（岩土工程专业论文）吹填土固化结构强度的再形成试验研究.pdf

武汉科技大学 研究生学位论文创新性声明 f 4 ififflii i i j i l l l l f lflllrjllfri r i y 17 3 9 5 3 3 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研 究所取得的成果。除了文中已经注明引用的内容或属合作研究共同完成的 工作外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：改之垄：日期：迎丛。上：么多 研究生学位论文版权使用授权声明 本论文的研究成果归武汉科技大学所有，其研究内容不得以其它单位 的名义发表。本人完全了解武汉科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向有关部门( 按照武汉科技大学关于研究生学位论文收录 工作的规定执行) 送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅， 同意学校将本论文的全部或部分内容编入学校认可的国家相关数据库进行 检索和对外服务。 论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 汕吣j t 南 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 摘要 近些年，用疏浚淤泥进行吹填造陆已经成为沿海城市土地丌发的重要手段，内陆地 区也陆续丌展了吹填土方面的研究，本文取上海浦东地区的海相淤泥与武汉东湖湖底的湖 相淤泥为研究对象，遵循吹填预加固的理念，即在吹填过程中对淤泥进行固化处理，向淤 泥中加入固化剂，以此来改善吹填土的整体性能。系统对比分析湖、海相吹填土落淤、沉 积过程的宏观特征；探求吹填土固化剂的选用及配比对固化效果的影响规律，并采用f l a c 连续介质快速拉格朗同分析程序来模拟吹填土的表层沉降特性，为进一步研究吹填土的沉 降特性及固化机理提供重要的定量化参考依据。本文的主要研究内容与结论如下： 1 、以上海、武汉两地的淤泥质土为研究对象，在前人的研究基础上，主要对两种和三种 复合型固化剂对湖、海相吹填淤泥的固化效果进行研究，优选出了最佳的固化剂组合 和配比，初步探讨了土样含水率及龄期对固化效果的影响。 2 、进行量筒沉积试验，对不同土水比及不同固化剂作用下吹填土表层的沉积过程进行模 拟，试验结果说明在吹填过程中添加固化剂，可在一定程度上改善吹填土的固结特性。 3 、进行沉降柱试验，对添加了固化剂的两种不同类型吹填土的深层沉积情况进行模拟， 并对沉积固化后的吹填固化土的工程地质性质进行试验测定，结果表明吹填固化土的 工程地质性质有明显改善。 4 、采用f l a c 连续介质快速拉格朗同分析程序来模拟固结剂吹填土的固结性状，并将模 拟结果与室内实测结果进行比较，其结果与室内试验实测结果基本吻合。 5 、对本文的工作进行总结，并对今后的研究工作进行展望。 关键词：海相吹填淤泥；湖相吹填淤泥；固化效果；数值模拟 第1 i 页武汉科技大学 硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，u s i n gd r e d g e df i l lt e c h n o l o g yt ob u i l dn e wl a n d sb e c a m ea ni m p o r t a n t m e a n t si nc o a s t a la r e a s i nt h ei n l a n da r e a s ，t h ed r e d g ef i l lt e c h n o l o g yr e s e a r c h e sw e r ec a r r i e d o u ts u c c e s s i v e l y t h i sa r t i c l ef o l l o w st h ep r e r e i n f o r c e di d e ao fh y d r a u l i cf i l l ，t h ep r e - r e i n f o r c e d i d e ai st h a ta d d i n gc u r i n ga g e n ti n t ot h em u dd u r i n gt h eh y d r a u l i cf i l lp r o c e s si no r d e rt oi m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i cf i l l w et o o km a r i n es i l tf r o ms h a n g h a ia n dl a c u s t r i n es i l tf r o m w u h a n c o m p a r et h em i c r o m a c r of