（岩土工程专业论文）模袋固化土海上围埝建造方法及理论研究.pdf

中文摘要 为了降低工程造价、充分利用沿海地区廉价丰富的淤泥质粘土资源，本文研 究利用模袋固化土作为堤心来替代砂石料等常规材料修建海上围埝。 本文结合海上围埝的工程特点，通过有限元分析、离心模型试验等方法对模 袋固化土围埝的工作机理和建造方法进行研究，并通过工程现场原位监测结果进 行分析验证，主要研究内容和成果如下： 1 通过对固化土工程特性的研究，分析和总结了各影响因素对物理和力学 指标的影响规律，找出影响固化土强度的主要因素，提出固化土的质量控制办法 和指标，为海上固化土围埝设计参数的选取提供了重要依据： 2 通过离心模型试验、室内水工模型试验，结合有限元分析深入分析了模 袋织物的抗滑机理和模袋固化土围埝的破坏形式，提出了适合模袋固化土围埝的 地基稳定、地基固结等计算公式和计算方法，确定出一套适合于模袋固化土围埝 的断面计算理论和设计方法； 3 结合工程对海上围埝建造方法进行研究，分析海上围埝施工的特点和模 袋固化土施工的技术难点，提出了模袋固化土海上围埝的施工工艺、监测技术和 质量检验的方法，为模袋固化土海上围埝技术的实际应用奠定了理论基础； 4 紧密结合依托工程进行一系列的原位测试，掌握了模袋固化土围埝实际 的受力和变形情况，用实测数据与离心模型试验结果、有限元计算结果以及设计 理论和计算方法进行了对比分析，从而达到完善设计理论，优化设计方法的目的。 研究表明，模袋固化土做为海上围埝的堤心充填物是完全可行的，在软基上 以模袋固化土堤心+ 模袋混凝土护面结构建造海上围埝是稳定可靠的。 关键词：模袋固化土；海上围埝；稳定性；机理；抗滑 a b s t r a c t t h i sp a p e rs t u d i e st h e a p p l i c a t i o no fg e o t e x t i l eb a g sf i l l e d w i t h s o l i d i f i e ds o i la st h ec o r eo f c o f f e r d a m sf o rm a r i n ew o r k s t h el o w - p r i c e d a n ds u f f i c i e n ts i l t yc l a ys o i la l o n gt h ec o a s to ft i a n j i np o r tc a nb ef o u n d n e a r b y , t h u st h ec o n s t r u c t i o nc o s t so f t h ep r o j e c th a v eb e e nl o w e r e d b a s e do nt h e a n a l y r s i s o ft h e o p e r a t i o n a le h a r a c t e r i s t i e s o f c o f f e r d a m sf o rm a r i n ew o r k s ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h er e s e a r c h o nt h em e c h a n i s ma n dc o n s t r u c t i o nm e t h o d so f t h ec o f f e r d a m sf o rm a r i n e w o r k sw i t hc h e - m i c a lf i b r eb a g sf i l l e dw i t hs o l i d i f i e ds o i la st h ec o r e ， a p p l y i n gt h e f i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dc e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ( c m t ) a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so fr e s u i t sa c h i e v e df r o mt h em o n i t o ro nt h es i t e ， t h em a i nc o n t e n t sa n dc o n t r i b u t i o n so f t h ep e ra r ei i s t e dh e r e ： 1 w i t ht h eh e l po f t h ea n a l ) 7 s i so f t h ec o n s t r u c t i o nf e a t u r eo f p r o j e c t s o ns o l i d i f i e ds o i l t h er u l e so fc o r r e l a t e di n f l u e n e eo fv a r i o u sf a c t o r