长江口海域软黏土一维固结特性试验研究.pdf

文章编号：1007-2993（2024）02-0211-05长江口海域软黏土一维固结特性试验研究长江口海域软黏土一维固结特性试验研究马锐1吴宪勇1赵丁凤2（1.中船勘察设计研究院有限公司，上海200063；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海200120）【摘要】特殊的沉积条件使长江口海域软黏土的力学特性具有明显的地域性。为研究长江口海域饱和软黏土的固结特性及其参数（固结系数 Cv、压缩系数 av和渗透系数 k）的变化规律，对启东长江口某海上风电项目场地软黏土开展了一系列逐级加载的一维固结试验。结果表明：在自然沉积过程中，长江口海域软黏土因受长江水流及黄海和东海潮波的共同作用而具有较弱的结构性；固结过程中，海域软黏土固结变形的发展可分为线性发展阶段、快速变形阶段、稳定阶段，固结变形增量 Sti随固结应力的增大呈现先减小后增大的变化；固结过程中，长江口海域黏土和粉质黏土的 Cv先减小后增大并趋于稳定，av和 k 逐渐减小并趋于稳定，相较黏土，粉质黏土具有较大的 Cv和 k，较小的 av。研究可为该区域海洋工程的基础设计提供参考。【关键词】海域软黏土；固结特性；固结系数；压缩系数；渗透系数【中图分类号】TU447 【文献标识码】Adoi:10.3969/j.issn.1007-2993.2024.02.014Experiments on One-dimensional Consolidation Characteristics of Marine SoftClay in Yangtze EstuaryMa Rui1Wu Xianyong1Zhao Dingfeng2(1.CSSC Institute of the Engineering Investigation&Design Co.,Ltd.,Shanghai 200063,China；2.Shanghai Waterway EngineeringDesign and Consulting Co.,Ltd.,Shanghai 200120,China)【Abstract】To investigate the consolidation characteristics and the variation of consolidation parameters(consolidation coeffi-cient Cv,compression coefficient av and permeability coefficient k)of saturated marine soft clay in the Yangtze estuary,a series ofmultistage one-dimensional consolidation tests were conducted on the marine soft clay of an offshore wind platform project in theYangtze estuary of Qidong city.The results show that during the natural deposition process,the marine soft clay in the Yangtze estuaryhas a weak structure due to the co-action of the Yangtze River current and the tidal waves of the Yellow Sea and the East China Sea.Furthermore,during the consolidation process,the development of consolidation deformation of the marine soft clay can be divided in-to three stages:linear development stage,rapid deformation stage,and stabilization stage,and the increment of consolidation deforma-tion Sti decreases first and then increases with the increase of consolidation stress.Moreover,during the consolidation process,the Cvof marine clay and marine silty clay first decreases and then increases,and the av and k gradually decrease.The Cv and k of marine siltyclay were larger,and the av was smaller than those of marine clay.This study can provide basic parameters for the foundation design ofmarine engineering in this region.