在中国七大江河中,淮河的平原比重、人口密度、受洪水威胁的面积居于首位[1],为了增强淮河干流的排水防洪能力,河道疏浚是一种常用且有效的措施[2],河道疏浚泥经常采用堆场存储的方式进行处置[3]。淮河干流香庙—浮山段(简称淮干香浮段)地处淮河中游,河道底泥以粉质土为主,同时含有粉(细)砂和黏土薄层[4]。该河段疏浚工程排泥量大,堆场处置需要征用耕地约330 hm2。堆场吹填过程中,由于水力作用,疏浚泥从进水口到退水口发生颗粒分选,堆场退水口附近的疏浚泥细颗粒含量多、渗透性能差、固结缓慢,即使经过几年的自然沉积晾晒,人员仍难以进场,不能满足还耕的承载力要求[5-7]。实际工程中常采用排水固结方法以快速提高退水口区域疏浚泥承载力,满足还耕要求[3, 8],固结度是施工控制的重要指标之一[9]。固结度可以通过超静孔压和变形两种方法确定,Robinson[10]基于太沙基固结理论,给出了Use-Uub的唯一关系理论线(Use为基于变形-时间曲线得到的土层平均固结度,Uub为基于底部超静孔压消散得到的对应于土层底部位置的固结度),理论线显示,Uub大于35%时,Use与Uub呈线性相关。但Zeng等[11]通过试验研究发现,Use与Uub之间理论上的唯一关系不成立,其本质原因在于两种方法得出的主固结完成时间不同。
笔者利用能测量试样底部超静孔压的改进型固结仪,对淮河干流香浮段吹填堆场的细颗粒区疏浚泥进行一维固结试验,测试试样底部超静孔压和土体变形随固结时间的变化,研究孔压固结度与变形固结度的差异程度,为淮河干流疏浚泥吹填堆场的排水固结处理技术提供参考。
试验土样取自安徽省蚌埠市五河县的淮河干流蚌埠—浮山段行洪区调整工程香庙—浮山段疏浚施工现场,在距堆场退水口不同距离的两个地点进行取样,分别称为吹填土A和B,土样的基本物理性质如表 1所示,其中,液限用碟式液限仪测得,塑限用搓条法测得,颗粒级配用密度计法测得。图 1为试验土样塑性图,吹填土A和B都位于A线之上,均为黏土。
河道疏浚泥自重沉积完成后的含水率通常高于液限,处于流动状态。为了模拟疏浚泥固结初始状态,两种吹填土试样的初始含水率配制为1.4倍液限左右,分别为58.5%和79.8%。由于试样处于流动状态,需要控制固结试验中的第1级荷载,否则将产生挤土,导致试验失真[12]。采用Hong等[13]研发的低应力起始固结仪,第1级压力从0.5 kPa开始,其后各级压力依次是1、2、4、8、12.5、25、50、100、200、400、800、1 600 kPa。试验中所用环刀直径为61.8 mm,高度为40 mm,采用顶部单面排水,试样底部通过三通阀与水头管和孔压传感器相连,测量试验过程中土样的底部超静孔压。
图 2为典型的底部超静孔压随固结时间的变化曲线。由图 2可见,在荷载施加的起始阶段,底部超静孔压随固结时间增加而增大,达到峰值后逐渐消散,峰值小于外加荷载。已有研究将这种现象归结于孔压测量系统刚度不足导致的“延迟效应”[14-16]。当超静孔压达到峰值后,这种“延迟效应”的影响可以忽略不计[14-15]。此外,随着竖向荷载的逐渐增大,超静孔压随固结时间变化曲线的形状变得越来越“陡峭”,说明随着竖向应力的增大,尽管土样的孔隙比和渗透系数逐渐减小,但超静孔压的消散速度逐渐增大。
Taylor法(时间平方根法)和Casagrande法(时间对数法)是经典的变形-时间曲线固结度确定方法,已有研究表明,用两种方法确定的固结度随荷载的变化规律一致[16]。笔者采用Casagrande法分析变形固结度,与用孔压消散法得到的固结度变化规律进行对比分析。
基于Casagrande法得到的试样平均固结度Usc和基于超静孔压得到的试样底部固结度Uub定义为
式中:dt和ubt分别为对应时间t的沉降和底部超静孔压;Δstpc为用Casagrande法得到的主固结沉降量;Δσv为荷载增量。
