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海水环境下高含水率疏浚泥不排水强度特性研究

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第15卷第13期2015年5月 科学技术与工程 Vo1.15 No.13 May 2015 1671—1815(2015)13—0184—05 Science Technology and Engineering ⑥2015 Sci.Tech.Engrg. 海水环境下高含水率疏浚泥不排水 强度特性研究 施鲁莎徐桂中 仇兆清戚魏蔡雍蓉 (盐城工学院岩土工程研究所,盐城224051) 摘要通过采用高精度的十字板测试仪开展不同盐度下疏浚淤泥不排水强度试验,探讨盐度对疏浚淤泥不排水强度的影 响规律,明确海水环境下疏浚淤泥的不排水强度特性。试验成果表明,海水环境下,高含水率疏浚泥的破坏方式可分为应变 硬化形和应变软化型两种。盐度对疏浚泥不排水强度的影响程度随土样液限的增加而增加,盐度小于2%时,疏浚泥不排水 强度随盐度的增加而降低较大,盐度大于2%时,疏浚泥不排水强度随盐度的增加变化较小。最后,将海水环境下疏浚泥的液 限作为93-一化参数归一化疏浚泥的不排水强度,并获得海水环境下高含水率疏浚泥不排水强度的预测公式。 关键词 疏浚淤泥 海水环境 盐度 不排水强度 中图法分类号TU471.8; 文献标志码A 河流清淤、航道扩宽、港口建设、围海造地等各 种工程建设中都会产生大量的疏浚淤泥。据不完全 统计,我国每年产生的疏浚淤泥达数亿立方米。将 疏浚淤泥作为填料进行吹填造地,既能解决疏浚淤 泥处置难的问题,又能有效缓解城市建设中缺乏土 归一化参数,获得了不同的吹填淤泥不排水强度预 测公式。王亮,等 采用高精度十字板仪对大鹏 湾、太湖、白马湖等三个地区的吹填淤泥进行不排水 强度测试,试验结果显示,液性指数大于2时实测值 与Locat和Demers等 提出的预测公式的预测值 地资源的问题,具有良好的经济效益和应用前景。 因为新吹填淤泥的强度极低,无法作为建筑地基,甚 至不能上轻型机械进行地基处理。为了加速吹填淤 泥的固结或对堆场中吹填淤泥进行后期地基处理, 需要在吹填淤泥表面铺设砂层作为排水层或铺设硬 壳层作为轻型机械的持力层 14 。无论是围堰的稳 定性评估,还是硬壳层承载能力的确定,都需要明确 吹填淤泥的不排水强度特性。由于吹填淤泥的含水 率极高,一般呈流体状态,试样无法成形,因而传统 的强度测试方法,如三轴剪切、无侧限抗压等方法都 不适用于吹填淤泥。因此,不少研究者提出了一些 特殊的方法用于测试吹填淤泥的不排水强度,如旋 转黏度计法 、平板贯人法 、微型十字板 较吻合,但液性指数小于2时的实测值大于预测值。 Hong等 为了获得吹填淤泥不排水强度的预测方 法,收集了世界各地共1 15种通过各种特殊试验方 法获得的吹填淤泥不排水强度数据,土样的液限分 布在25%~412%之间。Hong等分析后发现,液性 指数并不能较好的归一化不同土样的不排水强度, Locat和Demers等 提出的不排水强度归一化公式 在预测含水率较高时土样的不排水强度时偏高。因 而,Hong等¨ 采用归一化含水率(含水率与液限的 比值w/w )作为归一化的参数对收集到的不排水强 度数据进行归一化处理,并分别获得液限小于 150%和大于150%吹填淤泥的不排水强度归一化 公式。 法¨ “J、新型落锥法¨ ’ 等。现有研究均表明,含 水率是影响吹填淤泥不排水强度的主要因素,不排 水强度随含水率的增加而迅速降低 J。早在20 世纪80年代,Locat和Demers 就以液性指数作为 2014年12月23日收到 国家自然科学基金青年基金(51408524) 由上述可知,目前关于高含水率疏浚泥不排水 和江苏省交通厅科技项目(2014T01—1)资助 强度方面的研究主要集中于内陆淡水环境下的疏浚 泥,而对于沿海地区海水环境下疏浚泥的不排水强 度方面的研究较少。诸多研究显示,盐分是影响土 的物理力学特性的重要因素 J,因此有必要开展 海水环境下的盐度对高含水率疏浚泥不排水强度的 影响规律。 第一作者简介:施鲁莎(1957一),女,本科,研究员。研究方向:吹填 淤泥及软基处理。E—mail:773755936@qq.tom。 1土样与试验方案 试验采用对淡水条件下的疏浚泥加入不同盐水 的方法,研究不同盐度时吹填淤泥的不排水强度特 通信作者简介:徐桂中(1982一),男,博士,讲师。研究方向:吹填 淤泥及软基处理。E—mail:guizhongxu@163.corn。 13期 施鲁莎,等:海水环境下高含水率疏浚泥不排水强度特性研究 性。试验共用两种土样,分别取自江苏金湖地区和 白马湖地区的疏浚堆场中,两种疏浚淤泥均为淡水 河流清淤时产生的。表1为试验土样的基本物理力 学指标。 表1土样的基本物理力学指标 Table 1 Basic physical properties of slurries 分别对取回的金湖及白马湖土样进行风干处 理,并将风干后土样破碎后过2 mm筛。将过筛后 的土样分为4等份,分别加入盐度为0%、2%、4% 的人工盐水进行多次浸泡。每次浸泡3~4 d后,将 表层浮水去除后,加入新的相同盐度的人工海水再 次进行浸泡,如此重复不少于5次后获得不同盐度 的土样。