【Key words】marine soft clay；one-dimensional consolidation characteristics；consolidation coefficient；compressibility；per-meability coefficient 0 引言我国提出“海洋强国”和“双碳”两大战略目标，海上钻井平台、海上风电平台、海底管线、海底隧道、跨海大桥等近海岸工程与海洋工程在各海域得到大力发展。我国海洋地质条件极端复杂，海域沉积的黏性土具有显著的固结沉降特性，容易引起海上建（构）筑物的不均匀沉降，从而危害建（构）筑物的安全。探索和掌握海域沉积的黏性土固结特性及其各项指标（固结系数 Cv、压缩系数 av和渗透系数 k）成为海上工程安全实施的关键。目前，国内外学者对各类陆域土的固结特性进行了详细的分析研究，并取得了丰硕的成果1-5，但这 作者简介：马锐，男，1980 年生，汉族，云南楚雄人，大学本科，高级工程师，主要从事岩土工程勘察设计工作。E-mail： 第 38 卷第 2 期岩土工程技术Vol.38 No.22024 年4 月Geotechnical Engineering TechniqueApr，2024些成果能否直接应用于海域土有待进一步验证。在特殊的海水环境和胶结物质的作用下，海域沉积土形成了独特的微观结构，具有高孔隙比、高含水率、高压缩性、低渗透性等特点6-7。因此，学者开始关注海域沉积土的固结特性。王旭东等8发现在固结应力作用初期，天津海积软土的固结速率和压缩量均大于理论值，但持续时间较短。杨爱武等9建立了天津滨海重塑黏土的一维固结蠕变的预测公式。骆以道等10对深圳前海湾海积淤泥进行渗透固结试验，发现在不同固结应力 p 作用下海积土的固结系数 Cv变化较大，同时建立了基于孔隙比的渗透系数 k 计算模型。杨超等11对上海海相软土进行一维固结流变试验，建立了其流变模型。倪静等12研究了各向异性对原状上海黏土固结特性的影响。叶朝良等13通过对一维固结试验研究了不同孔隙比的连云港海积软土的固结变形特性，发现固结应力小于 100kPa 时，不同孔隙比的海积软土体积压缩系数 mv差异较大，但随着压力的继续增大，mv逐渐趋于一致。秦爱芳等14研究了固结应力、超固结比 OCR 对长江口某围堤下淤泥质软土次固结特性的影响。刘维正15通过一维固结试验研究了固结应力、OCR 和不同加荷比对原状珠海软土次固结特性和次固结系数的影响。需要指出，上述研究均是对特定区域的海域土开展的固结特性研究，不完全适用于其他海域不同类型的海域土。特殊的沉积条件使长江口海域土的力学特性具有明显的地域性，因此，有必要开展长江口海域软黏土的固结特性研究。为此，对启东长江入海口原状海域沉积软黏土开展一维固结试验，研究探讨固结系数 Cv、压缩系数 av和渗透系数 k 在不同固结应力作用下的变化。研究长江口海域软黏土的固结特性可为该区域海洋工程的基础设计提供参考。1 试样及试验方法 1.1 试验材料试验所用原状海域沉积土取自启东长江入海口近海域某海上风电项目。该场区位于水下三角洲冲积平原，场区中心离岸距离约 37 km。水域地面最低高程约为11 m，最大高差为 6.55 m。通过敞口薄壁取土器提取钻孔 J4 自海床以下 830 m 深度范围内原状土，该钻孔处的水深为 9.61 m。其物理性质指标按照海上风电场工程岩土试验规程（NB/T101072018）16要求测定，测试结果如表 1 所示。根据岩土工程勘察规范（GB 500212001）17，试验所用海域沉积土分类为粉质黏土和黏土。表 1 长江口海域软黏土基本物理性质指标及标准固结试验方案试样编号基本物理性质指标试验方案海床以下深度/m比重Gs天然含水率w/%天然密度/（gcm3）初始孔隙比e0wL液限/%wP塑限/%塑性指数Ip土类名称各级固结应力pi/kPa每级固结时间/hJ4-1010.510.72.6650.201.701.3531.4016.2015.20粉质黏土2550100200400800160080040024J4-1212.512.72.6440.401.761.1135.0018.5016.50粉质黏土J4-1414.514.72.6547.601.731.2644.3023.3021.00黏土J4-1717.517.72.6543.001.761.1553.8026.0027.80黏土J4-1919.519.72.6349.801.651.3953.2025.8027.40黏土J4-2222.522.72.6547.401.721.2743.9023.1020.80黏土J4-2424.524.72.6743.401.741.2053.1031.0022.10黏土J4-2626.526.72.6742.001.781.1353.0031.3021.70黏土 1.2 试验仪器一维标准固结试验采用 STK.YJZQ16-1W 型无线传输气压式中压固结仪，该固结仪利用气压来控制固结压力，具有自动完成加卸荷及数据采集的功能。