so n t h ed i f f e r e n tv a r i a b l e so fp h y s i c sa n dm e c h a n i c sa n dv a r i a b l e sw h i c hm a y a f f e c tt h ei n t e n s i t yo fs o l i d i f i e ds o i lh a v eb e e nf o u n do u t t h em e t h o df o r m o n i t o r i n gt h eq u a l i t yo fs o l i d i f i e ds o i la n dp a r a m e t e r sr e l a t e dt oi th a v e a l s ob e e np o i n t e do u t , w h i c hc a np r o v i d ef o r c e f u lr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g n o f a n yr e l a t e dp r o j e c t si nt e r i l l so f c h o i c eo f p a r a m e t e r s 2 b a s e do nt h ec e n t r i f u g a lm o d e lt e s t ( c m na n di n d o o rw a t e r e n g i n e e r i n gm o d e lt e s t ，t h ea n t i - s l i pm e c h a n i s mo ft h e m i c a lf i b r eb a g s a n dd e c o n s t r u c t i o nw a y so fc o f f e r d a m sf o rm a r i n ew o r k sw i t ht h e m i c a l f i b r eb a g sf i l l e dw i t hs o l i d i f i e ds o i la st h ec o r ew e r eb e i n ga n a l y z e d w i t h t h ea p p l i c a t i o no ft h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h eo p e r a t i o n a lf o r m u l aa n d o p e r a t i o n a lm e t h o d sf o rt h es o l i d i t yo ff o u n do fc o f f e r d a m sf o rm a r i n e w o r k sa r ep u tf o r w a r d ，a n do p e r a t i o n a lt h e o r i e sa n dd e s i g n i n gw a yo f s e c t i o n so f t h o s ec o f f e r d a m sa r ea l s of i r m l ye s t a b l i s h e d 3 t h ep a d e rm a d er e s e a r c ho nt h em e t h o df o rt h ec o n s t r u c t i o no f c o f f e r d a m sf o rm a r i n ew o r k sa n da n a b ，z e dt h ec o n s t r u c t i o nf e a t u r ea n d d i f f i c u l tp o i n t si nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n gc o f f e r d a m sf o rm a r i n e w o r k sw i t ht h e m i c a lf i b r eb a g sf i l l e dw i t hs o l i d i f i e ds o i la st h ec o r e i n a d d i t i o n ，t h ep a p e rl i s t e dt h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , t h em o n i t o r i n g t e c h n o l o g y , a n dt h ec h e c k i n gm e t h o d sf o rq u a l i v y o fc o f f e r d a m sf o r m a r i n ew o r k sw i t ht h e - m i c a lf i b r eb a g sf i l l e dw i t hs o l i d i f i