王年香,何 寧,章為民,顧行文,任國峰(南京水利科學研究院,江蘇南京210024)
充填土沉積特性試驗研究
王年香,何 寧,章為民,顧行文,任國峰
(南京水利科學研究院,江蘇南京210024)
疏浚土及吹填泥能否作為充填料是土工織物充填袋筑堤技術關鍵問題。針對連云港疏浚土,開展泥水混合物沉積模擬試驗,研究了黏粒含量和初始含水率對泥水混合物自重沉積特性的影響,以及作為充填材料的適用性。試驗結果表明:充填土沉積過程可分為沉淀階段和自重固結階段。沉淀階段時間較短,土性指標很快趨于穩(wěn)定。自重固結階段土性指標幾乎沒有變化,表明充填土自重固結是相當緩慢的;充填土初始含水率越大,或黏粒含量越小 ,最大沉淀速率越大,沉淀越快。初始含水率越大,或黏粒含量越大,沉淀結束時充填土含水率和孔隙比越大,密度越??;當充填土黏粒含量大于10%時,在確保充填土的流動性和可灌性前提下,應盡量減小初始含水率 ,從而降低充填土沉淀結束時的含水率和孔隙比 ,提高密度;當充填土料的黏粒含量大于30%時,最大沉淀速率很小,沉淀的持續(xù)時間將會比較長,不利于工程施工。因此,充填土料的黏粒含量應小于30%。
充填土;沉積特性;黏粒含量;初始含水率;試驗研究
充填泥袋筑堤是沿海地區(qū)港口航道工程和圍海造陸工程中采用的一種重要施工技術,該技術是將土工織物制成一定形狀的帶狀袋體,利用水力充填和機械方法等向袋體內(nèi)充填土料并疊砌而形成的袋體堤,利用土工織物的隔離、排水和防護作用使土體快速固結。這種結構具有對軟土地基適應能力強、整體穩(wěn)定性好、施工速度快、造價低、環(huán)境影響小等優(yōu)點,尤其是在砂石材料匱乏的地區(qū),更顯示出其優(yōu)越性。土工織物充填土袋筑堤技術經(jīng)過不斷的現(xiàn)場試驗研究[1-3]和室內(nèi)試驗研究[4-6],已廣泛應用于水利、交通及海岸等工程領域[7-9]。
將疏浚土通過吹填方式充填到充填袋中,首先產(chǎn)生自重條件下沉積,沉積過程受諸多因素的影響且比較復雜。詹良通等[10]研究了海相淤泥泥水混合物的初始含水率、海水中陽離子類型及其濃度對自重沉積特性等。Been等[11]利用沉積柱試驗研究了粉質黏土(黏粒含量為30%)的自重沉積固結特性,測得不同初始密度泥水混合物在自重沉積過程中各時刻的密度剖面、超孔隙水壓力剖面以及土顆粒離析分布特征。彭濤等[12]對深圳地區(qū)吹填淤泥進行了靜態(tài)落淤試驗研究,獲得了自重沉積固結后的孔隙比范圍。劉瑩等[13-15]對連云港和青島的吹填土進行了沉積柱試驗和表面蒸發(fā)結殼試驗研究,并探討了水泥和石灰兩種摻入劑對自重沉積固結特性的影響,獲得了不同初始密度泥水混合物的沉積速率和固結后的孔隙比范圍。Miyake等[16]通過離心模型試驗分析了吹填淤泥在自重作用下的排水固結過程 ,并利用一維大變形固結理論對離心模型試驗所模擬的原型情況做了分析。
現(xiàn)行國家技術規(guī)范[17-18]規(guī)定“土工織物充填袋筑堤充填土料應采用排水性較好的砂性土、粉細砂類土,且黏粒含量不應超過10%”。由軟黏土形成的淤泥質淺灘在我國沿海地區(qū)廣泛分布,港口航道建設、圍海造陸工程中將產(chǎn)生大量的疏浚土及吹填泥,這類棄土的黏粒含量一般較高,是否可以用作筑堤充填料,尚未進行深入研究。本文針對連云港疏浚土淤泥沉積物,開展泥水混合物沉積模擬試驗,研究黏粒含量和初始含水率對泥水混合物自重沉積特性的影響,以及作為充填材料的適用性,達到利用當?shù)貤壨临Y源、降低工程建設成本、實現(xiàn)環(huán)境資源保護的目的,為工程建設服務。