固结压力量程为 0 1600 kPa，加压至预定压力的时间小于 1 s，测试精度为 0.5 kPa。位移传感器量程为 010 mm，测试精度为 0.001 mm。数据采集采用无线传输的形式，采样频率为 1 Hz。可满足本试验对荷载等级以及位移数据采集的需求。1.3 试验步骤与方案一维标准固结试验按照海上风电场工程岩土试验规程（NB/T 101072018）16要求进行。试验分为 4 步：利用环刀将原状海相沉积土制备成61.8 mm（直径）20 mm（高度）的实心圆柱样；将制备好的试样置于叠式饱和器并放入真空缸中，对真空缸抽气 1 h 后通入无气水，再静置 24 h 来使试样充分饱和；在固结容器中加入无气水来浸泡上、下透水石；将饱和完成的试样安装至装有无气水的固结212岩土工程技术2024 年第 2 期容器中进行固结试验。试验方案如表 1 所示，试验分 7 级加载，加荷比为 2，每级固结时间为 24 h。第 i 级固结应力作用下的 Cvi采用时间对数法计算。某一固结应力范围内的 av可通过式（1）获得：av=ei1eipi pi1(i=1,2,7)（1）式中：ei为第 i 级固结压力作用下试样固结稳定后的孔隙比；pi为第 i 级的固结应力值。根据 Cvi和 av可得到第 i 级固结应力作用下 ki的计算公式：ki=Cvavw1+ei(i=1,2,7)（2）w式中：为水的重度。2 试验结果与分析 2.1 长江口海域软黏土的结构性土的结构性是指土颗粒或土颗粒通过胶结形成的集合体和大小形状不同孔隙相互间的排列组合及联结等综合特征18。土的结构性使土具有一定程度的稳定性，会影响其力学响应，当外力水平低于结构屈服应力时，土体不会遭到破坏。外力作用时，土的结构性与其力学响应的变化特性可通过 epi曲线揭示。图 1 给出了长江口海域软黏土 epi关系曲线，可以发现，固结应力 pi低于结构屈服应力时，土的结构未遭到破坏，孔隙比 e 的变化量较小；pi超过结构屈服应力时，土的结构遭到破坏，e 的变化量迅速增大。需要指出的是，本试验长江口海域软黏土固结过程中 epi的拐点不是特别明显，体现了此处海相沉积土结构性较弱，力学特性较弱。原因在于：取样场地位于长江口，江口断面扩大，水流速度骤减，长江搬运的碎屑泥沙在此处快速沉积，导致土体结构来不及调整到最佳位置，土颗粒间的胶结也较弱；取样场地外存在东海的前进潮波和黄海的旋转潮波两个潮波系统，多年平均潮差约达 3 m，最大潮差达 5 m，潮波的长期循环作用不断破坏土体结构。因此，在潮汐和水流的共同作用下，长江口海域软黏土的结构性较弱。2.2 长江口海域软黏土的固结变形图 2 给出了半对数坐标系下代表性试样 J4-17的固结变形 Sti时程曲线。可以看出，在 pi作用下，试样的固结变形时程曲线均呈反 S 形，其发展可分为3 个阶段：线性发展阶段（蓝色部分）；快速变形阶段（黑色部分）；稳定阶段（红色部分）。在线性发展阶段，试样内部超孔压因 pi的瞬时施加而逐渐升高，导致土骨架结构重新排布，甚至破坏局部软弱结构；同时，孔隙水缓慢向外排出，形成了排水通道，但排水速率较小。在快速变形阶段，试样内部孔隙水沿着前一阶段形成的排水通道快速向外排出，使超孔压逐渐消散，有效应力增长至 pi，土骨架结构逐渐稳定；试样主固结完成，伴随着较大的固结变形。在稳定阶段，试样在恒定有效应力的作用下进行次固结，骨架结构发生微小变化，引起微小超孔压，少量孔隙水排出，变形相对稳定。还可以发现，随着 pi的增大，试样线性发展阶段的持续时间减小，而快速变形阶段的持续时间增大，但进入稳定阶段的时间基本相同，此规律与文献 13,19-20 中所测试软土的固结变形发展规律一致。1010010000.40.60.81.01.21.4e4-144-174-104-124-194-224-244-26固结应力pi/kPa 图 1 长江口海域软黏土epi关系曲线 0.010.111010010006543210时间/min25 kPa50 kPa100 kPa200 kPa400 kPa800 kPa1600 kPa线性变形阶段快速变形阶段稳定阶段固结变形 Sti/mm 图 2 代表性试样 J4-17 的固结变形时程曲线 图 3 为 pi作用下海域软黏土的固结变形增量Sti（Sti Sti1）。可以看出，Sti随 pi的增大呈现出先减小后增大的趋势，并在 pi=50 kPa 时达到最小值。其中，St1（p1=25 kPa）St2（p2=50 kPa）的原因在于：在原状土取样和运输的过程中不可避免会引起应力释放，导致土体发生一定程度的回弹，使土体在重新加载初期（即使施加的压力较小）产生稍大的变形。相同 pi下，未发现海域软黏土位于海床以下的深度马锐等：长江口海域软黏土一维固结特性试验研究213大小对其 Sti存在明显影响，对此有待进一步试验研究。0.10.50.91.31010010004-144-174-104-124-194-224-244-26固结变形增量 Sti/mm固结应力 pi/kPa 图 3 pi作用下长江口海域软黏土固结变形增量 2.3 长江口海域软黏土的固结特性指标 2.3.1 固结系数 Cv图 4 为固结过程中长江口海域软黏土 Cv随 pi的变化曲线。