上海冲填土自重固结沉降离心模型试验
杨 坪1, 2，唐益群1, 2，周念清1, 2，王建秀1, 2
(1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室，上海，200092；
2. 同济大学 地下建筑与工程系，上海，200092)
摘 要：为了了解冲填土在自重作用下的变形规律，以上海临港新城地区冲填土为材料，采用离心模型试验，模拟冲填土10 a的自重固结沉降过程，用Orgin软件对试验数据进行回归分析。冲填土的自重固结沉降与时间的关系符合Hill模型，利用Hill模型可对冲填土地区沉降变形进行预测。试验结果表明：冲填土的自重固结过程包括快速固结和缓慢固结2个阶段，快速固结阶段所需时间大约1 a，缓慢固结阶段时间较长；在快速固结开始阶段，沉降很快，固结时间为0.5 a的固结度可达50%， 快速固结阶段的沉降量占最终沉降量的80%，而缓慢固结阶段的沉降量只占最终沉降量的20%.
关键词：冲填土；自重固结；沉降；离心试验
中图分类号：TU411.93 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2008)04-0862-06
Consolidation settlement of Shanghai dredger fill under
self-weight using centrifuge modeling test
YANG Ping1, 2, TANG Yi-qun1, 2, ZHOU Nian-qing1, 2, WANG Jian-xiu1, 2
(1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University,
Shanghai 200092, China;
2. Department of Geotechnical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: In order to understand the reform law of the dredger fill under self-weight, a centrifuge model test was used to study the consolidation settlement of the dredger fill in Lingangxincheng area of Shanghai under its self-weight for 10 a. The relationship between settlement and time was fitted by Orgin. An empirical formulation, Hill model, was determined. The results show that the Hill model can be used to predict the consolidation settlement of dredger fill. The consolidation settlement under its self-weight includes two stages: quick consolidation and slow consolidation. The quick consolidation takes about 1 a while the slow consolidation requires even longer time. At the initial stage of the quick consolidation, soil settles fastly. 50% of the settlement is completed after half a year. 80% of the total settlement takes place during the quick consolidation. The remaining 20% of the settlement occurs during the slow settlement.
Key words: dredger fill; self-weight consolidation; settlement; centrifuge modeling test
随着沿海城市经济建设的迅速发展，沿海城市对土地资源的需求日益增大，利用水力吹填海底泥砂造陆(水力吹填形成冲填土)是缓解土地资源紧张的有效途径。冲填土的形成方式特殊，目前，国内外关于冲填土的研究主要在2个方面：
一是冲填土基本物理特性。如刘莹等[1]对连云港和青岛2个地区的冲填土的成分特征、物理化学性质和基本物理性质等方面进行对比研究，得出吹填泥砂来源和水力条件是影响冲填土性质的主要因素；王华敬等[2]对钱塘江吹填土的沉淀特性进行了研究。
