长江口地区考虑次固结的围堤工后沉降计算

CHEN Hai-ying;ZHAO Zhong-yi

【摘 要】针对长江口软土地区围堤工程工后沉降量预留往往不准的问题,对该区域淤泥质黏土进行了一系列一维固结试验,研究该地区软土的固结、 次固结特性,探究该区域软土的压缩指数、 次固结系数及次固结系数与荷载的关系.试验结果表明:长江口地区软土压缩指数小于典型上海软土的压缩指数;该地区软土具有明显的次固结特征,淤泥质黏土的次固结系数在0.01～0.025;次固结系数随着荷载的增大先增大后减小.提出了该地区考虑次固结沉降的围堤工后沉降预测方法.试验所得结果及工后沉降预测方法对长江口软土地区的围堤工程工后沉降分析具有一定的指导意义. 【期刊名称】《水运工程》 【年(卷),期】2019(000)002 【总页数】6页(P112-117)

【关键词】淤泥质软土;次固结系数;压缩指数;沉降 【作 者】CHEN Hai-ying;ZHAO Zhong-yi 【作者单位】; 【正文语种】中 文

【中图分类】U656.3;TU447

在我国东南沿海经济发达地区，土地资源日益宝贵，海滨地区广泛分布着深厚软弱黏性土层(俗称涂滩)，围涂滩造地是沿海城市获得土地资源的主要途径。从地理位

置上看，我国沿海地带自北向南分布着大量深厚软土，长江口淤泥质软土地下水水位高、孔隙比大、压缩性高、承载力低，具有明显的次固结特性，且厚度大、埋藏深，有的厚达数十米[1]。围堤的预留工后沉降量一直是困扰设计单位和施工单位的难题，预留工后沉降量偏大，增加工程造价，造成不必要的浪费；预留工后沉降量偏小，竣工验收时堤顶高程达不到设计要求，影响围堤工程使用时抵抗风浪的能力，或者因重新增加堤顶高程造成更大的费用。而由于次固结沉降会在工程完工后持续很长时间，在工后沉降中所占的比例也会越来越大，所以，有必要进行次固结沉降研究。

土的固结过程指的是，在外力作用下，土体中孔隙水排出，有效应力增加的过程。当固结过程完成后，土体的沉降仍在继续，此时，在恒定荷载(有效应力)作用下，土粒骨架结构及土颗粒表面的吸附水膜蠕变引起的变形即为次固结沉降[2]。 国内外有很多学者针对不同地区的软土特性进行了相关的研究。Buisuman[3]通过试验发现软土沉降与时间有关，并提出了次固结系数的概念;Mesri[4]通过大量的软土试验，总结出了次固结系数与压缩指数比值范围；殷建华等[5-6]基于等效蠕变时间的概念，建立了一维弹黏塑性本构模型；国内部分学者研究了不同区域的软土，总结出了许多宝贵的经验及数据[7-13]。

本文通过对长江口某圈围工程北堤N9+800地基进行一维固结、次固结试验，分析该地区软土在不同荷载条件下的次固结特性，方便同类工程设计计算时使用，提出考虑次固结沉降的围堤工程后沉降预测方法，研究成果以期为实际工程后沉降预测提供参考。 1 试验概况 1.1 试验材料

试验所用土样取自长江口某圈围工程北堤N9+800坐标孔围堤下土层。各试验土样的基本物理性质指标见表1。

表1 物理性质指标土层编号土层名称厚度h∕m密度ρ∕(t·m-3)天然含水率ω∕%初始孔隙比e塑性指数IP液性指数IL压缩模量ES0.1-0.2∕MPa渗透系数kh∕(cm·s-1)kv∕(km·s-1)①1t层淤泥质粉质黏土夹砂

