吹填超軟土淺層真空預壓加固處理前后的固結特性
超軟土固結特性在吹填土地基處理設計中至關(guān)重要，針對“淺層真空預壓加固處理”前后的超軟土開(kāi)展室內分級加載固結試驗，研究了不同狀態(tài)、不同方向下超軟土的固結特性以及固結系數隨固結荷載的變化規律。試驗結果表明，超軟土在低應力水平下，固結系數維持在一個(gè)較低的水平；隨著(zhù)固結壓力的增加，固結系數雖有所增加，但增量比逐漸減��；與正常沉積土不同，超軟土的徑向與豎向結構屈服應力的比值明顯大于正常沉積土；當固結壓力超過(guò)結構屈服應力時(shí)，超軟土的徑向固結系數與豎向固結系數相差不大，這一特點(diǎn)與正常沉積土有較大的差別。
隨著(zhù)天津濱海地區的快速發(fā)展，對土地的需求量越來(lái)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(shí)現大面積陸域的增加，吹填造陸已成為城市開(kāi)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格，吹填場(chǎng)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，又由于吹填過(guò)程中水力分選的作用，會(huì )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工期緊迫來(lái)不及自然排水固結，含水率較高，強度極低，對后續的施工造成了極大的困難。施工現場(chǎng)常采用“淺層超軟土加固+深層真空預壓”的二次處理方案來(lái)處理超軟土地基，其中“淺層超軟土加固”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“淺層加固處理”)是為了使場(chǎng)地表層具有一定的承載力，從而滿(mǎn)足后續施工對場(chǎng)地的要求。因此對“淺層加固”處理前后的超軟土的固結特性進(jìn)行研究具有顯著(zhù)的實(shí)用價(jià)值。
國內外學(xué)者對超軟土的固結特性進(jìn)行了相應的研究。Weber曾在1969年報道了建于超軟土地基上的堤壩在固結期間壓縮層厚度減少了80%，這顯然不能夠滿(mǎn)足傳統固結理論中固結系數恒定的基本假定。隨后，Duncan又指出，固結系數的不確定性使得傳統固結理論在土體變形計算中受到限制。Mikasa和Gibson等將傳統的固結理論推廣到了大變形固結理論。Bo等又提出了利用基本的物性指標來(lái)計算超軟土沉降量的經(jīng)驗公式。朱耀庭等、文海家等基于室內試驗重點(diǎn)研究了超軟土的固結系數及排水固結機理等固結特性。張明等對深圳灣吹填超軟土的固結系數進(jìn)行了統計分析，提出了固結系數的估算方法。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；對于能夠直接反應超軟土排水加固速率的固結系數尤其是其在低應力水平(0～20kPa)下的變化特點(diǎn)的研究相對較少；另外，對“淺層加固處理”后的超軟土的固結特性方面的研究也很少見(jiàn)于報端。
本文結合天津臨港工業(yè)區吹填場(chǎng)地，考慮真空預壓法地基加固方法中徑向排水固結占重要地位，開(kāi)展“淺層加固處理”后吹填土的豎向和徑向固結特性分析，同時(shí)探討超軟土固結系數隨固結荷載的變化規律。
1、試驗簡(jiǎn)介
1.1、工程背景
天津濱海新區臨港工業(yè)區吹填土層厚度在4.5～5.2 m之間，吹填土料主要來(lái)自于附近港池和航道的疏浚淤泥，吹填完成后場(chǎng)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(jìn)行“淺層加固處理”，具體做法是人工插設4.5 m深塑料排水板作為豎向排水體，表層直接鋪設一層無(wú)紡土工布代替砂墊層作為水平排水通道, 同時(shí)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，真空預壓時(shí)間為45 d。
1.2、試驗儀器
常規的WG型高壓?jiǎn)胃軛U固結儀能夠施加的最小一級固結荷載為12.5 kPa，在這一固結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?jiǎn)胃軛U固結儀基礎上進(jìn)行了相應的改裝，整套設備主要包括試樣盒、砝碼、千分表及與其配套的數據采集系統，能夠自動(dòng)采集試驗數據，具體見(jiàn)圖1。改裝后的固結儀能夠對試樣施加的最小固結壓力為2 kPa，最大固結壓力為20 kPa。
圖1 改裝后的低壓固結儀
1.3、現場(chǎng)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)區吹填場(chǎng)地和相鄰的輕紡城經(jīng)濟區的正常沉積場(chǎng)地，土質(zhì)均勻，取樣深度范圍內未見(jiàn)明顯分層。由于取樣場(chǎng)地土質(zhì)松軟，觸變性較大，故采用薄壁取土器來(lái)減小鉆探對其結構性的擾動(dòng)。
為了研究超軟土與一般重塑土固結特性的區別，將臨港工業(yè)區原狀土烘干粉碎后過(guò)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 預制后待用。
本次試驗采用“橫向制樣法”來(lái)獲取徑向固結系數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方向制樣。為了制備與兩種不同場(chǎng)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，反復擠壓以破壞其原有的結構性，根據環(huán)刀的體積(60 cm3)和原狀土的密度稱(chēng)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如表1 所示。
表1 土樣編號及其物性指標
低壓階段(0～20 kPa)采用改裝后的固結儀，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，每級荷載的作用時(shí)間為72 h，穩定標準為0.001 mm/h。當試樣在低壓固結儀上達到最大一級固結荷載穩定后將試樣卸載后移至常規的WG 型高壓?jiǎn)胃軛U固結儀上，在低壓階段的最大一級固結壓力作用下再次固結達到穩定，以消除卸荷回彈對試樣變形的影響，每級固結荷載作用下的穩定標準同低壓階段。
4、結論
針對“淺層加固處理”前后的超軟土進(jìn)行了分級加載固結試驗，得到了如下3 點(diǎn)結論。
(1)較小的固結壓力能夠引起超軟土大幅度的固結沉降。超軟土在真空預壓工況下所受到的固結應力狀態(tài)不同于正常沉積土，因此導致經(jīng)過(guò)“淺層加固處理”后的超軟土的徑向結構屈服應力與豎向結構屈服應力的比值明顯大于正常沉積土。
(2)在低應力水平作用下，超軟土的固結系數隨固結壓力的增加并沒(méi)有較大的變化；當固結壓力較大時(shí)，隨著(zhù)固結壓力的增加，固結系數有所增加，但增量比卻逐漸減小。
(3)經(jīng)過(guò)“淺層加固處理”后的超軟土的固結系數隨著(zhù)固結壓力的變化趨勢和正常沉積土大體一致，“淺層加固處理”后的超軟土的固結系數較同等固結壓力作用下超軟土要大的多，當固結壓力超過(guò)結構屈服應力時(shí)，徑向固結系數與豎向固結系數相差不大，這一特點(diǎn)與正常沉積土有較大的差別。