試驗所用的黏性土和砂性土兩種土樣取自連云港港區(qū) ,其顆粒組成見表1。將試驗土樣分為黏性土、砂性土和混合土(黏性土和砂性土各一半)。其中,黏性土的黏粒含量為32.5%,砂性土為6.2%,混合土為19.35%。每種土樣又按照初始含水率的不同,分成100%、200%、300%三種情況,組成9組不同的試驗。
表1充填土顆粒組成
試驗時,將各組充填土按照相應的比例加水制作成初始含水率不同的泥水混合物,分別置于量程為1 000 ml的標準量筒內(nèi)。將泥水混合物充分攪拌混合后,使其在自重的作用下充分沉積 ,同時每隔一定時間,測讀土樣體積的體積變化,進而計算土樣沉淀速率、孔隙比、含水率、密度等,以研究不同黏粒含量對充填土沉積特性的影響。
作為評價泥水混合物沉積的一個重要指標,沉淀速率的大小直接反映了泥水混合物的沉積情況,圖1給出了不同黏粒含量、不同初始含水率條件下泥水混合物的沉淀速率過程線。從圖1中可以看出,在不同黏粒含量和初始含水率條件下 ,沉淀速率的變化大致分為2個階段。第一階段可以看作是快速下沉階段,此階段內(nèi)沉淀速率的變化比較大,沉淀速率快速下降,這個階段的沉淀速率主要取決于土的黏粒含量和初始含水率,表現(xiàn)為土的黏粒含量越小或初始含水率越大,沉淀速率越大,沉淀速率下降得也越快。第二階段可以看作是平穩(wěn)下沉階段,在該階段內(nèi)沉淀速率基本保持穩(wěn)定,曲線比較平緩,這是因為經(jīng)過上一階段的沉積,土顆粒的沉淀已經(jīng)基本完成,土體開始發(fā)生自重固結。但是由于土粒受到水的浮力作用,沉積仍在發(fā)展,但速率卻很小,該階段持續(xù)很長時間。
表2列出了不同黏粒含量和不同初始含水率條件下泥水混合物的最大沉淀速率和沉淀結束時間,圖2給出了最大沉淀速率隨初始含水率和黏粒含量的變化曲線,從圖2中可以看出,最大沉淀速率隨著初始含水率的增加而增大,隨著黏粒含量的增加而降低。特別的,當黏粒含量小于20%時,最大沉淀速率隨黏粒含量的增加而降低的幅度較大,表現(xiàn)出快速下降的趨勢;當黏粒含量大于20%時,最大沉淀速率降低的幅度較小,曲線比較平緩。
圖1 充填土沉淀速率過程線
表2充填土最大沉淀速率和沉淀結束時間
圖2 充填土最大沉淀速率隨初始含水率和黏粒含量的變化
圖3給出了泥水混合物的沉淀結束時間隨初始含水率和黏粒含量的變化關系,從圖3中可以看出,沉淀結束時間隨著初始含水率的增加而線性減小,隨著黏粒含量的增加而幾乎線性增大。也就是說,初始含水率越大,或黏粒含量越小,最大沉淀速率越大,沉淀越快。綜合圖2可以得出,當充填土料的黏粒含量大于30%時,最大沉淀速率很小,沉淀的持續(xù)時間將會比較長 ,在這期間充填泥袋的抗風浪能力很差,不利于各充填泥袋堤體的穩(wěn)定性。因此,從工程穩(wěn)定性上看,充填土料的黏粒含量應小于30%。
圖3 充填土沉淀結束時間隨初始含水率和黏粒含量的變化