e ds o i j 豁t h e c o r e ，w h i c hc a np r o v i d es o l i dt h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ea p p l i c a t i o no f t e c h n i q u e so f d e s i g n i n gr e l a t e dp r o j e c t s 4 t h ea c t u a ld e f o r m i n gs i t u a t i o no ft h ec o f f e r d a m sh a sb e e n m o n i t o r i n go nt h es i t e ，as e r i e so fd a t ac o l l e c t e df r o mt h em o n i t o rh a v e b e e nc o m p a r e dw i t ht h er e s u l t sd r a w nf r o mt h ec e n t r i f u g a lm o d e lt e s ta n d c o m p u t e db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i nt h ew a y , d e s i g n i n gt h e o r i e s a n dm e t h o d sw e r ef u r t h e ra d v a n c e d t h er e s e a r c hi n d i c a t e st h a ti ti sf e a s i b l ef o re h e m i c a lf i b r eb a g s f i l l e dw i t hs o l i d i f i e ds o i lt ob eu t i l i z e da st h ec o r eo fc o f f e r d a m sf o r m a r i n ew o r k s i ti sr e l i a b l et oc o n s t r u c tc o f f e r d a m sf o rm a r i n ew o r k so n s o f tf o u n dw i t hc h e m i c a lf i b r eb a g sf i l l e dw i t hs o l i d i f i e ds o i la st h ec o r e a n dc h e m i c a lf i b r eb a g sf i l l e dw i t hc o n c r e t e 嬲t h es u r f a c e k e yw o r d s ：g e o t e x t i l e b a g sf i l l e dw i t hs o l i d i f i e ds o i l ；c o f f e r d a m sf o r m a r i n ew o r k s ：r e l i a b i l i t y ；m e c h a n i s m ；a n t i - s l i p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和驭得的 研究成果，除了文中特i i i i 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗盘至或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者勰确峰签字日期：耐年6 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨空盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫生态堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：纠商礴 签字日期：弘彤锌f 月扩日 导师 1 3 l 饼以 签字日期：彤年月争日 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 1 1 1 研究背景 综观全球，凡是土地资源不足的沿海国家和地区，都会通过围海造陆向大海要 土地来解决土地资源问题，一来可以扩大耕地面积，增加粮食产量；二来可以增加 城市建设和工业生产用地。 国外海岸滩涂围垦开发最早始于荷兰【1 _ 2 1 ，几百年来荷兰修筑的拦海堤坝长达 1 8 0 0 公里，增加土地面积7 0 多万公顷，约占国土面积的1 5 ：日本是个岛国，国土 面积小，人口密度高，土地资源贫乏，因此。日本对围海造陆情有独钟，提出了国 土倍增计划，拟用2 0 0 年时间在周围海域新造1 1 4 万公顷的土地，其至今已在沿海 建海上人工岛8 0 多座：新加坡国土资源严重不足，为此新加坡已经围海造地1 0 0 多平方公里，如世界最大、最壮观的机场之樟宣机场、工业区裕廊镇等地都 是填海而建的；即便是土地资源相对富足的国家，如法国和英国也都有利用沿海滩 涂进行大规模围海造陆的工程。 