二是冲填土地基工程处理方法及地基性能。如刘莹等[3-4]还从微观结构方面研究了冲填土固化的结构强度增长机理，认为结构强度具有随压力增长的趋势；Jeng等[5-6]对土工布在吹填土中的应用进行了探讨；单秉文等[7]对深层搅拌法加固吹填土进行了研究；Prashanth等[8-9]运用生石灰和水泥混合对吹填土进行加固试验研究；Mejia等[10-11]对冲填土坝的抗震性能进行了研究；Bemben[12]对冲填土坝的安全监测进行了研究。目前，人们对冲填土自重固结沉降的研究很少。
冲填土地区的利用规模愈来愈大，如上海临港新城293 km2的新城建设，大部分是在冲填土上进行，还有天津、珠海等沿海城市，都在利用冲填土进行市政建设和港口建设，与冲填土有关的岩土工程问题越来越突出。Mikasa通过研究大量软土固结过程后发现，软土的固结特性与太沙基的固结理论不太符合，他认为当土层很软很厚时，土层的自重应力对固结过程影响很大，土层自重应力在固结过程中是一个不容忽视的因素。因此，深入开展对冲填土固结变形的研究，对有效控制、避免或减轻地面沉降灾害的发生，指导工程的设计、施工以及沉降的预测评价和防治等有重要的理论价值和实际意义。
1 试验设计
由于土的自重固结是在自身重力作用下完成，影响自重固结沉降很重要的一个因素就是时间，而一般土在自重应力作用下的固结变形所需时间很长，要想通过试验研究自重固结沉降，采用常规试验在时间上很难满足要求，而离心模型试验采用比尺缩小的效 应[13]，模型在短时间内可以满足固结要求，因此，本文作者采用离心模型试验对冲填土自重固结沉降进行试验研究。
试验在同济大学岩土工程重点实验室TLJ-150离心机上进行。该离心机最大加速度为200g(1g= 9.8 m/s2)；有效旋转半径为3.0 m。在50g的离心力场中，可以产生最大振动加速度10g。
1.1 离心模型相似比
要据模型性状准确地预测原型的性状，模型试验必须满足相似准则[14]。根据土工模型试验相似准则，若采用与原型同样性质的土料制模，且使模型与原型所处的应力状态一致，就可以保持模型与原型各种合理的相似，其条件为：
式(1)即为离心模型相似基本准则，它表示模型与原型土料一致时，若长度量纲l缩小n倍，则模型的重力加速度gm必须比原型的重力加速度gp增大n倍，这样才能保持模型与原型中重力所产生的应力一致。
利用基本量纲相似比尺，按物理定律就可导出离心模型中相关物理量的相似比尺，即离心模型相似比，如表1所示。
表1 离心模型试验各物理量相似比
Table 1 Similar ratio of centrifuge modeling test
1.2 试验模型
根据前人的试验经验，模型大小的确定应满足以下条件[15-16]：
a. 模型高度与有效半径之比低于0.2或为0.173 9；
b. 模型宽度与高度比要较大，应力水平允许相对误差在3%以内；
c. 模型距模型箱内边距以0.16 m为好。
根据目前上海洋山港地区局部吹填厚度达30 m，结合实验室模型箱的大小，试验模型长×宽×高确定为0.7 m×0.45 m×0.25 m，模型高度为0.25 m，根据表1中长度的相似关系，对应原型中的30 m，原型中上部7.2 m为上海临港新城冲填土厚度。模型土料为上海临港新城冲填土，试验研究冲填土颗粒与颗粒之间开始有相互作用力到冲填土固结完成的过程，冲填土的基本物理参数如表2和表3所示。
表2 冲填土的颗粒含量
Table 2 Particle composition of dredger fill
表3 冲填土的物理力学性质
Table 3 Physical and mechanical properties of dredger fill
1.3 试验参数
离心模型试验参数主要是根据试验要求和离心机试验能力，按照离心相似准则确定的。离心试验参数如表4所示。
表4 离心模型试验参数
Table 4 Parameters of centrifuge modeling test
2 模型制作及试验实现
2.1 模型的制作过程
a. 试验土料按确定的模型箱分层土的体积和容重初算质量称取；
b. 向每层土料中加入已知质量的水；
c. 均匀等速地向模型箱中抛土，每完成一轮抛土，便调换另一个方向进行下一轮抛土，以避免局部抛土过多或过少现象，确保每轮抛土所形成的土层厚度各点大致均匀；
d. 每层模型抛土结束后，静置12 h，让土充分饱和；
e. 在设计位置预埋沉降标；
f. 重复上述步骤，直至抛完全部土层为止。
2.2 沉降标的分布及沉降变形量测
根据离心试验经验，离边界0.16 m的区域可以忽略边界效应的影响。对于本试验，即为图1(a)中的虚线范围，3个沉降标均分布在虚线区域内，其中1号、3号为分层沉降标，2号为表面沉降标。位移沉降标的布置如图1(b)所示。
单位：mm
(a) 平面分布；(b) 剖面分布
图1 模型沉降标分布示意图
Fig.1 Distribution of settlement mark in model
本试验采用电涡流非接触式的位移传感器进行沉降变形量测。
2.3 试验过程控制
试验过程的控制主要是控制加速度，本试验加速度为120g，试验结束标准是运行到设计时间，即6.084 h。
a. 数据采集系统运行，调整最佳位置，记录各通道位移传感器的初始读数；
b. 离心机开机加速运行5 min后，离心加速度达到120g；
c. 当离心加速度升至120g后，保持该加速度继续运行，一直运行到设计运行时间为止；