e a t u r e so ft h er e d e p o s i ta n ds e t t l e m e n tp r o c e s s ；e x p l o r et h e e f f e c tl a wo ft h es e l e c t i o na n dt h er a t i oo ft h ec u r i n ga g e n t ；u s ef l a cf a s tl a g r a n g i a na n a l y s i s o fc o n t i n u o u sm e d i ac o n s o l i d a t i o na g e n tp r o g r a mt os i m u l a t et h ec o n s o l i d a t i o nb e h a v i o ro ft h e h y d r a u l i cf i l l a ni m p o r t a n tq u a n t i t a t i v ef o u n d a t i o nf o rf u r t h e rs t u d yo nc h a r a c t e r i s t i c s o f d r e d g e rf i l la n dc o n s o l i d a t i o nm e c h a n i s mh a sb e e np r o v i d e d t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t a k es i l t ys o i lo fs h a n g h a ia n dw u h a nf o rt h es t u d y , b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h e s ， s t u d ym a i n l yo nt h ec o n s o l i d a t i o ne f f e c t so fm a r i n ea n dl a c u s t r i n es i l tw h i c ha d d i n gt w oa n d t h r e ec o m p o s i t ec u r i n ga g e n t c h o o s et h eb e s tc o m b i n a t i o na n dr a t i oo ft h ec u r i n ga g e n t ，s t u d y t h em o i s t u r ec o n t e n ta n dt h ea g eo ft h es o i ls a m p l e so nc u r i n ge f f e c tp r e l i m i n a r y 2 t h es e d i m e n tc o l u m nt e s tw a sd o n et os i m u l a t et h es u r f a c es e d i m e n t a r ys i t u a t i o no f d r e d g e rf i l lw h i c hw i t hd i f f e r e n ts o i l w a t e rr a t i oa n da d d i n gd i f f e r e n tc u r i n ga g e n ti n d o o r t h e t e s tr e s u l t ss h o wt h a ta d d i n gc u r i n ga g e n td u r i n gt h eh y d r a u l i cf i l lp r o c e s sc a ni m p r o v et h e c o n s o l i d a t i o nb e h a v i o u rt os o m ee x t e n t 3 t h ed o s i m e t e r - s e d i m e n tt e s tw a sd o n et os i m u l a t et h ed e e pi n t e r i o rs e d i m e n t a r ys i t u a t i o n o fd r e d g e rf i l lw h i c ha d d i n gc u r i n ga g e n ti n d o o r m e a s u r e dt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o p e r t i e s o ft h es o l i d i f i e dd r e d g ef i l l ，t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ee