Static batch settling behaviors of dredged and filled sediment and its steady-state macroscopic evaluation criteria
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摘要: 关于疏浚吹填泥沙的静态间歇沉降行为与机理及其稳态宏观评价标准，目前暂未深入研究。这是当今疏浚吹填泥沙地基采用真空过滤排水固结技术进行处理时无法科学判断最佳启动时间的主要原因之一。鉴于此，先对疏浚吹填泥沙的静态间歇沉降行为进行理论研究，建立了颗粒悬浮液的沉降速度与平均孔隙比的理论关系式。然后，获取典型工程现场的疏浚吹填泥沙，配制典型浓度试样，开展静态间歇沉降模型试验研究。研究结果表明：①黏粒（d＜0.005 mm）含量是影响疏浚吹填泥沙静态间歇沉降行为与机理的关键因素之一；②颗粒通量最大值Gmax往往出现在试验难以测出的非常低的浓度条件下，且黏粒含量越高，越难通过试验方式测得；③对于黏粒含量为40%~60%的疏浚吹填泥沙，建议将“平均孔隙比累计变化率为60%~75%”作为静态间歇沉降稳定状态的宏观评价标准。Abstract: The static batch settling behaviors and mechanism of dredged and filled sediment and its steady-state macroscopic evaluation criteria have not been studied in depth yet. This is one of the main reasons why the optimal start-up time cannot be scientifically judged when the dredged and filled sediment foundations are treated by the vacuum filtration drainage consolidation technology today. In view of this, a theoretical study on the static batch settling behaviors of the dredged and filled sediment is conducted, and the theoretical relationship between the settling velocity of particle suspension and the average pore ratio is established. Based on the dredged and filled sediment from typical engineering sites and the configured typical concentration specimens, the experimental researches on the static batch settling model are carried out. The results indicate that: (1) The content of clay particles (d < 0.005 mm) is one of key factors affecting the static batch settling behaviors and mechanism of the dredged and filled sediment. (2) The maximum particle flux Gmax often occurs at very low concentrations that are difficult to measure experimentally. The higher the viscous content, the more difficult it is to measure experimentally the maximum particle flux during static batch settlement. (3) For the dredged sediment whose clay content is within 40% to 60%, the cumulative change rate of the average porosity ratio of 60% to 75% can be taken as the criterion for evaluating the steady state of its batch settling process.
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0. 引言
实际上，相邻列车运行时存在循环荷载停振期，意味着软黏土实际上受到间歇循环荷载作用，其由循环加载和间歇停振两阶段组成[1]。当前，许多学者在动三轴试验中采用间歇循环荷载模式，模拟相邻列车运行所存在的间歇停振期[2-3]。如Nie等[1]分析了连续循环荷载和间歇循环荷载模式影响下土体变形特性的不同，并指出间歇停振阶段的存在致使土体累积轴向应变减小。上述研究中将停振阶段排水条件设置为不排水状态。然而，循环加载阶段产生的超孔隙水压力在间歇停振阶段可以消散一部分，将对后续加载阶段中土体力学性质造成影响。
