長興島欠固結(jié)土觸變性試驗研究

趙莎莎，馮海暴，劉敏，張嘉瑩

（1.河北工程大學土木工程學院，河北 邯鄲 056038；2.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；4.港口巖土工程技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，天津 300222；5.天津市港口巖土工程技術(shù)重點實驗室，天津 300222）

0 引言

伴隨著我國經(jīng)濟的快速增長，國家的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模也與日俱增，沿海城市的建設(shè)受到土地資源不足的限制，填海造陸是解決土資源短缺問題的有效方法。當前大連長興島工業(yè)園區(qū)有約7 km2的面積需圍海造陸，本工程的地基土為第四紀濱海相沉積土以及海陸交互相粉質(zhì)黏土，主要土層有吹填土、淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土。這種土沉積歷史較短，具有含水率高、壓縮性大、強度低、透水性差等特點。在海洋工程建設(shè)過程中不可避免將對地基土體產(chǎn)生擾動，但淤泥質(zhì)土尚未完成自重應(yīng)力下的固結(jié)，對施工擾動更加敏感。由于黏性土自身的觸變性，會在擾動完成后產(chǎn)生強度的恢復(fù)，但其強度恢復(fù)程度及時間與土體本身的性質(zhì)密切相關(guān)。開展淤泥質(zhì)土強度恢復(fù)規(guī)律的研究，對評價長興島地基上結(jié)構(gòu)物的長期穩(wěn)定性具有重要意義。

目前針對黏性土受到工程施工建設(shè)過程的擾動后引發(fā)土體觸變性變化的研究，經(jīng)過多年的探索與積累經(jīng)驗，形成了一些成果。李麗華等[1]研究土樣不同擾動程度下測試各靜置時間下的不排水抗剪強度和土樣相同擾動程度下測試各靜置時間下的無側(cè)限抗壓強度，分析擾動程度對土體觸變恢復(fù)強度的影響規(guī)律。高彥斌等[2]利用微型貫入儀對上海地區(qū)第4 層淤泥質(zhì)黏土進行土體觸變強度恢復(fù)的試驗研究，結(jié)果表明土體擾動后，強度隨著靜置時間的增加表現(xiàn)出明顯的正觸變性。張先偉等[3]利用微型貫入儀對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土擾動后各階段的貫入阻力與無側(cè)限抗壓強度進行測定，分析了觸變強度的恢復(fù)時間與過程，采用觸變強度比率評價該黏土的觸變特性。沈水龍等[4]在深層攪拌法或高壓旋噴法施工后，樁周土體經(jīng)過擾動強度降低，經(jīng)過30 d 后樁周土體強度恢復(fù)至原狀土強度的40%左右。Alam 等[5]在相應(yīng)的液限下將收集3 種黏土制備成樣品，使其經(jīng)受觸變老化，對其進行無側(cè)限抗壓強度和直接剪切試驗以評估觸變強度恢復(fù)。國內(nèi)外學者對土體施工擾動后恢復(fù)狀況的研究，主要是通過原位十字板剪切試驗、室內(nèi)振動試驗、直接剪切試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、三軸固結(jié)和排水試驗等一些土工試驗測定土體施工擾動后強度恢復(fù)過程的不排水抗剪強度[6-7]。有些學者介紹了模擬土觸變強度恢復(fù)的數(shù)學理論和數(shù)學模型，綜述了評價土觸變特性的各種試驗方法，他們認為落錐試驗是一種比較理想的測試土強度恢復(fù)的方法[8]。目前土的觸變性的研究中對不排水抗剪強度的測定方法及擾動程度、不同含水率、不同孔隙比對土的強度恢復(fù)影響以及強度恢復(fù)規(guī)律進行了良好的闡述，但是欠固結(jié)土的觸變性變化非常復(fù)雜，其中對于欠固結(jié)土在不同擾動程度下其強度隨時間的變化規(guī)律以及影響其強度恢復(fù)規(guī)律的因素尚未見有研究。

現(xiàn)針對長興島吹填淤泥質(zhì)土開展室內(nèi)落錐試驗測定其不排水抗剪強度，研究土樣在不同擾動程度下強度隨靜置時間的變化規(guī)律，以期得到欠固結(jié)土的強度恢復(fù)因子，用于實際海洋建設(shè)工程中評估不排水抗剪強度隨時間的恢復(fù)和發(fā)展。