2.51.7834.970.99013.01.603.27.0×10-55.0×10-5②3t层淤泥质粉质黏土夹砂2.61.7836.641.01012.51.653.08.0×10-61.0×10-5②3-1层粉砂2.21.8827.400.8778.11.5×10-39.0×10-4③层淤泥质粉质黏土2.91.7640.901.28715.71.392.43.0×10-61.0×10-6④层淤泥质黏土16.71.7050.701.44020.41.182.25.0×10-72.5×10-7⑤1层粉质黏土4.91.7837.601.09021.10.912.13.0×10-65.0×10-7 1.2 试验方案

试验在GJZ-2型中压固结仪上进行，环刀尺寸为高2 cm、横截面积30 cm2，每筒土切取多个试样进行试验。加荷方式为分级加载，试样采用双面排水。试验分为A、B、C共3组：A组为固结试验，B组为围堤荷载下次固结试验，C组为不同荷载下次固结试验。具体加载方案见表2。

表2 加载方案组别加载方式说明A0→12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→1600 kPa每级荷载下加载12 hB0→12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa每级荷载加载12 h,最后一级荷载加载7 d,精读过程量C0→12.5 kPa→25 kPa→50 kPa→100 kPa→200 kPa→400 kPa→800 kPa→1600 kPa每级荷载加载12 h,50 kPa后,每级荷载加载7 d,精读过程量 2 试验结果 2.1 固结试验分析

对北堤N9+800钻孔各个土层土样进行固结试验，得到不同土层的固结试验曲线，用e-lgp曲线整理得荷载与孔隙比关系，如图1所示，该曲线表示了长江口软土

在荷载作用下的固结变形过程。

图1 不同土层固结试验曲线

由图1可以得到各个土层的压缩指数CC，其值为e-lgp曲线后半段的斜率。各土层压缩指数CC分别为：①1t层为0.237，②3t层为0.183，②3-1层为0.084，③层为0.353，④层为0.445，⑤1层为0.315。土的压缩性越高，其所得压缩指数越大。试验所得③层淤泥质粉质黏土的压缩指数远小于文献[10]所得上海典型软土试样A的压缩指数0.616，可见，长江口软土与上海软土存在一定差异。 2.2 次固结试验分析

为研究长江口软土在围堤附加应力作用下的次固结沉降，对北堤N9+800孔下①1t层、②3t层、③层、④层、⑤1层5个软黏土层进行次固结试验，采用方案B，用e-lgp关系整理，见图2。

图2 不同土层次固结试验曲线

图2曲线反映了不同土层原状土样在围堤附加应力作用下的单向次固结压缩过程。由图2可以明显看出，土样在前半段时间压缩较快，此阶段主要为主固结沉降。当主固结完成后，土样压缩速度减慢，并逐渐趋于稳定，通常将该阶段的沉降变形

归结为次固结沉降。除①1t层和②3t层因夹有砂层导致曲线主次固结阶段不明显外，其余各层主次固结阶段均较为明显。随着时间的增长，曲线后半段趋于直线段，该段斜率即为次固结系数Ca，本文采用式(1)计算次固结系数： (1)

式中：e1为t1时刻对应的孔隙比；e2为t2时刻对应的孔隙比；t1为主固结完成时刻；t2为压缩量计算时刻。

由图2曲线及式(1)可得袋装砂围堤荷载作用下，各层软土的次固结系数Ca分别为：①1t层Ca为0.009 6，②3t层Ca为0.007 0，③层Ca为0.011 6，④层Ca为0.021 0，⑤1层Ca为0.014 8。 2.3 荷载对次固结系数变化的影响

C组试验以长江口软土中具有代表性的④层淤泥质黏土为试验土样，取18.5 m和22.5 m两个深度的土样分别进行试验。试验结果见图3。

图3 不同荷载下两个深度土样的次固结试验曲线

由图3可见，荷载为50 kPa和100 kPa时，曲线主次固结阶段区分不是很明显，而当荷载达到200～400 kPa时，曲线主次固结阶段较为明显。可见，应力历史对长江口原状软土存在一定影响。