图 3为吹填土样不同荷载下的典型Usc-Uub变化曲线。由于“延迟效应”的存在,图中只列出超静孔压达到峰值以后的结果。如图 3所示,按Casagrande法判断主固结完成时,基于超静孔压得到的试样底部位置固结度Uub小于100%,这表明,基于太沙基固结理论的变形固结度达到100%时,超静孔压的消散没有完成。从图 3还可以看出,不同荷载下的Usc与Uub的关系不唯一,显示了两个特征:一是变形随超静孔压的变化关系是非线性的,二是基于变形-时间曲线和超静孔压得到的主固结完成时间不同,该结果与Zeng等[11]的结论一致。
图 4为吹填土样分别基于Casagrande法和超静孔压得到的主固结完成时间tpc和tpu随荷载的变化规律。随着荷载的增大,同一种土的tpc呈明显的减小趋势,而tpu则呈明显的增大趋势,也就是基于变形-时间曲线确定的固结度变化规律与基于超静孔压消散法确定的固结度变化规律相反,Zeng等[16]的研究结果也给出了这样的结论。
为了研究两种方法得出的淮干香浮段疏浚泥固结度的差异程度,分别对Casagrande法判断主固结完成时的残余孔压固结度Dutpc和用两种方法确定的主固结沉降差异程度Mscu进行分析。
Casagrande法判断主固结完成时,残余孔压固结度Dutpc为
式中:ubtpc为用Casagrande法判断主固结完成时对应的底部残余超静孔压。
图 5为吹填土样Dutpc随荷载的变化规律。由图 5可见,随着荷载的变化,两种吹填土的Dutpc并未呈现出明显的递增或递减趋势,基本在10%~20%范围内变化。
两种方法确定的主固结沉降差异程度Mscu定义为
式中:Δstpc、Δstpu分别为基于Casagrande法和超静孔压消散法得到的主固结沉降量。
图 6为吹填土样Mscu随荷载的变化规律。随着荷载的增大,Mscu呈增大趋势,说明采用Casagrande法得到的主固结沉降量与基于超静孔压消散法得到的主固结沉降量的差异程度随荷载的增加而增大。
由图 5、图 6可知,按Casagrande法判断主固结完成后的次固结沉降中,相当部分是由残余超静孔压消散引起的主固结沉降,与次固结有本质上的区别。实际工程中,经常采用变形-时间曲线基于太沙基固结理论(如Casagrande法和Taylor法)确定固结度,按照这样确定的固结度进行施工控制偏于危险,高估了固结度,低估了变形和强度。
实际排水固结工程中,经常通过变形(沉降)-时间曲线确定土体的固结度。由试验结果分析可知,基于变形-时间曲线判断主固结完成时,土体中超静孔压消散没有完成,从而高估了固结度,低估了沉降变形,按照这样确定的固结度进行施工控制偏于危险。
图 6的试验结果显示,两种疏浚泥的主固结沉降差异程度Mscu与外加荷载的关系线基本一致,Mscu随竖向荷载σv的变化可以用经验关系式(5)表示。
式中:Mscu的单位为%;σv单位为kPa。
若采用打设竖向排水板施加真空荷载处理加固退水口疏浚泥,真空预压荷载大小通常为90 kPa左右,假定静止土压力系数为0.5,且不考虑固结过程剪应力的影响,竖向荷载等效为135 kPa,由式(5)可知,采用Casagrande法和超静孔压消散法确定的主固结沉降差异程度约为8.1%,随着荷载的增大(如真空联合堆载),差异程度必将进一步扩大。
基于对已有的变形-时间曲线(Casagrande法)和超静孔压消散法得出的两种固结度之间关系的认识,针对淮干香浮段吹填现场细颗粒区两种疏浚泥进行了能够测试试样底部超静孔压的一维固结压缩试验,得出如下主要结论:
1) 采用变形-时间曲线(Casagrande法)和超静孔压消散法得到的两种固结度不存在传统理论的唯一关系,两者差异明显,与Zeng等[11]的研究结果一致。
2) 按Casagrande法判断主固结完成时,淮干香浮段疏浚泥的残余孔压固结度分布在10%~20%范围内。
3) 明确了两种方法确定的淮干香浮段疏浚泥主固结沉降差异程度随荷载增加的半对数线性变化规律,分析了采用真空预压方法处理淮干香浮段疏浚泥时两种方法确定的主固结沉降差异程度约为8.1%。