疏浚泥一维大应变固结的一种预测方法

曹玉鹏，杨建

随着港口航道的新建、拓宽，湖泊清淤等工程项目的开展，我国每年产生大量的疏浚泥[1]。由于我国经常采用施工效率高的绞吸式疏浚方式，产生的疏浚泥具有含水率高、压缩性高、渗透性差的特点，在荷载作用下具有明显的大应变固结特性，太沙基的小应变固结理论己经不适用于预测其固结沉降。Cargill[2]曾报道卡那维拉尔角围海造陆吹填工程，土体的初始孔隙比达12.0以上，吹填土层最终沉降超过10 m，大应变固结分析得到的结果与传统小应变理论分析得到的结果相差50%以上。

Gibson[3]在1967年提出了以孔隙比为基本变量的一维大应变固结方程，并给出了简化条件下的解析解，为大应变固结理论的发展奠定了坚实的基础。在此之后，Xie等诸多学者[4-10]对在不同坐标下不同变量的大应变固结方程的建立，以及大应变固结方程的数值解和解析解等方面的研究，为大应变固结理论的发展做出了卓越的贡献。但由于非线性大应变固结方程的复杂性，大多数研究主要停留在理论上，并且由于建立方程所选择的坐标体系不同、使用的变量不同、假定不同，导致大应变固结理论本身就存在种种差异[2，4-5]，在工程中没有很好的应用；同时，由于缺乏低应力下的固结参数，适合高含水率疏浚泥的一维大应变固结预测方法研究较少。

本文在Xie[10]给出的拉格朗日坐标下以超静孔压为变量的一维大应变固结方程及其解析解的基础上，耦合Hong[11]提出的考虑初始含水率影响的轻型固结试验方法，对吹填工程中高含水率疏浚泥的固结特性进行了研究，并提出了一维大应变固结的一种预测方法，以提高大应变固结理论预测沉降的准确性，拓展其应用范围。

1 试验方案

本试验土源为福建省可门港的疏浚淤泥，具体物理指标如表1所示，其中液塑限采用100 g锥式液塑限联合测定仪测定，有机质含量采用重铬酸钾氧化法测定，颗分试验采用马尔文公司的MAF5000激光粒度分析仪测定。可以看出，可门港疏浚淤泥的黏粒含量很高，占42.0%，土的液限和塑性指数也很高，分别为61.1%和30.8%，有机质含量小于3%，属于高液限黏性土，工程性质较差。

表1 可门港疏浚淤泥物理参数Table1 Physical property of Kemen Port dredged sludge

经过吹填淤泥堆场调查，一般吹填后的淤泥含水率为液限的3.0～5.0倍，而室内自然沉积试验表明，初始含水率约为4.0倍液限的淤泥稳定时间相对较短，因此，本文将淤泥按初始含水率为液限的4.1倍（即含水率为250%）配置成泥浆，然后一次性倒入沉降柱中，高度90 cm，沉降柱上贴有透明塑料刻度尺，精确到1 mm，按不同时间观察和记录泥水分界面的刻度值。沉降柱由厚度8 mm的透明有机玻璃板加工而成，内径28.4 cm，外径30 cm，沉降柱示意图见图1所示。当泥面在自重作用下沉积稳定后，在泥面表面分级加载至10 kPa，加载等级和历时如表2所示。试验中采用顶部和底部双面排水的模式，以加快吹填淤泥的固结速度，减小沉降稳定时间。加载过程中表面沉降值用百分表读数，精确到0.01 mm。

图1 沉降柱示意图Fig.1 Schematic diagram of the settlement column

表2 加载等级表Table 2 Loading procedure

值得注意的是，本试验为堆载模拟试验，受加载面积影响，最大加荷量约为10 kPa，为便于在计算过程中利用Hong等提出的轻型固结试验得到的试验参数，本文采用表2的加载等级。荷载作用下，淤泥的固结稳定时间参考GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》。考虑到试验条件的限制，本试验前7级荷载每级的加载时间以24 h内沉降量小于0.5 mm为标准，第8级荷载以每小时沉降量小于0.01 mm为准。

2 试验结果与分析

2.1 淤泥大应变固结性状分析

沉降柱试验淤泥高度值随时间变化曲线如图2所示，可以看出，淤泥泥浆在自重作用下沉降量不断增大，沉降量达到40 cm后基本稳定，经计算，此时含水率为120%，孔隙比为3.25，分级加载后，又沉降11.3 cm，此时含水率降低到84%，孔隙比减小到2.27。从图2沉降实测值可以看出，加载后淤泥表面沉降为11.3 cm，其初始加载淤泥高度为50 cm，应变达22.6%，已经超出小应变的假定范围，属于大应变固结范畴，因此需要引入一维大应变固结理论，对淤泥加载过程中的固结特性进行研究。

图2 淤泥高度值随时间变化曲线Fig.2 The height value of slurry versustime

2.2 Xie计算方法与适用性分析

Xie[10]基于拉格朗日坐标体系，根据连续性方程、达西定律和有效应力原理等，进行简化假定后得到以超静孔隙水压力为控制变量的固结方程，并给出了该一维大应变固结方程式的解析解和任意时刻任意位置的沉降计算公式。