我国对沿海滩涂的围垦开发有着悠久历史【3 】，据记载，西汉吴王开始就利用沿 海滩涂进行开发利用，沿海几大河口地区约2 亿亩土地原属于古海涂地区，经过了 千百年不断围垦形成大陆。建国以来，我国共围海造陆约1 8 0 0 万亩( 1 2 0 0 0 平方公 里) 。近年来，我国沿海省市把沿海滩涂的保护和合理开发利用作为海岸带开发、向 海洋进军的一个重要组成部分，纷纷制定了保护和合理开发利用滩涂资源的方略。 建国以来仅上海市即圈围滩涂1 3 1 万亩( 8 7 3 平方公里) ，使上海的土地面积扩大了 1 4 ，圈围的滩涂面积约是嘉定、闵行二区的土地面积总和。 伴随着中国经济的高速发展，东部沿海地区的城市发展用地和岸线资源越发紧 张，人们的目光更集中的投向了海洋，进一步加大了对海洋开发的力度。自2 0 世纪 9 0 年代以来，各地围海造陆和新建扩建港口的力度和规模不断加大，无论是港口防 波堤或是围海大堤，海上筑堤围埝技术被广泛应用，新的结构形式也是层出不穷。 1 1 2 海上围埝的结构现状 围海造陆主要是利用海岸附近地势平缓的滩涂进行圈围，围埝是围海工程的主 体，也是海岸防护的主要工程措施。它是保护沿海地区免遭风浪、暴潮侵袭的屏障， 也是河1 ：3 地区防洪的保障。基于技术及施工设备能力的限制，国内外早期的围埝基 第一章绪论 本上采用抛石斜坡堤结构形式f 4 - 5 1 ，只是根据工况条件的不同，有的采用木桩排草袋 埝堤心，有的直接采用抛石堤心，表面则以大块石进行护面。 随着2 0 世纪施工技术和材料科学的进步以及理论研究的深入，海上围埝的结构 形式也有了长足的发展： ( 1 ) 在结构形式上，除了传统的斜坡堤形式【引们，又出现了更适于深水区( 泥面 在2 o m 以下) 的大直径圆筒直立堤、沉箱结构直立堤、半圆体防波堤等新型结构， 如兼具港口防波堤和围海外堤功能的天津港北大防波堤工程采用的半圆体防波堤、 日本柴山港双层圆筒防波堤、天津港北大防波堤试验段采用的筒型基础圆筒防波堤 等； ( 2 ) 在堤心材料方面，随土工织物技术的发展，逐步衍生出充砂袋堤心、充泥袋 堤心、大管袋堤心等传统抛石堤心的替代物【“3 0 。国外水利工程中采用大体积土工 织物模袋已经非常普遍，其中比较典型的如荷兰的“土工包”技术，目前国内水利 水运工程采用模袋砂被堤也已相当广泛； ( 3 ) 在护面结构方面，在早期的预制栅栏板、扭工字块形式的基础上，发展出天 力块、模袋混凝土等护面形式【1 0 2 3 1 ； ( 4 ) 在软基处理形式上，除早期的抛石挤淤，又出现了砂桩、爆炸挤淤、塑料排 水板，高强土工软体排等软基处理形式i 孔- 3 9 。 1 1 3 海上围埝工程的特点 海上围埝直接承受海浪、风暴潮、海流的作用，而且围海工程的围埝多建于淤 泥质海涂上，断面面积较大，工程量也较大。在围海工程中，海堤的防浪护坡、软 基处理和围海堵口是主要的技术问题【2 5 】。 在近海区，尤其是在有一定水深的条件下( 如在理论基准面1 o m 左右) ，高潮 时水深4 5 m ，由于面向外海，海上袭来的风浪、涌浪是不可避免的。每当朔望天文 大潮期间，一遇台风或热带风暴或大风过境，往往出现天文高潮位与风暴潮叠加， 会构成对围埝的严重威胁，这是与有掩护或水深很浅的滩涂、江河湖畔围埝的一个 非常明显的不同。如不注意波浪作用下的埝体抗浪稳定性，尤其是施工期的掩护， 将可能导致施工期的重大损失。如若在外海( 如江浙一带的岛屿) 施工，条件将更 加恶劣，篪工难度和风险也更大。 由于围埝多处于淤泥质软基上，浅层数米内地基土的含水量达6 0 7 0 ，快剪内 摩擦角中一0 0 ，十字板剪切强度c u 仅约l o k p a , 力学指标极差，必须采取软基处理措 施才能满足地基承载力和整体稳定性的要求。 第一章绪论 1 1 4 模袋固化土海上围埝技术的提出 在我国漫长的海岸线上，分布着大面积的由软粘土形成的浅海滩，如天津、广 东、上海、宁波、连云港等地区，在这些地区修建海上围埝大多采用抛石斜坡堤和 近几年发展起来的充砂袋斜坡堤，这些结构都需要使用大量的砂石料，对于砂石料 资源缺乏的地区不得不投入较多的资金用于砂石料的采购与运输，即便对于砂源丰 富的地区，由于目前人们的环境资源保护意识的逐渐增强，也不再提倡进行砂石料 资源的采挖。 以天津港为例，天津港地处于渤海湾西部，海河下游出口处，港口及港口周边 地区地势平坦，沿海滩涂表层主要分布为淤泥或淤泥质土【2 9 】。天津港附近没有砂石 料来源，现建设用的砂石料大多数来自1 0 0 多公里外的山区或来自其它沿海地区， 因此到港后的砂石料成本较高，每年港口建设部门不得不在此项上投入大笔的建设 资金。因此，利用本地区廉价丰富的淤泥质粘土资源，替代砂石料等常规材料修建 围埝、护岸等水工建筑物，将具有深远的意义。 本着降低造价、就地取材、充分利用软土地区的淤泥质粘土的想法，形成了模 袋固化土海上围埝技术的主要思路。