n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lp r o p e r t i e so ft h e s o l i d i f i e ds o i lh a si m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y 4 u s ef l a cf a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u o u sm e d i ac o n s o l i d a t i o na g e n tp r o g r a mt o s i m u l a t et h ec o n s o l i d a t i o nb e h a v i o ro ft h eh y d r a u l i cf i l l t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ec o m p a r e d w i t ht h ei n d o o re x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h e ya r ec o n s i s t e n tb a s i c a l l y 5 t h ea c h i e v e m e n t so ft h i sr e s e a r c ha r es u m m a r i z e d ：t h el a t e rt a s k sa r ea l s op r o s p e c t e d k e yw o r d s ：m a r i n ed r e d g ef i l l ；l a c u s t r i n ed r e d g ef i l l ；e f f e c t so fc o n s o l i d a t i o n ；n u m e r i c a l s e m u l a t i o n 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 吹填淤泥的国内外研究现状1 1 2 1 吹填方法的研究进展1 1 2 2吹填加固的国内外现状3 1 2 3 吹填土沉积固结理论的研究进展一6 1 3 本文研究的主要内容及技术路线8 1 3 1 研究内容及意义一8 1 3 2 研究技术路线框图l o 第二章吹填淤泥固化剂固化效果对比试验l l 2 1 试验内容1 1 2 1 1 试验用土样“ 2 1 2 固化剂l2 2 1 3 试验仪器13 2 2 试验方案l3 2 2 1 试样制备与养护1 4 2 2 2 三轴固结不排水试验1 4 。 2 3 两种固化剂的固化效果分析1 5 2 3 1固化剂的影响1 6 2 - 3 2 土样含水率的影响2 1 2 3 3龄期的影响2 6 2 4 三种固化剂的固化效果对比分析2 7 2 4 1固化剂的影响2 7 2 4 2 土样含水率的影响2 9 2 4 3 龄期的影响3 0 2 5 本章小结3 0 第三章量筒沉积试验3 2 3 1 试验内容3 2 3 2 试样方案3 2 3 3 试验结果分析3 3 3 4 本章小结3 5 第四章沉降柱试验3 6 学硕士学位论文 武汉科技大学硕士学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 白1 9 7 8 年以来，我国沿海地区经济的长期高速增长催生了对土地资源的迫切需求，吹 填造陆技术因此而发展迅速。现在，利用疏浚淤泥土进行填海造陆已经成为沿海地区综合 利用固体废弃资源的一个理想途径，它不但能有效降低近海抛泥弃淤对海洋环境的污染， 节约造陆工程成本，同时也对缓解沿海城市土地资源紧张的局面有相当积极的意义，其经 济和社会效益均十分显著。因此，用疏浚淤泥进行吹填造陆已经成为沿海城市土地开发的 重要手段，但由于沉积环境不同，各地区吹填土从其物质组成到工程性质都各不相同；此 外，从吹填土的形成角度来看，它是由海相淤泥经吹填机械松动、扰动、与水混合成泥浆 后从管道吹至场区、重新淤积、沉淀的过程，它伴随着原状海相淤泥结构的破坏、颗粒分 选以及吹填淤泥新结构的形成，其含水量和孔隙比均远大于天然软土，其压缩性和灵敏性 比原状海相淤泥更高。这种结构上的较大差异直接影响着后期的加固处理方法的适应性。 在内陆地区，吹填技术也逐步发展起来。一方面，大型的内陆湖淤积严重，急需清淤， 早在1 9 9 8 年，我国江河湖库的年淤积量己达1 1 亿m 3 ，仅长江、黄河、淮河、辽河及海河 等五大流域主要河海的年淤积量就达3 亿m 3 以上。据勘测表明，武汉东湖平均水深3 米， 最深5 米，而最大淤泥厚度达4 米，平均淤泥厚度1 0 6 米，淤泥总量达到3 5 2 2 万立方米， 是东湖库容的2 0 。这些内陆的废弃淤泥，目前绝大多数在设置的陆地贮泥场存放或直接 抛填于低沣地区，它们形成的土地强度低、变形大、固结时间长而很难进行丌发利用，吹 填后需要投入大量的地基处理费用。