试验所用的人工海水为采用高纯度的 Nacl晶体和蒸馏水制成的Nacl溶液。将获得的不 d/: 骧繁 同盐度的土样再次进行配置,获得不同含水率的土 样,含水率在1—3倍液限间。试验所采用的不排水 瑚 枷 强度的测试装置为由南京土壤仪器厂生产的微型高 精度十字板剪切仪,十字板板头直径3 cm、高6 cm, 该装置的测试精度达1 Pa,王亮等对该装置做了详 细的介绍…]。 2试验成果分析 2.1不排水强度随十字板转动角度的变化关系 图1、图2中分别显示了不同盐度时金湖疏浚 泥和白马湖疏浚泥的排水强度随十字板转角的变化 关系。由图可以看出,疏浚淤泥的不排水剪切强度 随转动角度的变化关系与盐度及含水率等密切相 关。对于金湖土样,在低含水率时,低转角时,强度 随转角急速增加,随后不排水强度达到一个峰值,在 此之后,不排水强度随转角的增加逐渐减小,并且逐 渐趋于稳定;而随着含水率的增加,不排水强度峰值 现象越来越不明显,当含水率达到一定值后,在小转 角时,不排水强度随转角的增加而增大,随着转角的 继续增加,强度最终稳定在某一特定值。一些学者 在研究原状土与重塑土的应力 应变关系时发现:原 状土与重塑土应力一应变曲线存在差异,他们将原状 土的应力.应变曲线称为“应力软化型”,将重塑土 的应力.应变曲线称为“应力硬化型”。由此可见, 对于高含水率疏浚泥,测定其不排水强度时,应力随 应变的变化关系与传统强度试验中的原状土及重塑 土的不排水强度随应变的变化关系类似。在含水率 较低时,疏浚泥的应力.应变变化关系与原状土的应 力一应变变化关系相似,均存在峰值,且达到峰值后, 强度都趋于稳定。分析认为,这是由于重塑的高含 水率土样中存在与原状土中相似的屈服压力。 Hong等 通过对3种不同初始含水率(0.7倍至 2.0倍液限)的重塑土样展开的压缩试验,发现了上 述现象,他们将此现象称为似屈服压力¨ 。由于在 传统的重塑土强度试验中,仪器的精度比较差,所以 这种现象往往不易被发现,而由于本次试验所用的 试验仪器精度较高,所以发现了上述现象。 1 800 1 500 0 5O 1OO l50 200 250 0 转动角度 。) (a)盐度0% 疆 * 转动角度/(。) fb)盐度2% 转动角度/(。) (c)盐度4% 图1 白马湖疏浚泥不排水强度随 转动角度的变化关系 Fig.1 The relationship between undrained strength and rotation angle of Baimahu slurry 186 科学技术与工程 1 000 800 % 言 % 600 疆 羞 400 200 O 0 50 100 150 200 250 转动角唐 (。) (a1盐度O% 醴 差 10O 200 ∞ . 骥繁 300 2 转动角 (。)2 1  1 姗 咖 (b)盐度2% 咖 o 800 60o d 巳= U 诖鲢 想 《 200 O 转动角度 ) (C)盐度4% 图2金湖疏浚泥不排水强度随 转动角度的变化关系 Fig.2 The relationship between undrained strength and rotation angle of Jinhu slurry 2.2不排水强度随盐度的变化关系 图3(a)和图3(b)分别显示了白马湖疏浚泥和 金湖疏浚泥在不同盐度时不排水强度随含水率的变 化关系。从图3可以看出,在海水环境下的疏浚泥 不排水强度随含水率的变化规律与淡水时的变化规 律较为一致,即不排水强度均随着含水率的增加从 快速降低逐渐过渡到缓慢降低,且在不排水强度随 含水率增加而降低的过程中,也存在明显的转折 点 J。另外,对比图3(a)和图3(b)可以发现,盐度 对白马湖疏浚泥的不排水强度的影响较为显著,对 金湖疏浚泥的影响相对较小,这表明盐度对疏浚泥 不排水强度的影响程度随土样液限的增加而增加。 其次,由图3知,盐度小于2%时,盐度对不排水强 度的影响较大,盐度大于2%时影响较小,盐度对不 排水强度的影响较小。 言 馘 鹱 鬲差 K- 图3不排水强度随含水率的变化关系曲线 Fig.3 The relationship between undrained strength and water content 2.3海水环境下高含水率疏浚泥不排水强度归一 化分析 对于淡水环境下的疏浚泥,土样的液限常被作 为归一化参数归一化疏浚泥的不排水强度 ’H 。图 4显示了本次试验中疏浚泥的界限含水率随盐度的 变化规律,由图可见,盐度对土性有显著的影响,在 盐度小于2%时,白马湖疏浚泥的液塑限有显著下 降,在盐度大于2%时影响变小,而对于金湖疏浚 泥,盐度的影响很小,表明疏浚泥的液限随盐度的增 加从快速降低逐渐过渡到缓慢降低阶段,且对于淡 水环境下液限越高的土样,盐度的影响越大。 图5显示了不同盐度时两种疏浚泥的不排水 强度随归一化含水率(w/w, )的变化规律,图中显 示,相同的w/w .时,不同盐度疏浚泥的不排水强度 基本相等,表明对于海水环境下的疏浚泥,其不排水 13期 施鲁莎,等:海水环境下高含水率疏浚泥不排水强度特性研究 l87 12O 醛蓬 80 -\ 一 O 0 2 3 4 盐度 图4各土样液限随盐度的变化曲线 Fig.4 The relationship between salinity and liquid limit of soils 强度随含水率的变化关系同样可以采用该盐度下疏 浚泥的归一化含水率进行归一化处理。