另一方面，交通荷载引起的应力场包含循环变化的轴向应力、水平应力和剪切应力[4]。因此，为深入研究交通荷载作用下土体力学特性，应该考虑循环围压的影响。当前，许多学者针对循环围压对土体力学性质的影响已经开展了大量的研究。如Huang等[5]发现土体动阻尼比随循环围压的增大而减小。除此之外，土体累积轴向应变随循环围压的变化规律还受到排水条件的影响：不排水条件下土体累积轴向应变随循环围压的增大而减小[6]，而在部分排水条件下则随循环围压的增大而增大[7]。
从上述研究成果来看，间歇性循环加载对土体变形特性的影响不能忽视。同时，以往研究中未将循环加载阶段循环围压和停振阶段不同排水条件对软黏土变形特性的影响予以考虑。因此，本文的研究目的是通过对软黏土施加间歇性变围压循环荷载，研究循环围压和停振期不同排水条件对其应变发展的影响，主要包含两部分内容：①开展多阶段间歇性变围压循环三轴试验，其中循环加载阶段处于不排水阶段，停振阶段分别处于不排水阶段和部分排水阶段；②基于试验结果，分析循环围压和停振期排水条件对土体累积轴向应变的影响。通过上述研究成果以加深对间歇性循环荷载作用下软黏土变形规律的认识。
1. 试验土样及方案
1.1 试验土样
试验所用土样取自珠海市某区域，采用薄壁取土器进行取样，取样深度为12.0~14.0 m。按照《土工试验规程：GB/T 50123—2019》可获取土样的基本物理性质，见表 1所示。同时，土样颗粒组成为粉粒（0.005 mm≤d≤0.075 mm）和黏粒（d≤0.005 mm），占比分别为65%，35%。
表 1 试验黏土基本物理性质Table 1. Physical properties of test clay重度γ/(kN·m-3) 含水率w/% 液限wL/% 塑限wp/% 塑性指数Ip 渗透系数K/(10-7cm·s-1) 孔隙比e 17.60 48.60 51.90 19.80 32.10 2.26 1.30 1.2 试验方案
按照《土工试验规程：GB/T 50123—2019》制备直径38 mm，高76 mm的圆柱原状试样，并采用分级加载的加压方式对所有试样进行反压饱和，当B检测中B值达到0.95以上时，认为反压饱和完成。然后，对所有试样进行等向固结过程，当试样排水量小于100 mm3/h时，认为固结过程完成，此时作用在试样上的有效固结围压为100 kPa。随后，采用GDS变围压动三轴试验系统进行动力加载试验。
图 1为多阶段间歇循环加载试验示意图。从图中可以看出，整个多阶段间歇循环加载过程包含了4个加载阶段。其中，每个加载阶段又由循环加载阶段和间歇停振阶段组成。在循环加载阶段，对固结完成的试样同时施加加载波形为半正弦波的循环偏应力和循环围压，且加载波形相位差为0。采用应力路径斜率η[4]和循环应力比CSR[3]分别表征循环围压幅值和循环偏应力幅值，其表达式为
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图 1 多阶段间歇性变围压循环加载试验示意图Figure 1. Schematic illustration of intermittent cyclic loadingCSR=qampl/2p′o=qampl/2σ′3， (1) η=pampl/pamplqamplqampl=[(σampl1+2σampl3)/3]/[(σampl1+2σampl3)/3]qamplqampl =1/3+σampl3/qampl 。 (2) 式中：pampl，qampl，σampl3分别为循环平均主应力幅值、循环偏应力幅值及侧向应力幅值；σ′3，p′o分别为固结完成之后的有效固结围压、平均有效正应力。结合已有研究成果，拟定循环应力比CSR为0.20，应力路径斜率η分别为0.33，1.00，1.50，2.00。其中η=0.33代表恒定围压条件施加循环偏应力，其余η取值则表示同时施加循环偏应力和循环围压。
结合文献[1，4]的研究成果，本试验中采用的加载频率为0.1 Hz，每个循环加载阶段振动次数为1000次，整个循环加载阶段中关闭排水阀，间歇停振阶段停振时长为3600 s。为研究间歇停振阶段排水条件对试样变形特性的影响，将停振阶段按照排水条件的不同分为两种试验情况，即部分排水和不排水条件，前者意味着停振阶段打开排水阀（即表 2中试样P01~P04），后者则关闭排水阀（即表 2中试样U01~U04）。
表 2 循环三轴试验方案Table 2. Programs of cyclic triaxial tests停振阶段排水条件 编号 η 加载次数 停振时长/s 不排水 U01~U04 0.33，1.00，1.50，2.00 1000×4 3600 部分排水 P01~P04 2. 试验结果
2.1 间歇性变围压循环荷载对累积轴向应变的影响