另一方面，由于缓解城市交通压力的需要，国家也逐 步对大面积内陆湖泊进行开发利用，诸如修建湖中公路及湖底隧道等，如湖北省武汉市东 湖隧道工程也已经动工建设，而湖相淤泥从物质组成到工程性质都有别于海相淤泥，进行 软基处理时，只能借用海相淤泥加固的技术和经验，使加固技术与吹填淤泥的工程性质不 匹配，不仅加固效果难以保证，且容易造成巨大的浪费。许多学者已经对天津、连云港、 深圳等沿海地区的海相淤泥质土进行了较为系统的研究，得出了沿海一些地区吹填土的基 本工程特性，但是关于内陆湖区吹填淤泥土的工程性质的研究却还缺乏系统地研究。因此， 必须系统地对比研究湖、海相吹填淤泥的工程地质特征，从固结机理上寻找出一种能在较 短的时间内既满足工程要求、又经济便捷的淤泥吹填方法，使吹填土尽快地由泥浆状态转 变成为具有一定承载力的地基，从而进一步发展和完善吹填淤泥造陆技术在内地各地区的 应用。 1 2 吹填淤泥的国内外研究现状 1 2 1 吹填方法的研究进展 为了寻找一种合理、经济、快速的加固技术，使吹填土尽快由泥浆状态转变为具有一 定承载力的地基，达到可进行地基处理的初始状态，许多学者进行了实践。1 9 8 4 年，w a t m 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 为了获得具有足够强度的吹填土基础，用纯泥进行吹填。这种吹填造陆方法造出来的土地 往往要花费几年的时l 、日j 来固结，在短时间内得不到应用。1 9 8 7 年，l e e t a l 用现场实验的方 式，证实了用成层夹砂土层进行吹填的可行性，这种吹填方法在吹填土层之间形成排水砂 层，可以有效减少砂的使用量，节省建设成本；在上世纪8 0 年代早期，新加坡就采用了这 一吹填方法。k a r t h i k e y a n 、l e u n g 、m a n i v a n n a n 、r o b i n s o n 等国外学者，曾用很大的土团颗 粒来进行研究，但是土团之间的孔隙变化情况较难了解，大的吹填土团的固结模型也比较 难建立，因此这种吹填方法在国内还没有先例。鉴于吹填土高含水率及人工填土性质，同 本的部分学者认为，对于吹填软基的处理不应该仅仅限于吹填土填筑之后，如果能在吹填 过程中就采用一些有利于固结的措施，则可能会获得更好的加固效果和经济效果，这种思 想被称为吹填预加固思想。虽然此思想早在2 0 世纪8 0 年代就已经出现，但是具体的研究工 作却丌始的较晚，1 9 9 9 年，我国重庆建筑大学的文海家【2 】等人从加固处理的角度进行研究， 得出了吹填软土的自然条件及其物理加固条件优于天然软土的结论，从而证明了吹填土地 基预加固思想的可行性。天津大学的刘振杰【3 】等人在2 0 0 1 年对淤泥混合粉煤灰吹填进行了 研究，发现淤泥掺入粉煤灰后其力学性质指标有了显著的改善，而且混合吹填土的工程性 质优于搅拌配置的泥灰混合土。2 0 0 1 - - 2 0 0 4 年间，刘娉剥4 1 、刘莹【5 】、李振【6 l 和谢海澜【7 】 等人在王清、肖树芳【8 】等人的指导下，利用水泥和生石灰对吹填土进行预加固处理实验研 究，他们对连云港和青岛两个地区的吹填土进行实验，得到了两地吹填土的基本特性，并 获得连云港地区吹填土的最优水泥与石灰的掺入比【9 】。2 0 0 1 - - - 2 0 0 5 年问，河海大学岩土工 程研究所的王华敬【l0 】等人对钱塘江吹填土进行了研究，得到了几种典型吹填土的沉降特 性。这次试验的关键在于提出了一种较好地研究思路与研究手段，并且为今后的研究指出 了一个方向，即将研究重点由提高强度转为加快沉积固结速度，但是吹填淤泥的自重沉积 过程受土的成分、泥浆密度、泥浆中阳离子类型及浓度等诸多因素的影响，b e e n 】等利用 沉降柱试验研究了粉质黏土的自重固结特性，测得不同初始密度的泥浆在自重沉积过程各 时刻的密度、超孔隙水压力及土颗粒离析分布特征。刘莹【1 2 】等对连云港和青岛两个地区的 吹填土进行了沉降柱试验和表面蒸发结壳试验研究，探讨了水泥和石灰两种固化剂的掺入 对自重沉积固结特性的影响，获得了不同初始密度泥浆的沉积速率和固结后吹填土的孔隙 比范围。彭涛【1 3 】等人对深圳地区吹填淤泥进行了静态落淤试验研究，获得了自重沉积固结 后吹填土的孔隙比范围。朱伟【1 4 】等人开展了疏浚淤泥掺水泥、石灰等固化剂的固化试验研 究，得到了固化土的无侧限抗压强度与水泥掺入量之间的关系。詹良通【l5 】等人对浙江海域 的淤泥进行了沉积模拟试验，对泥浆的初始密度、水溶液中阳离子类型及盐溶液的浓度对 自重沉积固结特性的影响进行了研究，测试了淤泥的自重沉积速率以及固结后吹填土的密 度，并由此获得了该地区吹填淤泥在超低压力范围内的压缩曲线。 在吹填方法的实践方面，日本、新加坡、香港等地方因为土地资源严重不足，迫使他 们大面积进行围海吹填造陆。由于砂的透水性能好，排水快，压缩变形不大，在短期内能 达到吹填的高度和强度，适合工程需要，因此大量的工程实践是用海砂来进行水力吹填的。 