由图5可以 得到的归一化含水率w/w。.(w..为各土样不同盐度 下的液限)与不排水强度C 的关系为: C (Pa)=3 938.4(w/wL) (1) 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 1 1 5 2 2 5 3 3 5 图5盐水条件下不同土样强度随归一 化含水率变化曲线 Fig.5 The relationship between undrained strength and normalized water content in saline conditions 4 结论 对不同盐度下的两种疏浚泥开展十字板剪切试 验,探讨盐度及含水率对不排水强度的影响,明确海 水环境下高含水率疏浚泥的不排水强度特性,得到 如下结论。 1)海水环境下,高含水率疏浚泥的破坏方式可 分为应变硬化形和应变软化型两种,当含水率较高 时一般发生应变硬化型,而当含水率较低时,发生应 变软化型。 2)盐度对疏浚泥不排水强度的影响程度随土 样液限的增加而增加。盐度小于2%时,疏浚泥不 排水强度随盐度的增加而降低较大,盐度大于2% 时,疏浚泥不排水强度随盐度的增加而变化较小。 3)疏浚泥的液限随盐度的增加而降低,海水环 境下疏浚泥的液限可作为归一化参数归一化疏浚泥 ∞ . 爱 的不排水强度,并获得海水环境下高含水率疏浚泥 不排水强度的预测公式:c =3 938.4(w/w )-5.49。 参考文献 l松,张春雷,汪顺才,等.淤泥堆场人工硬壳层地基极限承载 力室内模拟研究.岩土工程,2008;29(supp):667—-670 Liu Qingsong,Zhang Chunlei,Wang Shuncai,et a1.Laboratory sim— ulation study of the ultimate bearing capacity of the man—made crust over dredged wastes dump sits.Rock and Soil Mechanics,2008;29 (supp):667— 70 2 Inoue T.Behaviour and treatment of dreadged clay.PhD thesis,Na— tional University of Singapore,Singapore,1990 3 Fakher A.Jones C J F Land reclamation using super soft clay. 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[Key words]dredged slurry 、 seawater environment ≯ ≯ ≯ salinity ) undrained shear strength j t; ≯ ≯t 、 净 、t (上接第183页) t.reinforced Cushion Research on Geo It’S Stress in GeobelYAN Feng—xiang,HUANG Xian—zhi (Civil Engineering Department of Shanxi University,Taiyuan 030013,P.R.China) [Abstract]The geobeh stress in geobeh—reinforced cushion is researched.Load tests of eight kinds geobelt—rein— forced foundations are carried,the P—S curve and the ultimate bearing capacity of these foundations and the geobelt stress as the foundation reached the 1imit equilibrium are measured.The test data indicate that the geobeh stress de— termined the mechanical properties of geobeh—reinforced cushion.The geobeh stress relate with the geobeh’S lay— out.After theoretical analysis to mechanism of geobeh-reinforced cushion,geobelt’S layout scheme is put forward, which can give full play to geobeh stress. [Key words]TG geobeh geobeh—reinforced cushion load test geobeh’S layout geobeh stress 

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