图 2为CSR=0.20，不同应力路径斜率η条件下，试样P01~P04的累积轴向应变变化曲线。可以看出，经历不同应力路径斜率试样的累积轴向应变随试验时长的变化曲线趋势一致。同时，一定时长条件下，土样累积轴向应变随循环围压的增大而减小，意味着存在循环围压的试验条件所产生的试样累积轴向应变均小于恒定围压试验条件对应的累积轴向应变。例如，当应力路径斜率η=0.33，1.00，1.50，2.00时，试验结束时对应的累积轴向应变分别为2.28%，1.98%，1.68%，1.40%。图 3为不同应力路径斜率条件下，每个加载阶段累积轴向应变增量随加载阶段的变化曲线。从图 3中可以看出，不同试验条件下试样累积轴向应变增量随加载阶段的增加而逐渐减小，但不同应力路径斜率对应的累积轴向应变增量衰减程度不一。例如，当η=0.33时，累积轴向应变增量随加载阶段的增多，从1.573%减小至0.150%；而当η=2.00时，对应累积轴向应变增量则从0.789%减小至0.126%。这一试验现象意味着较小的循环围压对应的累积轴向应变增量衰减程度较为显著。另一方面，经历不同应力路径的试样在第一个加载阶段产生的累积轴向应变增量差异性较为显著，而在后续加载阶段中对应累积应变增量差异性不甚明显。例如，当η=0.33，1.00，1.50，2.00时，第一加载阶段所产生的累积轴向应变增量分别为1.573%，1.193%，0.968%，0.789%，而在最后一个阶段所产生的对应应变增量分别为0.150%，0.179%，0.137%，0.126%。
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图 2 不同应力路径斜率累积应变变化曲线Figure 2. Variations of accumulated axial strain under intermittent cyclic loading with different values of η![]()
图 3 不同应力路径斜率累积应变增量随加载阶段变化曲线Figure 3. Variations of accumulated axial strain increment versus number of loading stages with various values of η2.2 停振阶段排水条件对累积轴向应变的影响
从总累积应变中剔除前一阶段产生的累积应变，可得到不同加载阶段累积轴向应变的变化曲线，见图 4所示。可以看出，无论停振阶段处于不排水状态还是部分排水状态，累积轴向应变并未保持恒定，具体表现为：当停振阶段处于不排水状态时，循环加载阶段产生的部分试样变形在间歇停振阶段得以恢复，致使累积轴向应变逐渐减小至一稳定值（见图 4（a））；而在部分排水状态时，由于停振阶段允许试样排水，导致试样体积减小，累积轴向应变则略微增长（见图 4（b））。
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图 4 循环加载和间歇停振阶段累积轴向应变变化曲线Figure 4. Variations of accumulated axial strain under cyclic loading and intermittent periods表 3为不同排水条件下，每个循环加载阶段和停振阶段所产生的累积轴向应变增量值。可以看出，循环加载阶段和停振阶段产生的累积轴向应变增量均随加载阶段的增多而减小。例如，当加载阶段从第1加载阶段增至第4加载阶段时，停振阶段为不排水条件下，对应累积轴向应变增量从0.624%减小至0.083%，而停振阶段为部分排水条件下相应累积轴向应变增量则从0.789%减小至0.126%。另一方面，为分析停振阶段为不排水条件时试样变形的恢复程度，引入累积轴向应变恢复比这一概念，其定义为相同加载阶段中停振阶段试样变形恢复而引起的累积轴向应变减少量与循环加载阶段产生的对应应变比值。从表 3中可以看出，当试验过程第1加载阶段发展第4加载阶段时，该比值从6.60%增加值30.34%。这意味着此时试样变形以弹性轴向应变为主，累积轴向应变占比逐渐减小。
表 3 停振阶段不同排水条件下各加载阶段对应累积应变Table 3. Accumulated axial strains of each loading stage under different intermittent drained conditions停振阶段排水条件 加载阶段 循环加载阶段完成后对应累积轴向应变/% 停振阶段完成后对应累积轴向应变/% 不排水 1 0.668 0.624 2 0.188 0.147 3 0.139 0.100 4 0.119 0.083 部分排水 1 0.753 0.789 2 0.290 0.300 3 0.194 0.187 4 0.148 0.126 3. 结论
（1）间歇停振对饱和软黏土累积轴向应变的影响较为显著。不同试验条件下累积轴向应变增量的变化规律一致，即应变增量随加载阶段的增大而减小。
（2）累积轴向应变的发展受循环围压的影响较为明显。随循环围压的减小，循环围压对累积应变增量随加载阶段衰减程度的影响逐渐增强。同时，不同循环围压对应试样所产生的的累积应变增量在第一加载阶段差异性显著，而在后续加载阶段中差异性不甚明显。
（3）间歇停振阶段排水条件对停振期累积轴向应变的发展具有不同的影响，具体表现为：当停振阶段处于部分排水条件时，累积轴向应变有所增长；而在不排水条件时，对应应变则逐渐减小至一稳定值。
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图 5 固液分界面沉降值-沉降时间变化曲线
Figure 5. Variation curves of settlement-time of solid-liquid interface
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图 6 颗粒通量-固液分界面高度的变化曲线
Figure 6. Variation curves of particle flux-height of solid-liquid interface