其中新加坡【1 6 】的吹填造陆面积最大，通过吹填增加了约6 0 0 k m 2 的土地，约占整个国家面 武汉科技大学 硕士学位论文第3 页 积的十分之一。其中比较著名的足樟宜机场和德光岛，为了拓宽机场，樟宜机场的东部用 大约1 7 1 0 8 m 3 砂进行了海砂吹填。l e u n g 【1 7 1l e e 1 8 】对这种水力砂填的原理和施工方法、 关键技术进行了研究。由于铺砂厚度的不均匀性和砂颗粒大小的影响，用海砂进行水力吹 填时，很难在预压的时候控制吹填砂的质量，因此，进行大面积吹填时用砂量巨大，导致 许多国家如新加坡主要依靠进口砂为主，这就增加了用砂进行吹填的成本。在寻求成本更 为低廉的吹填材料研究过程中，新加坡在十年前就开始研究用海相淤泥作为吹填材料，用 管道将泥浆输送到吹填场地的围堰里，然后让泥浆在自重的作用下沉积固结。由于用海相 泥浆吹填土的含水量很高，渗透性很低，所以沉积固结的时间长，这样特性使得此方法具 有一定的局限性。有人试图把纯泥吹填与纯砂吹填结合起来，适度降低成本，因为砂的渗 透系数远大于淤泥，其排水条件明显优于淤泥，并且砂的沉降速度也大于淤泥，所以含砂 层吹填软土加固的物理条件较好，其加固处理的可行性也优于天然软土。上世纪8 0 年代 早期，新加坡研究采用吹填一层泥，铺设一层砂的吹填造陆方法，在海相淤泥吹填土之间 设置相对较薄的砂排水层以节省砂的使用量，从而节省建设成本。 1 2 2 吹填加固的国内外现状 通常情况下，吹填土被视为一种普通软弱地基，我国目前对于吹填土地基的加固方法 主要有强夯法、堆载预压法、真空预压法、真空堆载联合预压法、动力排水固结法等。 强夯法是用8 3 0 吨的重锤，以8 2 0 米的落距，对地基土施加很大的冲击能，在地基 土中产生冲击波动应力。强夯法可以提高地基土的强度，降低土的压缩性，提高土层的均 匀程度，减小将来可能出现的差异沉降；对于砂土，强夯法可改善其抗液化条件，降低土 的压缩性，消除主固结沉降，提高土的强度与承载力。强夯法加固地基具有设备简单、效 果明显、经济易行、节约费用等明显优点，因而得到广泛的应用。但是，强夯法并不具有 广泛的适用性，一般认为此法特别适用于粗颗粒非饱和土，含水量不大的杂填土以及湿陷 性黄土，低饱和粘性土与粉土视情况也可采用；而对于饱和粘性土，如有工程经验或试验 证明加固有效时方可应用。对于软粘土，首先，在施工过程中用强夯法会导致橡皮土的出 现，此时土体抗剪强度、承载力均丧失，需要挖除或处理橡皮土，代价高昂。其次，在软 粘土地基上此法不能完成主固结沉降，工后沉降仍然很大，因此教科书或工程标准中均有 明确规定，软粘土不宜或不能采用强夯法。究其原因，在强夯动力作用下，要求瞬间从土 体孔隙中排出大量水，而软粘土孔隙比大、含水量高、渗透性差、强度低，在时间短、渗 透性差，水末不及排出的情况下，会导致土中孔隙水压增高，且短时间内难以消散，因而 土体抗剪强度大大降低，在这种情况下继续夯击，必然会出现橡皮土。 堆载预压排水固结法简称堆载预压法，它是一种加固处理淤泥质土基较为可靠有效的 方法，最早应用于处理美国加利福尼亚州的海湾公路。该公路有通过沼泽地的一段约2 英 里长的路段，每当涨潮时，公路的下部淹没或浸泡在水中，面层粗糙、恶化程度严重，因 而造成该路段维护费用很高，1 9 3 4 年工作人员选取了该路段三个断面试验性打了砂井，从 而减小孔隙水压力，防止土体的侧向位移，消除了面层的不均匀沉降，保证了公路的顺利 第4 页武汉科技大学硕士学位论文 修建。国外早期从地基土强度的快速增长和地基的稳定性出发，开展了对堆载预压法的研 究，我国于1 9 5 3 年首次将砂井堆载预压法用于加固船台地基，1 9 5 9 年应用于宁波铁路路 堤试验段和宁波冷库工程，以后逐步推广至水工建筑、工业与民用建筑、铁路路基、港湾 与油罐等工程的软基处理工程中，都获得了较好的效果，目前该方法在工程上已经被广泛 应用。堆载材料一般选用填土、砂石等散粒材料，堆载预压法适用于淤泥质土、淤泥、素 填土、杂填土、粉土和冲填土等软弱地基，当软基较厚时，必须在软基中插入垂直排水通 道，即所谓的砂井以加速排水。由于砂井用砂量大，打入设备笨重，为此在1 9 7 9 年研制 成功了袋装砂井，1 9 8 1 年又成功丌发了塑料排水带。塑料排水带具有重量轻、施工设备简 单、工效高、运输方便、对土层扰动小、适应地基变形等优点，所以塑料排水带堆载预压 法以其上述优点发展迅速。 当堆载材料不足时，可采用真空预压法，该方法是一种在现有陆地上进行软基加固的 方法。在需要加固的软粘土地基内设置砂井或塑料排水板，然后在地面铺设砂挚层，其上 覆盖不透气的密封材料使其与大气隔绝，通过埋设在砂挚层内的吸水管道，用真空装置进 行抽气，将膜内的空气排出，在膜内外产生一个压力差，这部分气压差即变成土体地基上 的荷载，地基随着等向应力差的增加而固结。该法是瑞典阜家地质学院的w k i e l l m m 教授 于1 9 5 2 年在美国麻省理工学院召丌的会议上提出的，他当时发表了“利用大气压力加固粘 土”的论文，之后在美国、同本等地丌始应用，但是因为密封问题和未研究出合适的抽真空 装置等原因，没有大面积推广应用。