模袋固化土海上围埝技术的主要做法是直接挖 取海底软土，并在其中掺入固化剂( 如水泥) ，经机械搅拌均匀形成流动状的拌和土， 再充灌到码放就位的大型土工模袋中形成模袋固化土，逐层码放充灌后形成海上围 埝。采用该技术不仅可以节省大量的工程材料费用，还可以大大减少波浪对围埝的 破坏作用，特别是围埝形成时期的破坏。但目前该技术的使用还存在许多问题，主 要反映在固化土工程特性不清楚，无设计计算方法、现场强度如何评价等。如果要 推广使用该项技术就必须解决上述急需解决的问题。所以，对模袋固化土海上围埝 技术的研究有着非常重要的意义。 1 2 研究的现状及存在的问题 1 9 9 6 年在黄骅港一期工程的引堤南护岸东侧和横堤建设时曾采用大型充泥袋 【2 夺抓4 0 - 4 ”，充填材料为亚砂土或粉砂，在施工中出现了被海浪冲垮等问题，未能在 正式工程中使用；2 0 0 1 年7 月，天津港在进行南疆码头的l # 墩改造厨埝旃工时【2 “ 4 2 ，原设计围埝采用传统的抛石加草袋模式，在施工过程中，遭遇到恶劣天气和风 浪的影响，施工无法按计划进行，每天抛筑施工的围埝仅经历一次潮汐过程就被夷 为平地，在没有其它适合方案的情况下，决定尝试模袋固化土技术，即在模袋内充 灌掺入水泥后的淤泥质土，但由于施工设备、施工技术的制约，效果不理想，后改 用国内成功的施工方法一一充灌粉细砂施工工艺。2 0 0 3 年1 月，天津港北大防波堤 西内堤一期工程中采用了大型充填袋堤心结构，其中+ 3 o m 以上断面采用的是充填 第一章绪论 固化土。但由于施工是在没有设计标准的情况下进行，因此存在许多问题，主要反 映在固化土工程特性不清楚、无设计计算方法、现场强度如何评价等等。如果要推 广使用该项技术就必须解决上述急需解决的问题。 在类似天津港的软土地基上修筑围埝时，采用模袋固化土作为围埝的堤体，由 于土工织物模袋可以承受拉力，且固化土的强度较高，可以提高地基的整体稳定性。 到目前为止，对堤体( 模袋充灌砂、泥) 自身稳定性( 滑移) 的理论研究与实验研 究，已有不少的研究成果发表渺7 4 1 。但对地基整体稳定性的抗滑机理及相应的分析 方法研究尚很少见。在围埝的稳定计算中，埝体材料的强度、埝的断面型式十分重 要。对于固化材料掺量较少的固化土，其强度不高，采用固化土做为堤体材料的强 度按固化土的单轴抗压强度考虑还是按土体抗剪强度考虑，对稳定计算影响较大， 需进行深入的研究。 模袋固化土围埝与铺设土工织物加筋垫层的土石围埝相比，具有明显的整体结 构性好，抗拉性强等特点。但其抗滑机理有相似之处，主要是因为土工织物的抗拉 性能而产生抗滑作用，其稳定性分析，可以借鉴土工织物加筋垫层抗滑作用的分析 方法。同时模袋本身对围埝的稳定可以发挥一定作用，计算理论研究中应充分考虑 7 5 - 8 3 。边坡稳定计算方法很多，如简单条分法、简化毕肖普法等，计算理论比较成 熟，围埝边坡内增加加筋垫层后的稳定计算，水运工程土工织物应用技术规程t 3 8 中推荐在简单条分法的抗滑力矩上增加一项加筋垫层水平力形成的抗滑力矩，但安 全系数的提高与实际工程情况不符，工作机理尚没弄清。对于模袋固化土围埝这种 特殊的边坡，如何进行稳定计算使之与实际相符，还必须在加筋垫层抗滑稳定分析 研究成果的基础上，针对模袋固化土的特点，通过大量的理论推导结合有限元分析， 并经室内离心模型试验、实际工程观测结果检验验证后，弄清模袋固化土的工作机 理，提出一套适用于模袋固化土边坡稳定分析的方法，用以指导设计施工。 2 0 0 2 年，天津港启动北大防波堤项目，而其中的西内堤部分具备良好的自然地 理条件，因此，建设单位一一天津港务局决定以“天津港北大防波堤西内堤( 一期) 工程”为依托，组织科研、设计、施工单位联合开展模袋固化土海上围埝技术的研 究，重点研究解决固化土配比试验、强度指标的确定、现场质量控制标准、施工机 械设备等技术问题。2 0 0 3 年在上海召开的中港集团专家委员会二届二次会议上，确 定“模袋固化土海上围埝技术的研究”为中港集团2 0 0 3 年度a 类研究项卧a 4 ，并以 此工程为依托开展课题研究。 1 3 本文的研究内容 本研究主要针对模袋固化土围埝在外部荷载作用下的稳定情况和破坏方式、固 化土的工程特性进行研究，结合依托工程提出合理的分析计算方法，为设计方法的 4 第一章绪沦 建立提供可靠的依据。主要研究内容如下： ( 1 ) 模袋固化土围埝基本理论和设计方法研究 目前采用传统的围埝设计方法设计模袋固化土围埝仅是权宜之计，其中有许多 地方需要改进。因此，设计方法研究拟在上述理论研究的成果上，经过离心模型试 验、室内水工模型试验以及现场原位测试结果的验证，确定一套适合于模袋固化土 围埝断面设计方法，并以新的设计方法进行示范工程断面优化设计，最后得到比较 理想的设计方法和计算模型。 ( 2 ) 固化土工程特性研究 固化土与水泥搅拌土的最大区别在于水泥搅拌土的掺量较大，而周化土的特点 就是固化剂( 水泥) 掺入量少，其固化强度低，在低强度的状态下，应对固化土的 工程特性进行深入的研究，对固化土强度的影响因素进行分析，提出固化土围埝的 合理强度指标。在室内对比成型试验中，分别对不同水泥掺量、不同养护条件、水 灰比、不同龄期的固化土进行分析研究，对各因素对物理性指标和力学性指标的影 响规律进行分析和总结，得出以上各影响因素对相应指标的影响曲线，提出固化土 的质量控制办法和指标。 ( 3 ) 模袋固化土围埝海上建造方法研究 为了做好依托工程的施工，需对模袋固化土的海上建造方法进行研究，在试验 中逐渐摸索出施工中的可能技术难点，其中包括：固化土模袋的选材，固化土的设 备研制以及搅拌、充灌控制，固化土模袋的现场定位，现场施工工艺和质量控制措 施。通过依托工程的施工，摸索并总结出一套实用的施工工艺。 ( 4 ) 现场原位监测与检验 为了对设计理论和计算方法进行复核，以及对离心模型试验结果、有限元计算 结果进行比较，本课题研究紧密结合依托工程进行一系列的原位测试，掌握了模袋 固化土围埝本身的受力和变形情况，从而达到完善设计理论，优化设计方法的目的。 现场分别对原地基土在围埝填筑过程的沉降、位移和孔隙水压力的变化情况进行观 测，并对观测结果进行分析。同时通过有限元计算、室内离心模型试验和水工模型 试验与观测结果进行对比验证和分析，为围埝设计理论的研究提供依据。 第二章模袋固化土的强度形成机理及室内试验研究 第二章模袋固化土的强度形成机理及室内试验研究 2 1 模袋固化土的基本材料研究 由于模袋固化土的组成比较简单，仅需要土、海水、固化剂和模袋，经现场搅 拌充灌即可形成。同时由于模袋固化土的后期强度主要取决于固化土材料组成，因 此我们将研究对象主要集中在海上施工固化土的组成材料上，即海底软粘土、海水 以及固化n t “。 2 1 1 海底软粘土的主要特性 由于我国大多数港口分布在沿海或河流的出海口，港口所在处一般都分布有一 定厚度的软土层，这些软土厚度一般在十米到五、六十米之间，以淤泥及淤泥质粘 为主，都具有天然含水量大、天然孔隙比大、压缩性高、强度低等特点。个别地 区的软土含水量高达1 0 0 以上，孔隙比超过2 0 全国部分沿海港口软土指标的统计情况见表2 - 1 ，矿物成分分析结果见表2 2 。 表2 1全国部分沿海港口软土指标统计表 土名地区含水量( )密度( g k m 3 )孔隙比液限靼限冁性指教 大连北良 4 1 喜8 56l5 2 - i8 2i7 3 9 23 4 6 3 4 5 33 1 98 2 56 1 76 - 3 27 天津港 4 6 0 - 7 55l5 8 - l7 5l5 0 0 - 20 4 23 05 5 4 l1 78 3 l91 27 2 8 0 淤 连云港庙岭 5 4i 1 0 40i4 0 - 17 0l4 4 7 30 0 23 7 9 - 5 6 32 02 3 541 54 3 08 泥 汕头 5 0 0 - 9 8 li4 6 一l6 6i5 0 26 l3 20 5 4 31 99 3 051 2 l 2 38 深圳女9 湾 9 l7l5 l24 8 65 022 8 l2 2 i 澳j 机场 6 l9l6 3i6 9 05 252 8 i2 44 天津港 3 50 - 5 5bl6 3 一l 鲇l0 0 0 14 9 82 86 5 2 l1 97 3 251 72 2 63 上海5 0 0 - 6 00l3 一l 63 6 - - 4 52 0 - 2 41 7 2 4 淤泥质 杭州 4 70 l7 3 l3 4 04 1o2 20 1 90 粘土宁波 5 0 0l7 0i4 2 04 5 02 502 0o ( 淤粘) 福州4 5 0 - 9 0 0 i4 0 - i7 6l i 一273 s o 7 s01 60 一”0 黄骅港 3 b l - 5 20l7 0 l8 73 02 - 4 461 8 l 一2 461 8 l 2 l5 天r # 港 3 53 5 89i6 6 - l9 409 5 7 一l6 2 32 43 - 5 541 6 i 3 561 0 0 1 69 淤泥质 黄骅港3 20 - - 4 89 l7 9 l9 l2 59 3 831 58 t 45l o 卜1 45 粉质粘土烟台港 3 92l8 3l0 5 02 971 79 l l8 ( 淤粉粘)上海 3 5 0 - 4 00l8 0) io3 302 l0 i o 1 7 本文依托工程所在的天津港位于渤海湾西部，所辖地区全部为淤泥质土海岸， 现新港高程系统1 3 m 以上主要为淤泥或淤泥质软土，按地质历史划分这一层土属第 四纪“全新世”，土层形成时间很短，土的固结程度很差，强度较低，在天津港现所 辖范围以及规划范围，这一层土的厚度最大将近2 0 m ，最小的地方也有1 2 1 3 m 。 第二章模袋固化土的强度形成机理及室内试验研究 表2 - 2 全国部分港口软土矿物成分分析结果 主要矿物主要粘土矿物中 腐殖质有机质 ( )c ) 酸碱度 石英 长石 枯t 矿物蒙脱石伊利石高蛉石，绿泥石 ( p z 色法) 样本( 1 )次镦主1 0 02 30 6 70 06 3 5 2 2 2 078 6 大连北良样本( 2 )次微主 702 806 5005 5 423 3 07 4 3 样本( 3 )05 8 023 3 077 4 丹东 9 06 i 03 0009 0 074 6 烟台港主次微微徽 0 0 6 0l5 1 074 5 样本“)徽主傲 0 4 5 007 8 08 6 5 黄骅港 样本【2 )主主 05 1 008 9 0 连云港 主主 07 2 0l2 9 083 3 汕头港 04 0 008 3 075 8 深圳妈湾 2 73 672 0328 0 074 0 根据收集汇总的多年来对天津港地区软土的研究成果，天津港地区表层粘性土 中所含粘土矿物以蒙脱石为主，非粘土矿物中主要为石英、方解石，长石。