性關(guān)系，隨著液限的增加，塑限也逐漸增加。液限數(shù)據(jù)集中在20%～70%，塑限數(shù)據(jù)集中在10%～40%；運(yùn)用最小二乘法歸納推導(dǎo)出其在式（3）、式（4）兩個(gè)線性方程范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)R2分別為0.923 6、0.912 3，有較好的相關(guān)性。

3）含水率與壓縮模量的關(guān)系

土的天然含水量ω 與壓縮模量Es之間的相關(guān)關(guān)系如圖3 所示。

圖3 含水率和壓縮模量相關(guān)圖Fig.3 Correlation diagram of water content and modulus of compression

從圖3 可知，含水率ω 與壓縮模量Es在一定范圍內(nèi)近似符合冪函數(shù)關(guān)系，隨著含水率的增加，壓縮模量逐漸減小最后趨于定值。當(dāng)含水率小于50%的時(shí)，對(duì)應(yīng)壓縮模量的范圍較大；但當(dāng)含水率大于50%時(shí)，對(duì)應(yīng)壓縮模量的值范圍較??；歸納推導(dǎo)出其在式（5）、式（6）兩個(gè)冪函數(shù)范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)R2分別為0.947 9、0.953 2，有較好的相關(guān)性。

4）含水率與壓縮系數(shù)的關(guān)系

土的天然含水量ω 與壓縮系數(shù)av之間的關(guān)系分析如圖4 所示。

圖4 含水率和壓縮系數(shù)相關(guān)圖Fig.4 Correlation diagram of water content and compressibility coefficient

由圖4 可知，含水率ω 與壓縮系數(shù)av在一定范圍內(nèi)近似符合冪函數(shù)關(guān)系，壓縮系數(shù)隨著含水率的增加而增加；歸納推導(dǎo)出其在式（7）、式（8）兩個(gè)冪函數(shù)范圍內(nèi)相關(guān)系數(shù)R2分別為0.975 2、0.959 8，有較好的相關(guān)性。

3 結(jié)語

本文針對(duì)真空預(yù)壓方法加固的疏浚土用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論分析了疏浚土物理力學(xué)指標(biāo)并建立了各指標(biāo)之間的相關(guān)性；總結(jié)出經(jīng)驗(yàn)公式，可為當(dāng)?shù)氐募庸谭椒ㄅc施工工藝的選擇提供數(shù)據(jù)支持，得到主要結(jié)論如下：

1）該疏浚土地基的天然含水率ω 與孔隙比e相關(guān)性明顯，孔隙比隨著含水率的增加而增加，兩者具有較好的線性相關(guān)性，可為該地區(qū)疏浚土的含水率與孔隙比提供借鑒。

2）該疏浚土的液限與塑限相關(guān)性明顯，塑限隨著液限的增加而增加，具有較好的線性相關(guān)性，可為該地區(qū)疏浚土的液塑限提供借鑒。

3）該疏浚土的天然含水量ω 與土的壓縮模量Es呈現(xiàn)冪函數(shù)變化的關(guān)系，疏浚土壓縮模量Es隨著含水量ω 的增加而減小，具有較好的冪函數(shù)相關(guān)性，對(duì)于含水率大于50%的疏浚土，該經(jīng)驗(yàn)公式更為適用。為該地區(qū)疏浚土壓縮模量提供借鑒。

4）該疏浚土的天然含水量ω 與土的壓縮系數(shù)av呈現(xiàn)冪函數(shù)變化的關(guān)系，疏浚土壓縮系數(shù)av隨著含水量ω 的增加而增大，具有較好的冪函數(shù)相關(guān)性。