7 0 年代后期同本大阪港首次应用该法对吹填软基进行 加固处理，吹填时先在海底铺设砂挚层，并且以一定的间距打设排水井点管，在吹填的同 时就在排水管内抽真空进行排水加固，吹填至设计标高后，再打设排水砂井以加速排水固 结，取得了良好的效果。1 9 8 2 年同本大阪南港采用真空井点降低水的方法，加固大面积吹 填土取得了成功，加固面积达1 0 0 万平方米，从而把该技术的应用推进了一个新的阶段。 在国内，1 9 5 7 年天津大学开始研究真空预压法的加固机理，也是因为密封问题以及抽真空 装置研究问题没有达到工程应用的阶段。1 9 8 0 年真空预压法被列为国家科技攻关项目，交 通部第一航务工程局科研所在天津塘沽新港进行了几次现场试验并获得成功，同时天津大 学、天津港务局、交通部四航局、南京水科院、河海大学等单位也对真空预压法的加固机 理及可行性进行了室内模型试验、现场试验及现场施工等。8 0 年代末由张诚厚等对真空预 压法进行了试验研究，探讨了真空作用面的作用位置以及真空并点管问距对预压效果的影 响，通过室内研究发现底部抽真空比在表面抽真空加固时问短、效果好，其强度变化均匀。 实践表明，经过真空预压排水固结法加固，吹填淤泥的沉降量为相同厚度的原状海相淤泥 的一倍以上。到目前为止，我国在真空预压法的施工工艺及理论上都有一定的研究。 真空堆载联合预压是在真空预压法和堆载预压法基础上发展起来的一种软基加固方 法，适用于能在加固区形成稳定负压边界条件的软土地基，具有真空预压和堆载预压的双 重效果，一般可以取得7 0 9 2 k p a 的等效荷载。在路基工程中应用真空堆载联合预压法对 软基进行处理，比堆载预压法更加安全可靠，该方法利用路基填土作为堆载材料，使土体 在真空荷载和堆载的联合作用下发生固结，强度能提高2 3 倍；同时，由于真空产生负压， 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 使土体产生向内的收缩变形，可以抵消因堆载引起的土体向外挤出变形，因此地基不会因 填土速率过快而出现不稳定性问题。另外，真空堆载联合预压法加固软基的影响深度较大， 比较适合加固深厚软土层地基，通过抽真空形成负压，当真空度达到8 0 k p a 以上，相当于 一次性加4 5 米高度的填土荷载，缩短了加载时问，不仅预压效果明显，而且可以减少软 基的工后沉降。1 9 8 4 年，天津港湾工程研究所研究了真空堆载联合预压法并在天津获得成 功，1 9 8 5 年1 2 月通过国家鉴定，填补了国家空白。化工部第一勘察设计院于1 9 8 5 年、1 9 8 7 年分别大面积应用该法于连云港碱厂、天津港保税区等软基工程。 动力排水固结法是根据场地条件设置竖向与水平排水体，然后填土至预定标高，再进 行夯击，利用逐遍加大的动力荷载及填土静载促使软土加速排水固结，排出的孑l 隙水经塑 料板或砂井向上排至砂挚层，然后排至指定的位置。由于动荷载的多次作用及排水条件的 改善，软土之上的人工排水体及覆土层又使动载作用产生的附加应力保持一定时间，促使 地层中孔隙水快速消散且不断地排出，主固结变形加速完成，地基强度提高。该法在工期 上比堆载法短，在造价上比强夯法、粉喷桩处理地基土低，在使用范围上比传统的强夯法 广。叶为民【l9 】等在上海某工程的实践中，对比了饱和软粘土地基在不同排水条件下的强夯 加固效果，结果表明，动力排水固结法在改善软粘土地基的加固效果方面非常明显。李彰 明【2 0 】等在深圳市某软基处理试验区段的施工中采用了动力排水固结法，全面监测了孔隙水 压力，获得了宝贵的第一手资料及淤泥中孔隙水压力变化的基本规律，并成功地将动力排 水固结法应用于深圳市城市道路软基处理工程中。徐金明等【2 l 】从孔隙水压力的消散、土体 位移、静力触探、标准贯入试验、荷载试验及室内土工试验等方面，选取两个试验区，对 动力排水固结法加固软基的效果进行了现场对比试验，试验表明，动力排水固结法可以较 好地改善地基土的工程性质。 国际上比较先进的加固方法是在吹填过程中对淤泥进行固化处理，即向淤泥中加入固 化剂，使处理后的淤泥即固化土具有良好的工程特性，固化剂作为一种处理软土的措施在 公路、铁路、水利、边坡等工程中得到了应用，但用其进行吹填土固化的例子尚不多见。 这种吹填预加固的思想逐步将研究重点从对吹填后土体的处理加固转变为对吹填方法的 研究。但是淤泥中含有粘土、有机质、孔隙水以及许多金属、非金属离子等物质，它们不 像混凝土中的石子和砂子这些惰性材料，惰性材料不与水泥发生反应，所以混凝土的强度 主要来源于水泥水化物的作用。而水泥在淤泥中的反应会受到淤泥中存在的物质成分的影 响，淤泥中的粘土矿物、有机质会吸附、消耗钙离子从而对水泥水化产生影响；粘粒与水 化产物发生火山灰反应；孔隙水中的硫酸盐与水化产物反应生成具有膨胀性的钙矾石等， 它们都会影响固化淤泥的强度。因此，在淤泥固化处理中，对于不同的淤泥，即使加入相 同种类、相同量的固化材料，固化淤泥的强度也会有很大的差别。由于淤泥的固化效果受 众多因素的影响，对于吹填土预加固技术的研究大多还集中在对固化效果的研究方面。