路江鑫论文欠固结淤泥质吹填土压缩渗透非线性特性试验研究

欠固结淤泥质吹填土压缩-渗透非线性特性试验研究Experimental Study on Nonlinear Characteristics of Pemeability and Compressibility of Soft Clay 领 域：水利工程作者姓名：路江鑫导 师：夏开文 教 授企业导师：侯晋芳 高 工天津大学建筑工程学院二零壹伍年拾贰月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取得的研究成果，除了文中特别加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 天津大学 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。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 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： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要随着沿海地区经济建设迅速发展及城镇化进程的加快，内河航道清淤疏浚及滩涂浅海区围海造陆工程大规模推进，吹填厚度越来越大。加固前吹填淤泥尚处于流动状态，其含水量远大于液限，属于欠固结土。通过试验发现，吹填淤泥在小应力阶段，压缩-渗透非线性变化较大，与大应力状态下存在较大差别，工程实际表明，采用大应力状态下渗透系数和压缩系数来计算吹填土的固结问题存在较大偏差。传统的固结理论假定压缩系数和渗透系数为常数,没有考虑土体压缩渗透非线性特性，不符合实际。本文以天津滨海新区围海造陆工程为背景，对不同吹填区土质做了充分调研，选取具有代表性的东疆港区（TJDG） 、临港工业区（TJLG ） 、南港工业区（TJNG）吹填土为试验土样，利用 GDS 高级固结仪对吹填土的固结渗透特性开展试验研究。具体研究内容为：（1）基于 GDS 高级固结仪对三种不同液限（41.50% 、50.25% 、46.75%）吹填土开展连续的固结渗透试验，得到不同液限吹填土在特定固结压力下或孔隙比下的渗透系数。（2）基于试验结果，对吹填土压缩渗透特性进行分析探讨，采用 4 种非线性渗透模型及 3 种非线性压缩模型对试验数据进行线性拟合及综合分析并确定模型参数，获得适用于天津地区吹填土的最佳非线性压缩、渗透关系。（3）通过对模型参数对比分析，发现同一模型不同液限土体，模型参数不同，为研究软黏土压缩性、渗透性随土质和孔隙比变化的普遍规律，采用液限孔隙比 eL 对试验数据进行归一化处理，引入归一化参数 e/eL,提出采用Chapman-Richard 成长模型对吹填土压缩性、渗透性进行描述。建立了吹填土kv-e/eL 拟合方程及 e/eL-p 关系拟合曲线。（4）针对基于 Chapman-Richard 成长曲线获得的吹填土 kv-e/eL 及 e/eL-p 拟合方程，收集和整理国内外 29 组渗透试验数据及 12 组高含水量软黏土压缩试验数据对其有效性进行验证，得到具有普适性的软黏土压缩性及渗透系数预测表达式，并分别在 e=1.3eL（接近液限） 、e=e L（液限）处 将曲线采用简化的双线性进行描述，同时赋予其物理意义。关键词： 吹填土 渗透系数 Chapman-Richard 成长模型 固结 双线性ABSTRACTWith the rapid development of economic and construction in coastal areas，The scale and technology of reclamation have achieved a vigorous development in China. Dredged silt is in a state of flow and its water content is much bigger than its liquid limit, which is underconsolidated soil. It has been found that the nonlinear characteristics of permeability and compressibility of dredge fill under lower stress are different compared with the higher stress. The practical application shows that the traditional small-strain consolidation theory to predict compressibility and permeability of dredge fill was usually unsuitable for clay slurry consolidated with effective stress.In this paper, relying on the construction of land reclamation in Tianjin, China, three specimens with different liquid limits are taken from three land reclamation sites, I.e.Lingang(TJLG),Nangang(TJNG),Donggang(TJDG) in Tianjin for the present studies. The 1-D consolidation and permeability tests are conducted in a new consolidation testing system (model GDSCTS) produced by GDS Instruments Pte Ltd,UK. The detailed contents are as follows:（1）Consolidation and permeability tests were conducted on soft clays with different liquid limit（ 41.50%，50.25%，46.75% ） by GDS consolidation apparatus. The coefficient of permeability of soil specimen under the given consolidation pressure is obtained.（2）Regression fitting analyses on 4 common nonlinear permeability models and 3 nonlinear compressibility models were performed based on the test data. The preferred nonlinear function relationships for dredged fill in Tianjin Binhai district are obtained.