深圳湾吹填淤泥非线性压缩性及参数测定

张明^{1, 3}，王威²，赵有明³，刘国楠³

(1. 河南工程学院 土木工程学院，河南 郑州， 451191；

2. 北京工业大学 抗震减灾研究所，北京，100124；

3. 中国铁道科学研究院，北京，100081)

摘要：采用GDS固结试验系统对深圳湾吹填淤泥进行分级加载固结试验，对3种孔隙比与有效应力之间的非线性关系进行回归拟合，获取相应的拟合参数。结果表明：在6~400 kPa的固结压力下，吹填淤泥的压缩系数、体积压缩系数、压缩模量随孔隙比的减小呈现非线性变化，变化幅度达数十倍；压缩指数随孔隙比的减小而非线性减小，减小近1倍；在较小的第1级固结压力下吹填淤泥的压缩应变高达24.44%，占整个固结压力范围内累计压缩应变的一半以上； 3种孔隙比与有效应力之间的非线性压缩关系对于深圳湾吹填淤泥都是适用的，其中孔隙比与有效应力之间的幂函数关系形式简单，拟合效果最好，适用性较强，可应用于吹填淤泥等超软土非线性与大变形固结性状数值分析与压缩特性研究。

关键词：吹填淤泥；GDS固结试验系统；非线性压缩性；幂函数

中图分类号：TU447          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)10-3596-06

Laboratory determination of nonlinear compressibility and parameters of dredged fill in Shenzhen bay

ZHANG Ming^{1, 3}, WANG Wei², ZHAO Youming³, LIU Guonan³

(1. Institute of Civil Engineering, Henan Institute of Engineering, Zhengzhou 451191, China;

2. Institute of Earthquake Resistance and Disaster Reduction, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

3. China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Abstract: Incrementally-loaded consolidation tests were performed on dredged fill in Shenzhen Bay by GDS consolidation test system. Regression fitting analyses on three kinds of nonlinear relationships of void ratio-effective stress for soft soil were performed, and some fitting parameters were also obtained. The obtained results show that:After a certain consolidation pressure between 6 kPa and 400 kPa, with the decrease of void ratio, a nonlinear variation in compression coefficient, volume compression coefficient and compression modulus of dredged fill is shown，which varies several tens of times of magnitude. A nonlinear decrease in compression index of dredged fill is also shown, which decreases one twice with the decrease of the void ratio. Compression strain of dredged fill is as high as 24.44% under the first stage of small consolidation pressure, which is half of that compression strain at the entire consolidation pressure. Three kinds of nonlinear function relationships of void ratio-effective stress for soft soil are conformable with dredged fill in Shenzhen Bay. Because of the characteristics by a simple form, good applicability and best fitting，the power function relationship of void ratio-effective stress can be used in the study on compression characteristics and the numerical analysis on nonlinear and finite-strain consolidation behaviors of ultra-soft soil such as dredged fill.

Key words: dredged fill; GDS consolidation system; nonlinear compressibility; power function

软黏土固结过程中孔隙比随有效应力的增加而非线性减小，并不是传统太沙基固结理论假定的线性减少，即压缩系数为常量。针对软黏土孔隙比与有效应力之间的非线性关系，国内外学者已开展了大量研究工作^[1-5]，通过对不同类型软黏土进行试验，提出了几种非线性压缩关系。但已有试验结果表明，没有一种e-σ′非线性关系适合于所有软黏土，因此，有必要借助先进固结试验仪测定特定软黏土的压缩参数，结合各种非线性压缩关系确定相应参数。齐添等^[7]基于孔隙比与有效应力及孔隙比与渗透系数之间线性化的e-lgσ′和e-lgk经验关系，建立了一维非线性固结控制方程，利用GDS固结试验系统对初始含水质量分数为50.22%及37.90%~46.67%的萧山原状软黏土分别进行了正常固结土、超固结土的一维固结渗透联合试验，测定了一维非线性固结计算参数。陈国红等^[8]也利用GDS固结试验系统对初始含水质量分数为37.90%~ 46.67%的萧山原状软黏土进行了一维固结渗透联合试验，确定了超固结土固结控制方程的一维线性固结计算参数。上述试验研究大多数针对初始含水质量分数为50%以内的软黏土，普遍假定软黏土符合e-lgσ′线性关系，得到相应的非线性固结计算参数。但是，大量试验研究表明^[9-11]，对于某些天然结构性高含水量软黏土，当土体孔隙比变化较大时，e-lgσ′压缩曲线是非线性的，直线的斜率在整个压力范围内不为常数。近20年来，随着沿海港口和工业建筑等工程建设的快速发展，用地需求急剧增加，为寻求更大的发展空间，沿海城市把目光瞄向沿海滩涂或浅海区域，普遍开展了大规模的围海吹填造陆工程。用于吹填造陆的吹填淤泥，属重塑土，含水质量分数最高达130%，具有高压缩性、低渗透性等特点，固结过程中孔隙比与有效应力之间呈现明显的非线性关系，表现出与一般软黏土不同的压缩特性，很难利用常规固结试验仪测定压缩参数及研究压缩特性。迄今为止，对于含水质量分数大于100%的超软土，如吹填淤泥的压缩参数测定及非线性压缩特性研究并不多见。本文利用GDS固结试验系统对深圳湾吹填淤泥进行了固结渗透试验，对吹填淤泥的压缩特性进行了研究，获得了几种非线性压缩关系的拟合参数，为吹填淤泥等超软土压缩非线性参数测定提供了一种良好的试验方法，同时为其大变形固结性状数值分析参数选取提供理论基础。