土颗粒 形状不规则，但厚度较均匀，呈片状，且颗粒间形成架空结构，孔隙比较大。软土 ( o 1 0 m ) 的超固结比( o c r ) 比值大约为o 8 左右，属于未完全固结型软土， 士具有高压缩性、低强度等特点。 根据已有的对c d mv 法的研究成果【3 1 8 8 ，当含水薰大于1 0 0 1 6 0 时，搅 拌后土的固化效果不明显，一般认为海底土的含水量略大于流限含水量时效果最佳。 含伊利石的软粘土固化效果不佳；当有机质含量大于5 ，腐植质含量大于l 时固 化效果不明显。水泥的固化一般应在碱性环境中，酸性环境可能导致水泥缓凝甚至 不凝，当p h 值小于4 时，固化效果不明显。 由表2 1 和表2 2 可以看出，除丹东地区外，上述地区软粘土的主要特性基本 满足与水泥发生固化的条件，固化效果较好。 2 1 2 海水水质分析 经对国内部分港口的海水水质情况进行的取样化验表明，只有大连北良、天津 新港的海水s 0 4 2 有弱腐蚀性，其余指标均达不到弱腐蚀性标准，因此我们认为上述 地区的水质不会对水泥固化的强度构成明显影响。化验结果见表2 - 3 。 7 第二章模袋固化土的强度形成机理及室内试验研究 表2 3 全国部分港口海水水质分析结果 岩土工程勘察规范对混凝土及 丹东 大连北良港天津新港汕头港 钢筋产生弱腐蚀性的杯准( m 类 环境，长期浸水) m g l c a 2 +2 5 5 94 5 7 21 0 4 4 02 2 3 5 m 9 2 + 7 4 3 91 3 1 2 61 0 4 4 05 5 4 9 5 6 ( 弱腐蚀性) 2 1 3 固化剂的选取 目前市面上的土壤的固化剂品种繁多，但各地对土壤固化剂的认识程度具有较 大的差异，本次研究和依托工程主要采用传统的p o 3 2 5 普通硅酸盐水泥做为固化 剂，适当进行了几组e o 4 2 5 普通硅酸盐水泥的试验。采用水泥做为固化剂主要出 于以下几个方面考虑： ( 1 ) 水泥做为固化材料在混凝土、水泥土中已经相当成熟，且水泥做为固化剂对 土质、水质等无其它严格要求，对环境影响也不大； ( 2 ) 水泥的价格较为低廉，且品质检验的方法也非常成熟，对固化土的质量控制 易于把握； ( 3 ) 其它一些固化剂产品市场一般还不成熟，且价格不菲，运用效果还有待进一 步考究： “) 为了方便现场施工和施工质量管理，选择固化剂的品种、掺入比等应尽可能 地简单。 在进行室内试验初期，我们曾进行了数组添加h y ( 一航局一公司提供) 、 r t n 2 0 0 0 ( 韩国r t n 株式会社提供) 和t h ( 天津波利公司提供) 等土壤固化剂或 混凝土外掺剂的试验，同时还进行了几组掺入钢化纤维网的对比试验。试验结果表 明，在只掺入h y 、r t n 2 0 0 0 或t h 的情况下，成型后的“固化土”试样的强度几 乎和同等条件下只掺入水泥固化剂的的淤泥质土相当，见图2 - 1 t 图2 5 ，说明这些 固化剂对淤泥土强度的改善没起到明显增强作用，也就是说，土的强度基本上没有 得到改善。掺入钢化纤维的固化土的强度比不掺钢化纤维的固化土的强度还要低( 见 图2 6 ) 。 试验控制的固化土含水量在5 8 左右。 。l i - j ! ； j 1 - 吖1 0 0 e n 口u v 。f i l = ：菇泵赫兹剖 o5 1 0 1 52 02 5 霁护龄甜 图2 - l6 水泥掺量时掺入h y 固化剂的对比试验结果 无 1 0 0 0 + 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 ，2 0 0 0 0 0 0 ：1 ： - 水泥+ 0 h y i i j 8 水泥+ 0 4 h y l 图2 28 水泥掺量时掺入h y 固化剂的对比试验结果 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 无侧服抗压强度( g p a ) i i - i b 覃翌 i - 6 水泥+ 0 2 t h | 图2 - 36 水泥掺量时掺入t h 固化剂的对比试验结果 9 l 玑 仉 m m 乱 第二章模袋固化土的强度形成机理及室内试验研究 i t l l 8 水泥 - 8 水泥+ 0 2 1 1 t 图2 - 48 水泥掺量时掺入t h 固化剂的对比试验结果 1 4 l ，2 1 o o o o 啪 o 6 0 0 o 4 0 0 o 2 0 0 o o o o l - j 7 l 1 0 水泥 l l 似水泥+ o i r t n 2 0 0 0 ( 含水量5 8 ，) - i 帏水泥+ o 1 姐册0 0 0 ( 含水量7 5 ， 图2 51 0 水泥掺量时掺入r t n 固化剂的对比试验结果 无侧限抗压强度( m p a ) 1 0 0 0 8 水泥 l l 8 水泥+ o 2 钢化纤维 i i 养护 龄期 第二章模袋固化土的强度形成机理及室内试验研究 为了再次验证这些土壤固化剂与水泥的共同作用，我们还进行了这些固化剂与 水泥的砂浆标准强度试验，同没有固化剂的水泥砂浆标准强度对比结果见表2 4 ，试 验结果表明，这些土壤固化剂对混凝土的强度提高也不明显。 