吹填超軟土淺層真空預(yù)壓加固處理前后的固結(jié)特性
超軟土固結(jié)特性在吹填土地基處理設(shè)計中至關(guān)重要，針對“淺層真空預(yù)壓加固處理”前后的超軟土開展室內(nèi)分級加載固結(jié)試驗，研究了不同狀態(tài)、不同方向下超軟土的固結(jié)特性以及固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)荷載的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明，超軟土在低應(yīng)力水平下，固結(jié)系數(shù)維持在一個較低的水平；隨著固結(jié)壓力的增加，固結(jié)系數(shù)雖有所增加，但增量比逐漸減�。慌c正常沉積土不同，超軟土的徑向與豎向結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的比值明顯大于正常沉積土；當(dāng)固結(jié)壓力超過結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，超軟土的徑向固結(jié)系數(shù)與豎向固結(jié)系數(shù)相差不大，這一特點與正常沉積土有較大的差別。
隨著天津濱海地區(qū)的快速發(fā)展，對土地的需求量越來越大，僅天津港一處的陸域面積從10 a前的40平方公里到2012年已達到121平方公里，加上正在規(guī)劃中的東疆二島，幾年后天津港陸域面積將達到200平方公里以上。為了實現(xiàn)大面積陸域的增加，吹填造陸已成為城市開發(fā)土地資源的重大舉措。由于對海洋環(huán)境保護的要求日益嚴(yán)格，吹填場地主要利用周邊港池和航道疏浚土料吹填完成，這些土料的顆粒較細(xì)，又由于吹填過程中水力分選的作用，會形成一定厚度的超軟土；超軟土主要指含水率較高的流泥(85%<w<150%)和浮泥(w>150%)。這層超軟土常常由于建設(shè)工期緊迫來不及自然排水固結(jié)，含水率較高，強度極低，對后續(xù)的施工造成了極大的困難。施工現(xiàn)場常采用“淺層超軟土加固+深層真空預(yù)壓”的二次處理方案來處理超軟土地基，其中“淺層超軟土加固”(以下簡稱“淺層加固處理”)是為了使場地表層具有一定的承載力，從而滿足后續(xù)施工對場地的要求。因此對“淺層加固”處理前后的超軟土的固結(jié)特性進行研究具有顯著的實用價值。
國內(nèi)外學(xué)者對超軟土的固結(jié)特性進行了相應(yīng)的研究。Weber曾在1969年報道了建于超軟土地基上的堤壩在固結(jié)期間壓縮層厚度減少了80%，這顯然不能夠滿足傳統(tǒng)固結(jié)理論中固結(jié)系數(shù)恒定的基本假定。隨后，Duncan又指出，固結(jié)系數(shù)的不確定性使得傳統(tǒng)固結(jié)理論在土體變形計算中受到限制。Mikasa和Gibson等將傳統(tǒng)的固結(jié)理論推廣到了大變形固結(jié)理論。Bo等又提出了利用基本的物性指標(biāo)來計算超軟土沉降量的經(jīng)驗公式。朱耀庭等、文海家等基于室內(nèi)試驗重點研究了超軟土的固結(jié)系數(shù)及排水固結(jié)機理等固結(jié)特性。張明等對深圳灣吹填超軟土的固結(jié)系數(shù)進行了統(tǒng)計分析，提出了固結(jié)系數(shù)的估算方法。前人對超軟土的研究主要集中在建立能夠估算超軟土沉降量的經(jīng)驗公式；對于能夠直接反應(yīng)超軟土排水加固速率的固結(jié)系數(shù)尤其是其在低應(yīng)力水平(0～20kPa)下的變化特點的研究相對較少；另外，對“淺層加固處理”后的超軟土的固結(jié)特性方面的研究也很少見于報端。
本文結(jié)合天津臨港工業(yè)區(qū)吹填場地，考慮真空預(yù)壓法地基加固方法中徑向排水固結(jié)占重要地位，開展“淺層加固處理”后吹填土的豎向和徑向固結(jié)特性分析，同時探討超軟土固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)荷載的變化規(guī)律。
1、試驗簡介
1.1、工程背景
天津濱海新區(qū)臨港工業(yè)區(qū)吹填土層厚度在4.5～5.2 m之間，吹填土料主要來自于附近港池和航道的疏浚淤泥，吹填完成后場地表層大約有0.8 m深的超軟土，含水率在85%～125%之間。吹填完成后即進行“淺層加固處理”，具體做法是人工插設(shè)4.5 m深塑料排水板作為豎向排水體，表層直接鋪設(shè)一層無紡?fù)凉げ即嫔皦|層作為水平排水通道, 同時增加了排水板頭與濾管之間的綁扎連接，并維持膜下真空度為60 kPa，真空預(yù)壓時間為45 d。