圖4~圖6分別為不同黏粒含量和不同初始含水率條件下充填土的孔隙比、含水率、密度變化過程線,從圖4~圖6中可以看出,充填土的孔隙比、含水率、密度的變化過程可分為沉淀階段和自重固結階段,在沉淀階段變化較大,孔隙比、含水率隨時間迅速減小,密度隨時間迅速增大;在自重固結階段它們變化相當平緩。由表3更可以看出,在經(jīng)歷3個多月的自重固結后,沉淀108 d與沉淀結束時相比,充填土的含水率和孔隙比只降低1.4%,密度只提高0.6%,這樣的變化幅度說明充填土物理指標幾乎沒有得到改善,表明充填土自重固結是相當緩慢的。因此,充填袋土筑堤,最上一層應填筑一定厚度開山石作為壓重和保護,以加快充填袋土的固結和穩(wěn)定。
圖4 充填土孔隙比過程線
表3 沉淀結束時和沉淀108 d 充填土的物理性指標
圖7~圖9分別為沉淀結束時充填土含水率、密度、孔隙比隨初始含水率和黏粒含量的變化關系,從圖7~圖9中可以看出,沉淀結束時充填土含水率和孔隙比隨著初始含水率的增加而增加,隨著黏粒含量的增加而增大;密度隨著初始含水率的增加而減小,隨著黏粒含量的增加而減小。也就是說,初始含水率越大,或黏粒含量越大,沉淀結束時充填土含水率和孔隙比越大,密度越小。黏粒含量對充填土沉淀結束時含水率、孔隙比和密度的影響大于初始含水率的影響,如果黏粒含量小于10%,則初始含水率對它們的影響就很小。因此,當充填土黏粒含量小于10%時,可以增加充填土的初始含水率,以增加充填土的流動性和可灌性 ,這樣同樣可以使沉淀結束時充填土的含水率和孔隙比較小、密度較大;當充填土黏粒含量大于10%時,在確保充填土的流動性和可灌性前提下 ,應盡量減小充填土的初始含水率 ,從而可以降低充填土沉淀結束時的含水率和孔隙比,提高密度,以保證充填土的穩(wěn)定性。
圖5 充填土含水率過程線
(1)充填土沉積過程可分為沉淀階段和自重固結階段 ,沉淀階段時間較短,土性指標很快趨于穩(wěn)定,自重固結階段土性指標幾乎沒有變化,表明充填土自重固結是相當緩慢的。
(2)充填土初始含水率越大,或黏粒含量越小,最大沉淀速率越大,沉淀越快。
(3)初始含水率越大,或黏粒含量越大,沉淀結束時充填土含水率和孔隙比越大,密度越小。
圖6充填土濕密度過程線
圖7 沉淀結束時充填土含水率隨初始含水率和黏粒含量的變化
(4)當充填土黏粒含量大于10%時,在確保充填土的流動性和可灌性前提下,應盡量減小充填土的初始含水率 ,從而可以降低充填土沉淀結束時的含水率和孔隙比,提高密度,以保證充填土的穩(wěn)定性。
圖8 沉淀結束時充填土濕密度隨初始含水率和黏粒含量的變化
圖9 沉淀結束時充填土孔隙比隨初始含水率和黏粒含量的變化
(5)當充填土料的黏粒含量大于30%時,最大沉淀速率很小,沉淀的持續(xù)時間將會比較長,不利于工程施工。因此,充填土料的黏粒含量應小于30%。
[1] Shin E C,Oh Y I.Analysis of geotextile tube behaviour by large-scale field model tests[J].Geosynthetics International,2003,10(4):134-141.
[2] 謝榮星,何 寧,周彥章,等.土工織物充填泥袋筑堤現(xiàn)場試驗研究[J].工程勘察,2013,41(6):6-11.
[3] 盛 利,趙長偉,諸葛愛軍.工程監(jiān)測分析在大型充灌袋防波堤工程中的應用[J].中國港灣建設,2006,(1): 43-45.
[4] 王年香,顧行文,任國峰 ,等.充填土袋受力和變形特性離心模型試驗研究[J].三峽大學學報:自然科學版,2014,36(5):37-41.