表2 - 4 试验用水泥及掺入外掺剂的试验报告 项目 3 2 5 r3 2 5 r + h y o 2 3 2 5 r + h y o 4 3 2 5 r + n 0 2 抗折强度3 d 5 65 45 15 4 ( m p a ) 2 8 d8 48 78 58 5 抗压强度3 d2 4 02 4 o 2 2 0 2 4 o ( m p a ) 2 8 d 5 1 14 8 94 8 04 7 1 4 2 5 r4 2 5 r + h y o 2 4 2 5 r 十t h 0 2 抗折强度3 d 5 45 4 5 4 ( m p a ) 2 8 d8 78 0 8 i 抗压强度3 d 2 8 42 7 o 2 7 8 ( m p a ) 2 8 d5 2 o4 8 05 1 6 通过以上这些试验可以认为，在没有找到其它更为合适的固化材料的时候，可 以直接将p o 3 2 5 以上普通硅酸盐水泥做为固化剂，不必添加其它固化剂。根据过 去在水泥搅拌桩以及混凝土方面的经验，将普通硅酸盐水泥为主要研究对象。 在水泥标号上，主要进行了目前市面上最常用的p o 3 2 5 和p o 4 2 5 两种水泥 的试验，p o 4 2 5 的强度比p o 3 2 5 的强度高出约5 2 0 ( 见图2 - 7 图2 - 8 ) ，考 虑水泥价格方面的因素，可以认为p o 3 2 5 普通硅酸盐水泥即可满足需要。 l - 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 无侧限抗压强度( g p a ) 媵黧矧 - - i l l + ；： l 养护期( d ) 5l o1 52 02 53 03 54 0 6 掺量下两种水泥的对比试验( 含水量5 8 ) 第二章模袋固化土的强度形成机理及室内试验研究 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 0 0 无侧限抗压强度( 肝a ) - - ：i 。 j 4 2 5 - 8 水泥 i i ij - 3 2 g - 8 水泥 ： 兼#龄期 0 51 0i g2 02 53 03 54 0 图2 88 掺量下两种水泥的对比试验( 含水量5 8 ) 2 1 4 模袋的选型 目前模袋充填砂被施工技术已经比较成熟，模袋固化土与模袋充填砂只是在充 填材料上有较大的不同，但模袋的选材等还有许多可以借鉴之处。经过现场的试验 验证，我们认为，用于进行固化土充灌用的模袋可以采用普通高强机织土工布，同 时缝制后的模袋需满足以下几方面的条件： ( 1 ) 单个模袋的长宽可以依断面大小而定，垂直于围埝轴线方向( 即宽度方向) 应 为整体，一般每个模袋的宽度应与该层模袋所处高度的断面宽度基本一致；为保证 整体性，长度方向应大于宽度：每层模袋的实际高度应控制在5 0 c m _ _ _ 1 0 范围内为 佳；为了便于充灌控制。可以在模袋内缝制一定数量的拉筋； ( 2 ) 模袋用土工布可用1 8 0 9 m 2 以上的机织土工布( 土工布的主要技术指标见表 3 3 ) 按规定的尺寸采用工业缝纫机缝制； ( 3 ) 每个模袋应留有一定数量的袖口，用于固化土的充灌以及充灌过程中的临时 排水和排淤； ( 4 ) 每个模袋上应缝制足够数量的系带，用于上下左右模袋的定位与固定，同一 层相邻两个模袋之间应无缝搭接，上下两层模袋搭接的沿长度方向的错距应不少于 5 m 。 第二章模袋固化土的强度形成机理及室内试验研究 表2 5模袋用土工布的主要技术指标 项目名称技术指标项目名称技术指标 单位面积质量 1 8 0c b r 顶破强度( n ) 3 0 0 0 ( g m 2 ) 厚度( m m )渗透素数( c m s ) 0 0 0 2 抗拉强度 经1 3 0 0 ( n 5 c m ) 纬 1 1 0 0 等效孔径( m m ) 0 9 5 o 0 5 伸长率 经3 5 ( ) 纬 3 5 模袋厚度( m m ) 5 0 0 哂o o 撕裂强度经 4 5 0 落锥穿透直径( m m ) 8 o ( n ) 纬 3 5 0 由于模袋的作用主要在固化土充灌时保持模袋形状不发生大的变化，且充灌时 固化土不漏出，因此对模袋的品质要求不高，故本次研究不再对不同材料模袋进行 对比试验。 2 1 5 试验用材料 本课题的研究主要配合依托工程的各个施工阶段进行( 依托工程概况详见第三 章) ，因此试验的士样以及海水也主要取自于依托工程所在地，试验土样为淤泥质粘 土、淤泥和淤泥质粉质粘土。试验用土的主要物理力学性质指标见表2 - 6 。对比试验 的淡水为天津市的居民用自来水，水泥分别选用的是为p o 3 2 5 和p o 4 2 5 普通硅 酸盐水泥。 表2 - 6土的主要物理力学性质指标统计表 土名含水量容重孔隙塑性 液性直剪快剪 压