根据Xie的大应变固结理论，当孔隙比变化范围为0.1～3.0时，渗透系数符合kv/kv0=（1+e）2/（1+e0）2的变化规律。图3是Xie假定式与经验关系式e-e0=cklog10（kv/kv0）的对比，其中ck=3，与Xie取值相同，可以看出，当孔隙比值在0.1～3.25之间时，Xie关系式和经验式也比较一致，因此可以将Xie解析解应用于本模型试验中吹填淤泥表面沉降计算。

图3 Xie关系式和经验式比较Fig.3 Comparison of Xie'sequation and the empirical equation

2.3 基于Xie解析解计算值与实测值对比

计算时参数的取值如下：1）取自重固结稳定后即将加载时的体积压缩系数为固结参数；为探讨体积压缩系数对沉降的影响，同时选取整个加载过程中体积压缩系数的平均值计算沉降，作对比分析；2） 渗透系数变化符合Xie假定的规律，计算时取即将加载时的渗透系数为初值；3）表面荷载为一次性瞬时施加并保持不变，选取一次性施加10.44 kPa表面荷载。计算图如图4所示，参数如表3所示。

图4 Xie解析解计算值与实测值对比Fig.4 Comparison between calculated value by Xie's analytical solution and measured value

表3 Xie大应变解析解参数表Table3 Calculation parameters for Xie'slargestrain analytical solution

从图4中可以看出，选取初始体积压缩系数为参数的计算沉降值与选取平均体积压缩系数为参数的计算沉降值差别较大，而室内实测值介于两者之间。计算过程中假定体积压缩系数为常数，对压缩性较低的土而言误差较小，但对于高含水率疏浚淤泥等高压缩性土误差较大，至于可接受误差范围内该参数的取值界限本文不作探讨。

2.4 考虑压缩参数分段线性变化的大应变固结预测方法

产生沉降预测误差的原因主要在于进行大应变固结计算时，假定整个固结过程中的体积压缩系数为常量，而实际固结过程中该参数是一直变化的，即随着固结度的发展而逐渐减小。笔者根据Xie[10]理论和Hong[11]提出的轻型固结试验方法提出了一维大应变固结的一种预测方法，即：以淤泥自重固结稳定后的含水率为初始含水率，根据Hong提出的轻型固结试验方法，得到该含水率下重塑土样的e-logσ′压缩曲线，通过计算得到每级荷载下的孔隙比、体积压缩系数、渗透系数、固结系数等参数，再通过内插得到与沉降柱实际加载荷级相应的各个参数，最后，根据每级加载的实际荷载、加荷历时等进行大应变计算。此计算方法能准确模拟每级荷载下土体的平均体积压缩系数，并且渗透系数在每级荷级下的变化过程仍然按照Xie的理论假定发展，因此计算方法能准确反映土体的整个固结过程。

计算过程中各参数引用Hong[11]重塑土样e-logσ′的压缩数据，见表4。

表4 本文预测方法模拟室内沉降柱加载试验参数Table4 Parameters for simulating laboratory settlement column loading test by proposed predicting method

本预测方法得到的淤泥沉降值与实测沉降时程曲线如图5所示。

图5 本文预测方法计算值与室内实测沉降值对比Fig.5 Comparison between the calculated value of proposed predicting method and the measured settlement data

从图5中可以看出，计算得到的最终沉降量为0.107 m，而室内沉降柱试验实测值为0.113 m，两者相差0.006 m，数值相当接近，并且二者的发展过程基本重合，在200～300 d之间室内实测值有一定的变化，这可能与加载后期的土体蠕变特性有关。实际上，两者发展过程如此接近，与参数的选取有很大关系，这说明Hong提出的轻型固结试验方法非常有效，将低含水率的常规土体固结试验延伸到了高含水率低应力状态。在大应变固结理论不能得到完全考虑材料非线性的解析解的现状下，运用材料非线性参数随着几何非线性不断变化的计算方法预测高含水率土体的固结，是准确和切实可行的。

3 结语

本文进行了高含水率疏浚泥室内沉降柱模型试验，基于Xie给出的拉格朗日坐标下以超静孔压为变量的一维大应变固结理论和Hong提出的考虑初始含水率影响的轻型固结试验方法，提出了高含水率疏浚泥一维大应变固结的一种预测方法，得到结论如下：

1）高含水率疏浚泥自重固结稳定后进行表面加载，沉降量超出小应变假定范畴，应引入大应变固结理论对其进行固结特性研究；

2）计算过程中，压缩参数为定值时得到的沉降量与室内实测沉降值有较大的差别，体积压缩系数的选取对最终沉降量和固结过程的模拟有至关重要的影响；

3） 耦合Xie的大应变固结理论以及Hong的轻型固结试验方法，提出的一维大应变固结预测方法能考虑土体固结过程中压缩参数的分段线性变化，较为准确的模拟高含水率土体的固结过程。