1  吹填淤泥的GDS固结试验

土样取自深圳湾纳淤塘下深0.5~1.5 m处吹填淤泥，已完成吹淤1年，采取土样均匀、无贝壳碎屑，呈流塑状，为灰褐-灰黑色，具腥臭味，其基本物理性质如表1所示。试验以原样为基础，配制含水质量分数110%~150%的重塑样进行一维固结渗透试验，研究吹填淤泥的压缩特性。土样基本物理性质指标如表2所示。

表1  深圳湾吹填淤泥基本物理性质(各参数的平均值)

Table 1  Physical properties of dredged fill in Shenzhen Bay

表2  土样基本物理性质指标

Table 2  Basic physical properties index of soil sample

试验设备采用GDS固结试验系统，该系统利用反压对土样进行吸水饱和，可直接测量固结过程中土样底部的孔隙水压力。进行传统固结试验，直接测定各级固结压力作用下固结完成时稳定的孔隙比，得到压缩系数、压缩模量、体积压缩系数等压缩性参数，及孔隙比与固结压力之间的关系，研究土体的非线性压缩特性。固结试验结束后，能够保持固结压力不变并进行渗透试验，得到相应压力下的渗透系数，测试结果可准确地反映土体的非线性特性。

该系统采用Rowe和Barden型固结容器，土样直径为76.2 mm，高度为20 mm。容器底部连接压力传感器，可测量土样底部的孔隙水压力。顶部的压力设备与位移传感器相连，自动记录固结过程中试样的压缩量。并连接3个压力/体积控制器，分别对固结容器施加竖向压力、底部压力和反压。

整个试验分为试验设备检验、土样安装、固结系统排气、土样饱和等4步，最后通过GDSLAB软件设定试验内容进行试验。土样初始含水质量分数高，强度极低，对施加荷载极其敏感，单个压力控制器的压力存在±1 kPa的波动幅度，经试验比选后确定第一级固结压力为6 kPa，土样分别在6，12，25，50，100，200和400 kPa固结压力下进行一维固结试验。每一步固结完成后，保持固结压力不变的情况下进行相应的渗透试验。具体试验步骤如表3所示。

表3  试验步骤

Table 3  Test step

2  试验结果与分析

2.1  土样压缩变形

固结试验中土样的竖向压缩变形通过安装在土样顶部中心的位移传感器测量，固结压力开始施加前，位移传感器初值设定为0 mm。第1级固结压力各土样顶部压缩变形如图1所示。由图1可见：1) 由于土样初始含水量高，在较小的第1级固结压力下就发生很大的压缩变形，土样SZ09-2在第1级固结压力25 kPa下压缩应变高达20%以上；2) 施加压力时，单个压力控制器的实际压力存在±1 kPa的波动幅度，会对较小固结压力下(p=12，15 kPa)试样压缩变形产生影响，使得曲线出现多处突变现象。

其他各级固结压力土样SZ09-2的压缩变形曲线如图2所示。由图2可见：1) 土样的压缩变形曲线都呈现起始段微曲，固结结束时平缓的光滑曲线特征，经过24 h的固结试验后，各土样的主固结沉降已基本完成。2) 固结前段时间(1 000 s)内，土样不同固结压力下的压缩变形速率相近，随着试验时间的增加，变形速率之间的差异逐渐增大，且随着固结压力的增加，试验结束时的总压缩变形逐渐减小。

图1  第1级固结压力土样顶部压缩变形s

Fig. 1  Compression deformation s of soil sample under first level consolidation pressure

图2  各级固结压力土样SZ09-2顶部压缩变形s

Fig. 2  Compression deformation s of soil sample SZ09-2 under all consolidation pressures