1.2、試驗儀器
常規(guī)的WG型高壓單杠桿固結(jié)儀能夠施加的最小一級固結(jié)荷載為12.5 kPa，在這一固結(jié)壓力作用下流泥狀的超軟土容易壓出；本次試驗在原有的WG 型高壓單杠桿固結(jié)儀基礎(chǔ)上進行了相應(yīng)的改裝，整套設(shè)備主要包括試樣盒、砝碼、千分表及與其配套的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠自動采集試驗數(shù)據(jù)，具體見圖1。改裝后的固結(jié)儀能夠?qū)υ嚇邮┘拥淖钚」探Y(jié)壓力為2 kPa，最大固結(jié)壓力為20 kPa。
圖1 改裝后的低壓固結(jié)儀
1.3、現(xiàn)場取樣、制樣方法及加荷方案
本次試驗所用土樣取自于“淺層加固處理”完成后的臨港工業(yè)區(qū)吹填場地和相鄰的輕紡城經(jīng)濟區(qū)的正常沉積場地，土質(zhì)均勻，取樣深度范圍內(nèi)未見明顯分層。由于取樣場地土質(zhì)松軟，觸變性較大，故采用薄壁取土器來減小鉆探對其結(jié)構(gòu)性的擾動。
為了研究超軟土與一般重塑土固結(jié)特性的區(qū)別，將臨港工業(yè)區(qū)原狀土烘干粉碎后過2 mm 篩去除貝殼等雜物，配置成含水率為45.53%，56.14%的2 種吹填重塑土和含水率為86.83%，103.83%和123.85%的3種超軟土，提前1 d 預(yù)制后待用。
本次試驗采用“橫向制樣法”來獲取徑向固結(jié)系數(shù)Cr，具體做法是將土樣橫向切樣，即垂直于土體正常沉積固結(jié)方向制樣。為了制備與兩種不同場地原狀土具有相同含水率和密度的重塑土，取適量原狀土放入橡皮膜內(nèi)，反復(fù)擠壓以破壞其原有的結(jié)構(gòu)性，根據(jù)環(huán)刀的體積(60 cm3)和原狀土的密度稱取一定量的土樣，利用壓樣器制備試樣。試樣編號和物性指標(biāo)如表1 所示。
表1 土樣編號及其物性指標(biāo)
低壓階段(0～20 kPa)采用改裝后的固結(jié)儀，其中含水率為103.83%和123.85%的試樣加荷序列為2，4，6，10，18 kPa，共5 級荷載，而其他含水率的試樣的加荷序列為3，5，10，15 kPa，共4 級荷載。試樣高度為2 cm，試樣面積為30 cm2，雙面排水固結(jié)，每級荷載的作用時間為72 h，穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為0.001 mm/h。當(dāng)試樣在低壓固結(jié)儀上達到最大一級固結(jié)荷載穩(wěn)定后將試樣卸載后移至常規(guī)的WG 型高壓單杠桿固結(jié)儀上，在低壓階段的最大一級固結(jié)壓力作用下再次固結(jié)達到穩(wěn)定，以消除卸荷回彈對試樣變形的影響，每級固結(jié)荷載作用下的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)同低壓階段。
4、結(jié)論
針對“淺層加固處理”前后的超軟土進行了分級加載固結(jié)試驗，得到了如下3 點結(jié)論。
(1)較小的固結(jié)壓力能夠引起超軟土大幅度的固結(jié)沉降。超軟土在真空預(yù)壓工況下所受到的固結(jié)應(yīng)力狀態(tài)不同于正常沉積土，因此導(dǎo)致經(jīng)過“淺層加固處理”后的超軟土的徑向結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力與豎向結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力的比值明顯大于正常沉積土。
(2)在低應(yīng)力水平作用下，超軟土的固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力的增加并沒有較大的變化；當(dāng)固結(jié)壓力較大時，隨著固結(jié)壓力的增加，固結(jié)系數(shù)有所增加，但增量比卻逐漸減小。
(3)經(jīng)過“淺層加固處理”后的超軟土的固結(jié)系數(shù)隨著固結(jié)壓力的變化趨勢和正常沉積土大體一致，“淺層加固處理”后的超軟土的固結(jié)系數(shù)較同等固結(jié)壓力作用下超軟土要大的多，當(dāng)固結(jié)壓力超過結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時，徑向固結(jié)系數(shù)與豎向固結(jié)系數(shù)相差不大，這一特點與正常沉積土有較大的差別。