吉 林大学建设工程学院的王清【2 2 】教授提出了从物质组成的观点考虑土体内部物理化学特征， 根据不同海域的吹填土分布，分层设置不同的固化剂和降水管，对吹填土进行快速结壳和 降水，以达到地基加固的目的，沿着这种研究思路，针对不同区域吹填土的固化剂的选用 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 及其加固效果的研究迅速开展起来。 1 2 3 吹填土沉积固结理论的研究进展 1 2 3 1 大变形固结理论的研究进展 传统的固结理论是基于小变形的假定，即土体的变形足够小，虽然在实际中有较好的 适用性，但是在某些特定的情况下，小变形假定会带来较大的误差甚至是错误的结论，例 如土体在外荷及自重作用下有时应变会超过2 0 ，不满足小变形理论的变形条件，而且对 于采用线弹性本构模型进行压缩计算同时荷载又较大时，会出现不合理的现象；还有某些 土工结构对变形非常敏感，即使是微小的变形，对其受力状态也会有明显的影响；再比如 土坡逐渐破坏时，滑动面附近土体会产生应变局部化，当平均应变为1 0 ，剪切带内应变 达4 0 时，需要对土体进行大变形分析。w e b e r 在1 9 6 9 年曾试验得出土体压缩层在固结期 间厚度将减小8 0 t 2 3 1 ，如此大的变形量已经远远超过了小变形假定的范围。c a r g i l l 2 4 】对卡 纳维拉尔角围海造陆的吹填工程进行了研究，当土体变形较大时，采用小变形固结理论分 析的结果与大变形理论相差达5 0 以上，而大变形固结理论的计算结果与实测结果是相当 一致的，因此，有必要引入大变形固结理论对吹填土进行分析。 关于大位移、大应变的研究可以追溯到1 9 世纪，由于几何非线性理论比较复杂，且 计算工作量很大，所以几何非线性理论是在有限元法的逐渐成熟和近代计算机技术的出现 之后，才进一步被完善，但是真正系统地奠定大变形理论基础的研究是在本世纪4 0 5 0 年 代。大变形理论在土体固结分析中的应用始于1 9 6 0 年，m i k a s a 和g i b s o n 被认为是这一领 域的开拓者，他们致力于把小变形固结理论推广到更普遍的大变形固结理论。m i d a s a 2 5 】采 用固结比乌和自然应变6 一为变量推导了空间描述的一维大变形固结方程。1 9 6 1 年， g i b s o n 2 6 】【2 7 】应用d a r c y 定律、有效应力原理，由土体平衡条件及流量平衡条件，在拉格朗 日坐标体系下提出了以孔隙比为基本变量的一维大变形固结方程( 2 ) f 益一11 旦l 盟i 丝+ 旦l 盟型丝l + 丝：o l 7 。j d e l ( 1 + e ) j 0 z 0 zl ( 1 + p ) d e 瑟jo t ( ，) 此方程没有考虑土层自重影响的问题，适用于均质薄粘土层的变形特性。g i b s o n 等在 研究了均质厚粘土层的特点后，考虑了土层自重应力效应，于1 9 8 1 年探讨了原有控制方 程的数值解，并进一步推导出了修证后的大变形固结方程。此后，m o n t e & k r i z e k 、p o s k i t t 、 s c h i f f m a n & c a r g i l l 、李冰河、洪振舜、谢康和等国内外学者逐步通过数值分析和室内试验， 对吹填软土的大变形固结特性开展了研究。l e ea n ds i l l s l 2 8 】提出了以孔隙度为控制变量的固 结方程；谢新宇【2 9 】提出了以位移为控制变量的固结方程。e d g a r 等建立了一维固结方程， 此方程考虑了非饱和土体的大变形效应和非等温效应，这些研究完善了g i b s o n 的理论。之 后大变形固结理论沿着两个方向发展：一是基于m i d a s a 和g i b s o n 等人的理论，进一步完 善理论、进行数值求解和试验证实；二是发展大变形固结理论及有限元分析。 一般情况下，要获得一维大变形固结方程的解析解是困难的，对于二维和三维问题更 武汉科技大学 硕士学位论文第7 页 是如此，所以采用数值计算方法来得到一维大应变固结问题的解答，其中最常用的是有限 差分法和有限元法。c a t e r 3 0 】是大变形有限元分析的先躯，他用格林应变率张量表述变形量， 给出了饱和土体大应变固结的一般形式，并给出了有限元分析的结果，但用格林应变率张 量描述变形，必须将久曼应力变化率纳入本构方程，从而使本构方程的表达式十分复杂。 g i b s o n 采用有限差分法对一维大变形固结方程进行数值分析，在材料非线性条件下，土体 固结的几何非线性性状，只有采用连续介质大变形理论进行计算。m e s r i 和r o k h s a r 采用有 限差分法，在考虑超固结、j 下常固结和次固结的前提下，对大、小应变的结果进行了比较， 并得到固结曲线。 对于大变形固结问题，孙钧、李冰河【3 1 】以孔隙压力为控制变量，在空间坐标系下，用半 解析法求解一维大应变固结问题，所得结论与g i b s o n 用有限差分法得到的结论是一致的。 