表4  土样SZ09-1和SZ09-2固结试验结果

Table 4  Consolidation test results of soil sample SZ09-1 and SZ09-2

2.2  试验结果汇总

由反压饱和后试样的高度及孔隙比，采用与传统固结试验方法相同的计算方法，得到表4所示土样SZ09-1和SZ09-2的压缩应变、孔隙比e_i、压缩系数a_v、压缩模量E_s，体积压缩系数m_v、压缩指数C_c等值。由表4可知：1) 经过6~400 kPa荷载作用后，吹填淤泥累计压缩应变高达43.34%，在第1级较小荷载(p≤25 kPa)作用下，压缩应变高达24.44%，约占整个荷载范围内累计压缩应变的一半以上，具有大应变特性；2) 吹填淤泥的压缩系数a_v、体积压缩系数m_v随固结过程中孔隙比的减小呈非线性减小，减小幅度分别高达60倍与34倍；压缩模量E_s随孔隙比的减小呈非线性增加，增加幅度高达34倍。3) 吹填淤泥的压缩指数C_c的变化范围为0.495~0.875，单个土样的压缩指数不是常数，随着固结过程中孔隙比的减小而减小。

3  非线性压缩关系的适应性分析

吹填淤泥固结过程中孔隙比e随有效应力p′的增加而非线性减小，并不是传统固结理论假定的线性减小。这里采用软黏土常见的3种孔隙比与有效应力的非线性关系对试验数据进行回归拟合。

e-lgp′压缩关系：

              (1)

式中：λ为单位有效应力对应的孔隙比；C_c为压缩指数。

lge-lgp′压缩关系为^[3-5]：

             (2)

式中：λ₁为单位有效应力对应的孔隙比；C_c′为直线的斜率。

lg(1+e)-lgp′压缩关系为^[6-7]：

           (3)

式中：λ₂为土体材料参数；C_c″为直线的斜率。

吹填淤泥土样各种压缩关系拟合的结果如图3~5所示，各土样的拟合参数及相关系数R见表5。由图3~5及表5可知3种压缩关系拟合相关系数R均超过0.94。拟合参数的变化情况如下：e-lgp′压缩关系中拟合参数λ=2.872~3.868，C_c=0.519~1.083，随着初始含水量w₀的增加，参数λ及压缩指数C_c均呈增大趋势；lge-lgp′压缩关系中拟合参数C_c′=0.140~0.195；lg(1+e)-lgp′压缩关系中拟合参数C_c″=0.094~0.135，参数C_c″随初始含水质量分数w₀的增加均呈增大趋势。

表6所示为全部土样的拟合参数及相关系数R，R均在0.75以上，说明这3种压缩关系对吹填淤泥来说都是适合的。但lge-lgp′压缩关系即孔隙比与有效压力之间的非线性幂函数关系，由于其拟合效果最好(R=0.961)、形式简洁，成为最优非线性压缩关系。

图3  e-lgp'压缩关系

Fig. 3  Compression relationship between e and lgp'

图4  lge-lgp'压缩关系

Fig. 4  Compression relationship between lge and lgp'

图5  lg(1+e) -lgp'压缩关系

Fig. 5  Compression relationship between lg(1+e) and lgp'

表5  各土样拟合参数及相关系数R

Table 5  Fitting parameters and correlation coefficient R of soil samples

表6  全部土样拟合参数及相关系数R

Table 6  Fitting parameters and correlation coefficient R of all soil samples

4  结论

1) 在6~400 kPa固结压力作用下，深圳湾吹填淤泥的压缩系数、体积压缩系数、压缩模量随固结过程中孔隙比的减小呈现非线性变化，变化幅度达数十倍；压缩指数随固结过程中孔隙比的减小而而减小，变化幅度近1倍，单个土样的压缩指数不是常数。

2) 由于吹填淤泥初始含水量高，较小的第1级固结压力(p≤25 kPa)下压缩应变高达24.44%，占整个荷载范围内累计压缩应变的一半以上，具有显著的大应变特性。

3) 对深圳湾吹填淤泥而言，3种非线性压缩关系都适用，其中lge-lgp′非线性压缩关系即孔隙比与有效应力之间的幂函数关系适用性较强，数据拟合效果最好，可应用于吹填淤泥非线性与大变形压缩特性分析与数值计算。

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(编辑  邓履翔)

收稿日期：2013-10-20；修回日期：2013-12-25

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51208017)；河南工程学院博士基金资助项目(D2012007)(Project (51208017) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (D2012007) supported by the Doctoral Foundation of Henan Institute of Engineering, China)

通信作者：张明(1979-)，男，湖北京山人，博士，副教授，从事软土固结理论、地基处理及复合地基的数值计算与方法研究；电话：13673603908；E-mail：honest-2003@163.com