d. 数据采集系统一直工作到离心机停稳为止。
3 试验结果分析
3.1 冲填土自重固结沉降量
冲填土模型在加速度为120g的离心机中固结6.084 h后，模型最终沉降量如表5所示。根据表1中的相似关系，可以得出原型中冲填土的沉降量，如表5所示。由表5可见，土的自重固结沉降量与土层所受上覆应力有关，相同性质的土在相同环境下，当上覆应力较大时，其单位自重固结沉降量也较大。经试验得出上海临港新城厚度为7.2 m的冲填土自重固结沉降量为0.332 m。
表5 冲填土的自重固结沉降量
Table 5 Consolidation settlement of dredger fill under self-weight
3.2 固结沉降与时间的关系
在试验过程中，各点测得的固结沉降与时间的关系如图2~4所示。
图2 1号点沉降与时间关系曲线
Fig.2 Relationship between settlement of
point No.1 and time
图3 2号点沉降与时间关系曲线
Fig.3 Relationship between settlement of
point No.2 and time
图4 3号点沉降与时间关系曲线
Fig.4 Relationship between settlement of point No.3 and time
从图2~4所示的沉降曲线看，冲填土的自重固结沉降可分为2个阶段：快速固结阶段和缓慢固结阶段，如图2~4中AB段和BC段。在快速固结阶段早期，沉降很快，沉降曲线近似呈线性；随着固结时间的延长，沉降速率下降较快，曲线呈缓慢下降趋势，如图中BC段开始部分所示，这说明在这一阶段，快速固结向缓慢固结转化，沉降曲线呈非线性；而随着固结时间的进一步延长，进入缓慢固结阶段，沉降速率明显降低，且变化幅度很小，最终趋于稳定。从图2~4可得出冲填土模型固结时间为1 800 s，根据表1中的时间相似关系，对应原型中的300 d，沉降速率已减小
到0.1 μm/s，固结时间为0.5 a时沉降量可达最终沉降的50%。
3.3 冲填土沉降速率与时间的关系
冲填土沉降速率与时间的关系如图5所示。
图5 冲填土沉降速率与时间的关系曲线
Fig.5 Relationship between settlement velocity and time for dredger fill
从图5可知，冲填土的沉降速率在沉降初期最大，随着沉降时间的延长，沉降速率迅速减小，如图中AB段；当时间达到1 800 s，即原型中的300 d时，沉降速率减小到10-4，沉降速度变得非常缓慢，沉降进入缓慢固结阶段，即图5中的BC段，冲填土的固结速率很小，并最终趋于稳定。
3.4 冲填土固结度与时间的关系
冲填土固结度与时间的关系如图6所示。
图6 固结度与时间的关系曲线
Fig.6 Relationship between degree of consolidation and time
从图6可见，在试验开始初期，试验进行到1 100 s时，如图中A点，即原型中的184 d，冲填土固结度已达50%；当试验进行到1 800 s，如B点所示，即原型中的300 d时，冲填土固结度达80%；当试验进行到7 750 s时，如图中的C点，即原型中的1 291.5 d，冲填土固结度达90%；当试验进行到15 000 s ，即原型中的约2 500 d时，冲填土固结度已达99.4%。这说明在固结开始时，沉降速率很大，沉降量很大，占最终沉降量的50%以上；而当沉降进入C点后，沉降速度很缓慢，沉降量小，只占最终沉降量的10%。这与图5中沉降速率所反映的沉降情况一致。
3.5 冲填土固结沉降随时间的发展规律
对图2~4所示的曲线进行拟合，可得冲填土自重固结沉降与时间的关系式如下：
对于本试验，其拟合参数如表6所示。拟合曲线如图2~4中虚线所示。
从图2~4所示的拟合曲线和表6中的相关参数可以看出，拟合值与试验值较吻合，因此，冲填土自重固结沉降与时间的关系可以用式(2)进行描述，利用式(2)可对冲填土自重固结沉降进行预测。
表6 冲填土拟合参数
Table 6 Regress parameters of dredger fill
4 结 论
a. 通过试验得出上海临港新城7.2 m厚冲填土的自重固结沉降量为0.332 m。
b. 经过1 a固结时间沉降后，冲填土完成80%的固结沉降。
c. 冲填土的自重固结可分为2个阶段：快速固结阶段和缓慢固结阶段。冲填土完成快速固结沉降的时间约为1 a，其缓慢固结沉降是一个漫长的过程。
d. 冲填土自重固结沉降与时间的关系符合
，利用此式可预测自重固结过程中任一时刻的沉降量。
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收稿日期：2007-09-21；修回日期：2007-12-11
基金项目：国土资源部、上海市人民政府联合资助项目(基[2004]011-02)；上海市博士后科研基金资助项目(05R214145)
通信作者：杨 坪(1977-)，男，四川泸州人，博士后，从事土的工程性质、地基处理等研究；电话：13611665248；E-mail: csuyangp@163.com