[5] 王年香,顧行文,朱群峰 ,等.充填土袋排水特性試驗研究[J].水運工程,2014,(10):156-160.
[6] 王年香,顧行文,任國峰 ,等.充填土袋堤變形和穩(wěn)定離心模型試驗研究[J].工程勘察,2014,42(11):1-5.
[7] 王文杰,余祈文,宋立松 ,等.土工充泥袋拋壩促淤試驗研究與實踐[J].水利學報 ,2003,34(2):88-92.
[8] 李寶強.土工織物充灌袋在天津港海堤建設中的研究及應用[J].中國港灣建設 ,2003,(5):36-38.
[9] 張文斌 ,譚家華.土工布充砂袋的應用及其研究進展[J].海洋工程,2004,22(2):98-104.
[10] 詹良通,童 軍,徐 潔.吹填土自重沉積固結特性試驗研究[J].水利學報,2008,39(2):201-205.
[11] Been K,Sills G C.Self-weight consolidation of soft soils: an experimental and theoretical study[J].Geotechnique,1981,31(4):519-535.
[12] 彭 濤,武 威,黃少康,等.吹填淤泥的工程地質特性研究[J].工程勘察,1999,(5):1-5.
[13] 劉 瑩,肖樹芳,王 清 .吹填土室內(nèi)模擬試驗研究[J].巖土力學,2004,25(4):518-528.
[14] 劉 瑩,王 清.江蘇連云港地區(qū)吹填土室內(nèi)沉積試驗研究[J].地質通報,2006,25(6):762-765.
[15] 劉 瑩,王 清.水泥與生石灰處理吹填土對比試驗研究[J].工程地質學報,2006,14(3):424-427.
[16] Miyake M,Akamoto H,Aboshi H.Filling and quiescent consolidation including sedimentation of dredged marine clays[C]//Proceedings of Centrifuge,1988:163-170.
[17] 中華人民共和國國家質量技術監(jiān)督局,中華人民共和國建設部.GB50290-1998.土工合成材料應用技術規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,1999.
[18] 中華人民共和國交通部.JTJ239-2005.水運工程土工合成材料應用技術規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.
Laboratory Study on Sedimentation Behavior of Dredged Fills
WANG Nian-xiang,HE Ning,ZHANG Wei-min,GU Xing-wen,REN Guo-feng
(Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210024,China)
Whether the dredged fill can be used as filling material of the geotextile bags is a key technical problem in the construction of dams and embankments.Laboratory tests were carried out to study the influence of clay content and initial water content on the self-weight sedimentation behavior and the applicability as filling material of dredged fills in Lianyungang Harbor.Results indicate that the sedimentation process can be divided into sedimentation stage and self-weight consolidation stage.The former stage is very short,and the soil indexes stabilize quickly.The latter stage takes very long time,and the soil indexes rarely change.The maximum sedimentation rate is larger and sedimentation time is shorter with larger initial water content or smaller clay content.The larger the initial water content or the clay content is,the larger the final water content and void ratio of dredged fill is,and the smaller the final density is after sedimentation.If clay content is larger than 10%,the initial water content should be as small as possible with liquidity of filling,so as to get smaller final water content,void ratio and larger final density.If clay content is larger than 30%,the maximum sedimentation rate is very small and the duration of sedimentation is relatively long,which is disadvantageous to the engineering construction.Therefore,the clay content of dredged fill should be less than 30%.
dredged fill;sedimentation behavior;clay content;initial water content;laboratory study
TU44
A
1672—1144(2015)02—0090—05
10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.019
2014-12-22
2015-01-28
國家自然科學基金項目(51179106);國家高技術研究發(fā)展計劃 863項目(2012AA112509);江蘇省交通科學支撐計劃項目(BE2011718)
王年香(1963—),男,江西信豐人,博士 ,教授級高級工程師,博導,主要從事巖土工程基本理論和試驗研究工作。
E-mail:nxwang@nhri.cn