郭志强把大变形的固结过程分解成一系列的小变形线性固结过程的集合，并采用t e r z a g h i 理论求解每一个分过程，取得了较满意的结果。沈珠江【3 2 】认为可以在土的结构性模型，大 变形理论，剪切带数值模拟技术相结合的基础上，通过数值模拟，使现代土力学的理论框 架建立和完善起来。 1 2 3 2 沉积固结理论的研究进展 1 9 8 1 年，k b e e na n dg c s i l l s 1 i 】对吹填过程进行了实验及理论研究，认为吹填土一般 要经过水力吹填、沉积排水和固结压密三个阶段。河海大学的方丌泽、洪振舜3 3 】【3 4 】对吹填 土的沉积过程做过试验，认为沉积排水可分为自由沉降、自重固结和次固结三个阶段。吹 填土的固结速度与程度，与吹填工程的安全与稳定有直接关系。k y n c h 假设土粒的浓度c 是决定沉降速度k 的唯一因素，于1 9 5 2 年提出了沉淀理论的控制方程( 1 ) 。 v ( c 1 竺+ 竺：0 ( 1 ) a 毛 a t 其中，c _ 固体浓度 岛欧拉坐标 v ( c ) = k + c 华 ( 2 ) 口c 其中，v 。固体的沉降速率 p a na n ds c h i f f m a n 曾将沉降与固结统一起来考虑，用控制方程( 3 ) 模拟饱和土的沉降 与固结的有效应变。b e e n 2 】提出沉积与固结理论可以从同一个基本原理得到，当把有效应 力假设为零时，沉积理论可以从固结理论推导出来。 斟器鲁 羔等卦砸a k 叶( e ) 蛐d f l 0 - t 水a e ，= ， 其中，用函数【p ) 来体现固结与沉降的关系，如图1 1 所示。 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 图1 j 1 当p 时，= o 为纯沉降阶段，华：o ，控制方程变为( 4 ) f ，益一1 1 旦- 堕 丝+ 一o e ：o ( 4 ) l y 。| 如l o + e ) j 如o t 可以写成： v ：( e ) 譬+ i o e ：0 鼽心，= 睁 笔 丽k 上述方程与k y n c h 的形式是一致的 当e s 巳时，：1 ，纯固结阶段，则控制方程变成( 5 ) 。 睁埘器惨孤0 k ( e ) ，d 比o 瑟o e 彳o e 。 上述方程和1 9 6 7 年g i b s o n 2 6 得到的大变形固结方程是一致的。该过程由函数庀【e j 和 仃7 ( p ) 确定；当乞p e m 时，为过渡阶段，其间的变化根据试验确定或可如图1 所示，按 照p 时，：0 ，p g 时，：1 来计算。 1 3 本文研究的主要内容及技术路线 1 3 1 研究内容及意义 本文采用吹填过程中进行预加固的理念，即在吹填过程中对淤泥进行固化处理，向 淤泥中加入固化剂，以此来改善吹填土的整体性能。由于在淤泥固化处理中，对于不同的 淤泥，即使加入相同种类、相同量的固化材料，固化淤泥的强度也会有很大的差别，所以 本文取上海浦东地区的海相淤泥与武汉东湖湖底的湖相淤泥，遵循从原状土结构性破坏、 吹填土的沉积特征、固化剂掺加后的结构强度再形成对吹填土工程力学特性改善效果、吹 填施工工艺优化等层层推进的研究思路，系统对比分析湖、海相吹填土的结构强度再形成 过程；探求两地吹填土的落淤、沉积过程中结构强度再形成过程的宏细观特征；探求吹填 土固化剂的选用及配比对固化效果的影响规律，并采用f l a c 连续介质快速拉格朗同分析 程序来模拟固结剂吹填土的固结性状，并将模拟结果与室内实测结果进行比较，为进一步 研究吹填土的沉降特性及固化机理提供重要的定量化参考依据。本文的主要研究内容如 武汉科技大学 硕士学位论文第9 页 f ： 1 、以上海、武汉两地的淤泥质土为研究对象，利用室内试验对原状土的物质组成、 化学成分等进行测定。 2 、在前人的研究基础上，主要对两种和三种复合型固化剂对湖、海相吹填淤泥的固 化效果进行研究，明确固化剂掺入量、土样含水率及养护龄期对固化土强度指标 的影响规律，优选出最佳的固化剂组合和配比。 3 、通过量简沉积试验，模拟吹填土表层沉积过程，观测不同土水比及不同固化剂作 用下，泥浆的沉降速率，沉积后的体积变化，推算出沉积过程中泥浆的孔隙比、 容重、含水量的变化情况。 4 、通过沉降柱试验，模拟吹填土深层沉积情况，对添加了固化剂的两种不同类型的 吹填土的落淤、沉积过程进行观测，描述、对比其结构强度再形成的宏细观表征， 并对沉积固化后的吹填固化土的工程地质性质进行试验测定。 5 、采用f l a c 连续介质快速拉格朗同分析程序来模拟固结剂吹填土的固结性状，并将 模拟结果与室内实测结果进行比较。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 1 3 2 研究技术路线框图 图1 2研究路线框图 武汉科技大学硕士学位论文第11 页 第二章吹填淤泥固化剂固化效果对比试验 2 1 试验内容 本试验选取湖北武汉东湖湖底淤泥和上海浦东地区的海相淤泥作为研究对象，综合考 虑固化效果和经济性，在前人选用水泥、石膏