由图3试验曲线可以计算出不同荷载下土样的次固结系数值，如图4所示。试验所得④层淤泥质黏土的次固结系数值大于文献[10]所得19～20 m深度典型④层上海软土的次固结系数值0.013，亦可见，长江口软土性质与典型上海软土性质存在一定差异。且两土样试验所得次固结系数值及其变化趋势均较为接近，即同一土层不同深度的土具有相近的次固结特性。 图4 不同荷载下土样的次固结系数

由图4可知，次固结系数与荷载有关，且随着荷载的增大先增大后减小最后趋于稳定。随着荷载的增大，土体颗粒间的胶结作用逐渐减小，阻碍次固结变形的能力减弱，次固结系数增大。当荷载过大导致土体结构发生破坏后，次固结系数逐渐减小，最终趋于稳定。

国内外已有一些学者针对次固结系数与荷载之间的关系进行试验研究，并总结出了相应的结论。文献[16]通过试验指出，土体的次固结变形并非是在主固结完成后产生，而是在施加荷载后立即产生；文献[11]通过天津滨海原状土及重塑土的试验，认为次固结系数差值与结构强度成线性关系；文献[9]通过上海重塑饱和软土的固结试验，认为应力历史对土的次固结特性有很大影响，土的次固结系数与荷载的增量比有关；文献[13]通过汕汾高速原状软土固结试验，认为软土的次固结系数不仅与时间有关，还与荷载有关。本文所得结论与文献[13]一致。同时，当荷载在200 kPa时，次固结系数出现最大值，此时荷载在先期固结压力附近。由此可见，当荷载在先期固结压力附近时，次固结系数最大。 3 工程沉降分析

本文以长江口某圈围工程北堤N9+800孔为例，对围堤进行沉降计算及预测。文献[2]基于一维弹黏塑性模型，对主次固结同时发生的情况进行分析，并将复杂的耦合方程简化，但是该方法中的主固结完成时间为实验室条件下的1 d，在实际工程中，并不适用。本文采用改进的一维弹黏塑性模型计算及预测任意时间点的沉降计算公式： (2)

式中：S为某一层土的累计沉降量；U为该层土的固结度；Sf为主固结总沉降量；Ca为土的次固结系数；t0为工程中某一层土的实际主固结完成时间；H为土的厚度。

现场监测数据见表3，413 d现场实测累计沉降量为902mm。通过试验所得次固结系数及根据提出的改进一维计算方法计算的沉降见表4。

表3 现场监测沉降值日期监测时间∕d累积沉降量∕mm2016-12-2902017-01-069902017-01-24272712017-02-24584162017-03-25875612017-04-241176272017-05-221456842017-08-302458252017-10-253018542017-12-063438722018-01-033718852018-02-14413902

表4 主固结沉降值土层厚度∕m413 d累计沉降量∕mm1 000 d累计沉降量∕mm①1层3.567.967.9①1t层2.5115.6119.9②3t层2.699.0102.3②3-1层

2.220.320.3③层2.9178.1183.6④层16.7322.1504.9⑤1层4.9152.5164.4总计35.3955.51 163.3

由表4可知，413 d总沉降量为955.5 mm，沉降计算的误差为5.9%，其中次固结沉降为58.8 mm，占总沉降量的6.5%。本文采用的公式预测1 000 d的沉降为1 163.3 mm，其中次固结沉降量为93.2 mm，占总沉降量8%，次固结沉降所占比重随时间增长呈增大趋势，且其在工后几年甚至几十年会持续发生，所以在计算工后沉降时，必须考虑次固结沉降。 4 结论

1)对长江口某圈围工程袋装砂围堤N9+800孔各层软土进行了固结、次固结试验，得出了长江口各层软土的压缩指数、次固结系数值等相关参数。

2)长江口软土的压缩指数与次固结系数与典型上海软土的压缩指数及次固结系数存在一定差异。

3)荷载对原状软土的次固结系数影响较大，且随着荷载增大，次固结系数先增大后减小，最后趋于稳定。当荷载达到先期固结压力附近时，次固结系数达到最大值。 4)通过试验所得次固结系数及改进公式进行的沉降计算与现场监测数据基本一致。所得次固结系数及预测公式可做为后期工程参考依据。

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