1 強度恢復(fù)試驗

1.1 試驗裝置

1.1.1 落錐儀

采用落錐法對土樣的不排水抗剪強度進行測量，試驗設(shè)備使用挪威Geonor 巖土儀器公司生產(chǎn)的落錐儀，型號G-200，如圖1 所示。圖中①為固定錐體；②為調(diào)整錐體高度；③為線性刻度盤；④為容納原狀土樣和重塑土樣的杯體；⑤為錐體。該設(shè)備能夠測定4～20 mm 的變形。錐軸旁有線性刻度盤，并能夠調(diào)整錐體高度，以便在錐體釋放之前，錐體尖端剛好接觸試樣表面。該設(shè)備有容納原狀土樣和重塑土樣的杯體，由剛性抗腐蝕材料制成，底部與輪輞平行，直徑50 mm，深度25 mm；配備的輔助工具有：樣品擠出機、鋼絲切割機、玻璃板等。

圖1 G-200 型落錐儀Fig.1 G-200 falling cone instrument

1.1.2 錐體裝置

落錐試驗應(yīng)使用一組錐角為30°或60°和不同質(zhì)量的錐體測量不排水抗剪強度。具體參數(shù)見表1。

表1 錐體裝置的參數(shù)Table 1 Parameters of the cone device

1.2 試驗方案

通過開展室內(nèi)模型試驗，對欠固結(jié)土進行強度恢復(fù)試驗，研究不同擾動程度下，欠固結(jié)土不排水抗剪強度和觸變恢復(fù)強度比隨時間的變化規(guī)律；根據(jù)試驗結(jié)果計算欠固結(jié)土強度恢復(fù)因子，用于評估欠固結(jié)土的強度恢復(fù)程度或觸變程度。

試樣樣品為一組不同擾動程度的原狀土，研究擾動程度對欠固結(jié)土強度恢復(fù)的影響。擾動土由飽和原狀土制備，將土體放入與其直徑相當?shù)男A桶內(nèi)，利用擊實錘或者木碾，破壞原狀土的結(jié)構(gòu)，對每組土樣分別進行時間為10 min、15 min、25 min 的擾動，用以模擬不同擾動程度下的土體。擾動過程中需要將原狀土放入密封袋中，保證原狀土和重塑土的含水率幾乎不變。其中土樣應(yīng)制備成直徑50 mm 和高度25 mm。研究不同擾動程度強度恢復(fù)的試驗方案，如表2 所示。

表2 不同擾動程度強度恢復(fù)試驗Table 2 Strength recovery tests with different disturbance degree

2 強度恢復(fù)規(guī)律研究

2.1 擾動程度與不排水抗剪強度的關(guān)系

2.1.1 不排水抗剪強度計算公式

試驗過程中土體試件在當前狀態(tài)下的不排水抗剪強度，如式（1）所示：

式中：m 為錐體質(zhì)量，g；h 為錐頭錐入深度，mm；k 為錐頭相關(guān)系數(shù)（30°錐k=0.8；60°錐k=0.27）；Su為不排水抗剪強度，kPa。

2.1.2 結(jié)果及分析

由表2 和式（1）得到同一種土在不同擾動程度下的不排水抗剪強度，如表3 所示。

表3 不同擾動程度強度恢復(fù)試驗結(jié)果Table 3 Strength recovery test results of different disturbance degree

圖2、圖3 分別為擾動土靜置時間與不排水抗剪強度的關(guān)系圖和相關(guān)性圖。

圖2 靜置時間與不排水抗剪強度的關(guān)系Fig.2 Relationship between standing time and undrained shear strength

圖3 靜置時間與不排水抗剪強度的相關(guān)性Fig.3 Correlation of standing time and undrained shear strength

由圖2 可知，同一種原狀土的擾動程度越大，相同的靜置時間下，不排水抗剪強度越小。同種土樣的擾動程度不同，其落錐試驗的不排水抗剪強度隨著靜置時間觸變恢復(fù)的速率與幅度也不相同。究其原因，大連長興島吹填淤泥質(zhì)土以紊流狀和粒狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，受到施工擾動的程度越大，其結(jié)構(gòu)破壞程度越強，宏觀表現(xiàn)為土體強度減小，隨著靜置時間的增加，因土顆粒、水以及吸附在內(nèi)部空間的各種離子重新排列，被破壞的結(jié)構(gòu)進而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，結(jié)構(gòu)強度緩慢恢復(fù)至未擾動狀態(tài)下的土體強度。擾動程度不同，土體的不排水抗剪強度也不同，因此，對不同擾動程度土體的不排水抗剪強度與靜置時間的關(guān)系進行擬合，得到不排水抗剪強度與靜置時間的相關(guān)性分析圖，如圖3 所示。不同擾動程度下的欠固結(jié)土，不排水抗剪強度與靜置周期呈線性正相關(guān)關(guān)系。

2.2 擾動程度與觸變恢復(fù)強度比的關(guān)系

2.2.1 觸變恢復(fù)強度比計算公式

為進一步評價土樣在觸變性作用下其強度的相對恢復(fù)程度，定義某一時刻土樣的觸變恢復(fù)強度比Bt為：

式中：Su，0為原狀土的初始強度，kPa；Su，t為擾動后靜置t 時間對應(yīng)下的不排水抗剪強度，kPa；Su，rem為擾動后靜置時間為0 對應(yīng)下的重塑強度值，kPa。