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图 7 颗粒通量-固相浓度的变化曲线
Figure 7. Variation curves of particle flux-solid phase concentration
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图 8 界面沉降速度-平均孔隙比的变化曲线
Figure 8. Variation curves of settling velocity-mean pore ratio of interface
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图 9 不同沉积时间含水率-深度的曲线
Figure 9. Moisture content-depth curves at different deposition time
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图 12 不同沉积时间原位抗剪强度-深度的曲线
Figure 12. In-situ shear strength-depth curves at different deposition time
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图 13 不同沉积时间黏粒含量-深度的曲线
Figure 13. Clay content-depth curves at different deposition time
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图 14 固液界面沉降值-平均孔隙比曲线
Figure 14. Sedimentation-average pore ratio curves of solid-liquid interface
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图 17 不同条件下平均孔隙比累计变化率-沉积时间曲线
Figure 17. Cumulative change rate of average void ratio-deposition time curve under different conditions
表 1 配制试样的基本物理指标
Table 1 Basic physical indices for preparation of specimens
试样 物理性质 界限含水率 颗粒组成/% 颗粒比重Gs 含水率/% 液限wL/% 塑限
wP/%塑性指数IP 砾粒
(角砾)
＞2.00 mm粗砂
2.00~0.50 mm中砂
0.50~0.25 mm细砂
0.25~0.075 mm粉粒
0.075~
0.005 mm黏粒
＜
0.005 mmⅠ组-南沙 2.712 380 50.8 24.4 26.4 0.00 0.00 1.45 20.75 37.10 40.70 Ⅱ组-惠州 2.703 548 56.9 40.6 30.3 0.00 0.00 1.25 0.90 36.95 60.90 
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表 2 不同条件下平均孔隙比累计变化率统计值
Table 2 Statistical values of cumulative change rate of average void ratio under different conditions
试样名称 黏粒含量/%
d＜0.005 mm沉积环境 沉积筒直径 初始含水率/% 初始密度
/(g·cm-3)沉积时间
/d初始孔隙比 沉积稳定时孔隙比 平均孔隙比累计变化率/% 南水北调东线—淮安四站 53.4 淡水+海水 3.1 cm 424.0 1.140 30 11.53 3.51 69.6 53.4 淡水+海水 3.1 cm 530.0 1.110 30 14.42 3.53 75.5 南水北调东线—白马湖 47.0 海水 3.2 cm 380.0 1.149 80 10.07 5.992 40.5 47.0 淡水+海水 3.2 cm 570.0 1.102 80 15.105 6.548 56.7 47.0 淡水+海水 3.2 cm 760.0 1.078 80 20.14 6.599 67.2 47.0 淡水+海水 3.2 cm 950.0 1.063 80 25.175 6.678 73.5 47.0 海水 4.3 cm 369.5 1.150 21 10.1 6.1 39.6 47.0 海水 5.3 cm 369.5 1.150 21 10.1 5.7 43.6 47.0 海水 6.0 cm 369.5 1.150 21 10.1 5.7 43.6 天津滨海新区 47.0 海水 高2 m
直径80 cm400.0 1.120 366 11.6 3.2 72.4 I组南沙试样 40.7 海水 高1.3 m
直径33.4 cm380.0 1.150 240 10.311 2.714 73.7 II组惠州试样 60.9 海水 高1.3 m
直径33.4 cm547.0 1.115 240 14.667 5.331 63.7
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