（3）Comparing with the fitting parameters, soil samples with different liquid limits have different parameters for the same model. In order to find the universal law of permeability coefficient and compressibility with the soil property and void ratio, The void ratio was normalized by the liquid void ratio eL, and the relationships of e/eL with logkv and logp were established based on the test data through the Chapman-Richard curve fitting model. （4）The relationships of e/eL with logkv and p were further verified using 29 groups of test data of permeability and 12 groups of test data of compressibility collected from China and abroad. Relatively good agreements are achieved. The obtained logkv vs. e/eL and logp vs. e/eL relationships can be simplified to bilinear equations with their intersection point on e/eL= 1.3 and e/eL= 1.0 respectively. The proposed relationships can be used as preliminary tools to calculate the compressibility and permeability of reconstituted marine clay encountered in land reclamation projects.KEY WORDS： Permeability Coefficient, Dredged Fill, Chapman-Richard Model, Consolidation, Bilinear Equations目 录第一章 绪论 .11.1 研究背景 .11.2 国内 外研究现状 .31.2.1 软黏土压缩特性研究进展 .31.2.2 软黏土渗透特性研究进展 .51.2.3 饱和软黏土压缩-渗透特性预测公式研究进展 .81.3 研究的必要性和主要内容 .10第二章 基于 GDS 固结仪的淤泥质吹填土固结 -渗透联合测试试验 .122.1 试验土样 .122.2 GDS 一维固结渗透试验系统 .132.2.1 硬件系统 .142.2.2 软件系统 .162.2.3 试验操作原理 .172.2.4 GDS 高级固结仪优势分析 .182.3 试验方案及试验过程 .182.3.1 试验方案 .182.3.2 试验过程 .192.4 试验结果 .222.5 小结 .25第三章 饱和软黏土渗透特性分析 .273.1 欠固结淤泥质吹填土非线性渗透特性分析 .273.1.1 欠固结淤泥质吹填土渗透特性 .273.1.2 已有非线性渗透模型适应性分析 .273.2 基于 CHAPAMN-RICHARD 成长曲线的吹填土渗透系数拟合方程 .313.2.1 已有渗透系数预测公式适用性分析 .313.2.2 吹填淤泥渗透系数 kv 与 e/eL 非线性关系 .323.2.3 基于成长模型的吹填淤泥渗透系数拟合方程 .333.3 饱和软黏土渗透系数预测公式 .353.4 渗透系数预测公式误差分析 .383.5 渗透系数预测公式双线性简化 .413.6 小结 .42第四章 饱和软黏土压缩变形特性分析 .434.1 欠固结淤泥质吹填土非线性压缩特性分析 .434.1.1 吹填淤泥压缩曲线及压缩系数测定 .434.1.2 已有非线性压缩模型适应性分析 .454.2 欠固结淤泥质吹填土压缩非线性拟合方程 .494.3 饱和软黏土压缩性预测公式 .524.4 小结 .55第五章 结论与展望 .565.1 结论 .565.2 展望 .56参考文献 .58发表论文和参加科研情况说明 .63致 谢 .641第一章 绪论 1.1 研究背景近年来，随着沿海地区经济建设的迅速发展，土地需求量日益增加，围海造陆作为最为环保、节能、高效的造陆方式，是解决沿海地区土地资源供不应求的有效手段，更是世界各国发展低碳经济的重要内容之一。目前我国沿海地区围海造陆工程建设正处在前所未有的高速发展时期， “十二五”规划中沿海各地都加快了投资建设的步伐，江苏连云港、上海、天津、沧州、曹妃甸等省市地区都进行了大量的围海造陆工程。正在规划建设中的天津滨海新区临港产业区的围海造陆面积达到了 120 平方公里。这些区域大都属于淤泥质海岸，吹填材料为颗粒极小的淤泥质土，工程性质较自然沉积土而言相当复杂。吹填造陆工艺流程可分 4 步进行阐述：（1）在滩涂浅海区根据规划要求建设设计高度及规划区域的围堰；（2）采集吹填材料，为避免运输挖掘大量的土方量而对陆地环境造成破坏，满足合理有效开发海洋、疏浚航道要求，吹填料常采用挖泥船从海底或者河流入海口挖取淤泥，如图 1-1（a）所示；（3）图1-1（b ）为利用吹填机械将搅碎淤泥吹填至围堰区，1-1（c）为围海造陆工程吹填工艺流程图；（4）对吹填区进行加固，目前最为经济有效的方法是真空预压加固。(a) 挖泥船采取吹填料 (b) 吹填至吹填区(c) 工艺流程淤泥绞吸式挖泥船泥浆输送管吹填区2图 1-1 围海造陆吹填工艺 吹填土吹填完毕后立即进行真空预压加固，其加固过程为：加固前首先在不具备承担插板机械承载力的吹填区进行人工插板实施浅层加固，为深层加固提供具有上插扳机承载力的工作层，如图 1-2（a）所示；最后进行深层加固，如图 1-2（b）所示。(a) 人工插板浅层加固 (b) 深层加固图 1-2 真空预压加固工艺目前吹填土地基在真空预压加固完成投入工程建设后，对其进行变形计算常采用的理论是天然沉积土的相关计算理论，然而后期工程实测数据显示，采用天然沉积土相关计算理论进行建筑物基础变形计算，其计算值远小于实际沉降值，结果导致了很多工程问题的出现：图 1-3（a ）为吹填土地基上的建筑物产生较大的整体沉降，其基础与地面之间产生了较大的沉降差，严重影响着建筑物的使用功能及人民群众的生命财产安全；1-3（b）为吹填土地基较大的整体沉降而导致不均匀沉降，同样影响着建筑物的使用，甚至会造成巨大的经济损失。(a) 较大的整体沉降 (b) 不均匀沉降图 1-3 吹填土地基投入工程建设后出现工程问题忽略工程实际设计施工偶然误差的影响，工程问题出现的原因可以从两个方面进行分析：一是围海造陆工程中真空预压加固对象较以往发生了较大的变化，加固前吹填区内为高含水量（120%） 、高孔隙比（2.8）且为流动状态的吹填淤泥，其含水率大于液限含水