Bt可以量化土樣在觸變過程中恢復(fù)的強度值占原狀樣在重塑過程中強度減小量的百分比，當Bt值為1 時，表示土體強度完全恢復(fù)至初始狀態(tài)下的原狀強度。

2.2.2 結(jié)果及分析

由表3 和式（2）得到同一種土在不同擾動程度下的觸變恢復(fù)強度比，如表4 所示。

表4 不同擾動程度的強度恢復(fù)試驗觸變恢復(fù)強度比Table 4 The thixotropic recovery strength ratio in strength recovery tests with different disturbance degree

由圖4 可知，同一種原狀土的擾動程度越大，相同的靜置時間下，觸變恢復(fù)強度比越小。究其原因，紊流狀結(jié)構(gòu)的土顆粒間存在聯(lián)結(jié)特征，受到擾動后，顆粒間膠結(jié)作用產(chǎn)生破壞，隨著靜置時間的增加，被破壞的結(jié)構(gòu)進而逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)，但強度的恢復(fù)值與擾動過程中強度的損失值不等，因此擾動程度越大，觸變恢復(fù)強度占比越小。相同的擾動程度下，觸變恢復(fù)強度均隨靜置時間的增加而增大，前期增長快，后期增長慢至趨于穩(wěn)定。擾動程度不同，土體的觸變恢復(fù)強度也不同，因此，對不同擾動程度土體的觸變恢復(fù)強度比與靜置時間的關(guān)系進行擬合，得到觸變恢復(fù)強度比與靜置時間的相關(guān)性分析圖，如圖5所示。不同擾動程度下的欠固結(jié)土，觸變恢復(fù)強度比與靜置周期呈線性正相關(guān)關(guān)系。

圖4 靜置時間與觸變恢復(fù)強度比的關(guān)系Fig.4 Relationship between standing time and thixotropic recovery strength ratio

圖5 靜置時間與觸變恢復(fù)強度比的相關(guān)性Fig.5 Correlation between standing time and thixotropic recovery strength ratio

2.3 強度恢復(fù)因子

為進一步評價土樣在擾動作用下強度的恢復(fù)程度，定義某一時刻的強度恢復(fù)程度Rt為：

由表3 和式（3）得到同一種土在不同擾動程度下的強度恢復(fù)程度，如表5 所示。

表5 不同擾動程度的強度恢復(fù)程度Table 5 Strength recovery degree of different disturbance degree

擾動程度不同，土體的強度恢復(fù)程度也不同，因此，對不同擾動程度土體的強度恢復(fù)程度與靜置時間的關(guān)系進行擬合，得到強度恢復(fù)程度與靜置時間的相關(guān)性分析圖，如圖6 所示。

同一種土在各擾動程度下強度恢復(fù)程度與靜置時間的關(guān)系式表達如式（4）所示：

式中：α、β 為參數(shù)。

結(jié)合圖6 與式（4）分析可知，參數(shù)β 越大，擾動程度對強度恢復(fù)程度的影響越小，β 越小，擾動程度對強度恢復(fù)程度的影響也越大，故認為參數(shù)β 與土樣擾動程度有相關(guān)性，定義為影響擾動程度參數(shù)；式中土樣的強度恢復(fù)程度與參數(shù)α 正相關(guān)，故定義參數(shù)α 為強度恢復(fù)因子。

3 結(jié)語

本文為研究欠固結(jié)土觸變性的變化規(guī)律及影響因素，依托大連長興島工業(yè)園區(qū)規(guī)劃航道淤泥處理工程，對該地區(qū)的淤泥質(zhì)土開展室內(nèi)模型試驗。采用室內(nèi)擊實錘擊實土樣的方法模擬土樣擾動程度，在不同擾動程度（擊實10 min、15 min、25 min）下對淤泥質(zhì)土進行落錐試驗，重點分析了在不同靜置時間（0 d、7 d、15 d、25 d、30 d）下土樣強度的恢復(fù)規(guī)律，得到強度恢復(fù)因子。

1）長興島淤泥質(zhì)土在不同擾動程度下，不排水抗剪強度、觸變恢復(fù)強度比、強度恢復(fù)程度均隨靜置時間的增加而逐漸增大；在相同靜置時間下，不排水抗剪強度、觸變恢復(fù)強度比、強度恢復(fù)程度均隨擾動程度的增加而逐漸減小。

2）在不同擾動程度下，強度恢復(fù)程度、觸變恢復(fù)強度比、不排水抗剪強度與靜置時間呈線性關(guān)系?；诓煌臄_動程度，針對強度恢復(fù)程度與靜置時間的關(guān)系表達式，得出長興島淤泥質(zhì)土的強度恢復(fù)因子。