可以看出，黏土和粉质黏土的 Cv呈现出先减小后增大最后趋于稳定的趋势；且相同 pi下，粉质黏土的 Cv大于黏土。以试样 J4-12（粉质黏土）和 J4-17（黏 土）为 例，试 样 J4-12 取 土 深 度 为12.512.7 m，Cv随着 pi的增大先减小，在 pi=50kPa 时达到最小值，随后开始增大并在 5.31036.2103 cm2/s 范围内变化；试样 J4-17 取土深度为17.517.7 m，Cv随着 pi的增大先减小，在 pi=100kPa 时达到最小值，随后开始增大。产生这种变化规律的原因在于：原状海相沉积土存在先期固结应力，且该应力值随取样深度的增大而增大；在前几级固结中，pi低于先期固结应力，Cv随着 pi的增大而减小；当 pi等于先期固结应力时，Cv取得最小值；当 pi超过先期固结应力时，Cv随着 pi的增大而出现增长。本试验所得结果与文献 12 类似。相同 pi下，粉质黏土的 Cv大于黏土的原因在于：粉质黏土的砂粉含量较高，相同条件下固结速率比黏土大。Cv随深度的变化尚不明确。2.3.2 压缩系数 av根据图 1 中 epi曲线数据和式（1），可计算得到长江口海域软黏土 av，结果如图 5 所示。可以发现，随 pi的增大，av呈现先减少后小幅回升，最后趋于稳定减少，加载初期 av的减小量较大；pi越大，av差异值从初期最大 1.36 MPa1逐渐减小，当 pi=1600kPa 时，av基本一致；加载初期，黏土的 av大于粉质黏土，当 pi 400 kPa 时，两者的差异就不再明显。av随深度的变化尚不明确。101001000024681012144-104-12粉质黏土4-144-174-194-224-244-26黏土固结应力 pi/kPa固结系数 Cv/(103 cm2s1)图 4 长江口海域软黏土Cvpi关系曲线 10100100000.91.82.73.64-104-12粉质黏土4-144-174-194-224-244-26黏土av1-2av=0.5固结应力 pi/kPa压缩系数 av/MPa1 图 5 长江口海域软黏土avpi关系曲线 土的压缩性反映外荷载作用下土颗粒间孔隙和连结可变化的程度。长江口海域软黏土的压缩性可用 pi=100200 kPa 范围内的压缩系数 av1-2来评价，如图 5 所示，J4-12（粉质黏土）的 av1-2最小，其值为0.54 MPa1，这表明各海相沉积土的 av1-2均大于 0.5MPa1，均属于高压缩性土。2.3.3 渗透系数 k根据式（2）可计算得到各级 pi作用下长江口海域软黏土 av，其结果如图 6 所示。可以看出，当 pi 100 kPa 时，k 随 pi的增大而降低；当 pi 100 kPa 时，相同土类 k 差异明显减小并趋于稳定，且与取样深度无关；每级 pi作用下，粉质黏土的 k 均大于黏土，这是因为粉质黏土中的黏粒含量相比黏土较低，渗透性更好。图 7 给出了双对数坐标长江口海域软黏土 k随 e 的变化曲线。可以发现，k 随 e 的减小先显著下降随后平稳减少。原因在于：随着 pi的增加，土体内部孔隙水进一步向外排出、孔隙体积减小，导致渗透系数 k 减小。3 结 论通过室内一维固结试验对长江口海域不同深度的原状软黏土的固结特性开展了试验研究，得到以下结论：214岩土工程技术2024 年第 2 期10100100004812164-104-12粉质黏土4-144-174-194-224-244-26黏土渗透系数k/(107 cms1)固结应力pi/kPa 图 6 长江口海域软黏土kpi曲线 1.41.21.00.80.60.1110e4-104-12粉质黏土4-144-174-194-224-244-26黏土渗透系数k/(107 cms1)图 7 长江口海域软黏土ke关系曲线 （1）长江口海域软黏土由水流搬运的碎屑沉积物快速沉积形成，长期遭受东海前进潮波和黄海旋转潮波两个潮波的循环作用，导致其结构性较弱。（2）固结过程中，长江口海域软黏土固结变形的发展可分为线性发展阶段、快速变形阶段、稳定阶段。随着固结应力 pi的增大，长江口海域软黏土线性发展阶段的持续时间减小，快速变形阶段的持续时间增大，但进入稳定阶段的时间基本相同。长江口海域软黏土固结变形增量 Sti随 pi的增大呈现出先减小后增大的趋势，其中，先减小阶段归因于应力释放导致土体的回弹。（3）固结过程中，随着 pi的增大，长江口海域软黏土的固结系数 Cv先减小后增大最后趋于稳定，压缩系数 av先减少后小幅回升最后趋于稳定减少，渗透系数 k 先显著下降随后平稳减少；而粉质黏土的Cv则先减小后增大再波动变化，av和 k 的变化规律与黏土相似。相较黏土，粉质黏土的具有较大的 Cv和 k，较小的 av。参考文献 林鹏，许镇鸿，徐鹏，等.软土压缩过程中固结系数 1 的研究J.岩土力学，2003，24（1）：106-108.王煜霞，许波涛.软土固结系数确定方法的研究及应用J.岩土工程技术，2010，24（5）：217-220,226.2 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