1.3　海洋土的变形特性

围海造陆工程是我国港口与近海工程建设的重要组成部分。沿海地区社会经济的高速发展，人口数量迅速增加，港口码头的兴建，随之而来的是对土地需求的迅速增长。围海造陆已成为人们解决沿海地区土地资源紧缺问题的主要途径（图1.3.1）。海洋超软土的固结变形特性研究是开展大规模围海造陆工程建设与地基加固的重要技术支撑。

图1.3.1　围海造陆工程

近年来，随着我国围海造陆面积不断增大，已不再采用逐点推进式的造陆方式，而是一次性围海造陆面积达数十平方公里。不仅如此，由于经济发展对土地的需求更加迫切，围海造陆的时间要求也非常紧迫，已经由以往十几年缩短至几年内完成，并且还有进一步加速成陆的趋势。围海造陆工程出现了吹填高度大、吹填土体软弱、短时间内地基加固效果不理想、加固后地基变形持续发展等问题。因此，结合围海造陆工程的新特点和新需求，研究新近吹填土体的渗透固结特性，解决快速加固，快速成陆，并保证新成陆域的长期稳定对海洋空间的高效开发具有十分重要意义。

1.3.1　超软土沉积与固结特性

围海造陆的吹填土通常以泥浆的状态吹填进入成陆区域（图1.3.2），此时的土体成泥水混合状态，含有大量的水分，排水沉积是吹填土经历的第一个阶段。在这一阶段水分从泄水口流出，土颗粒在自重作用下沉积，逐步由液体状态向流塑或软塑状态过渡。研究新近吹填土的天然沉积特性是准确确定吹填标高的前提。有关这方面的研究成果相对较少，现有的研究多集中通过试验建立土体含水量与物理力学性质的关系。例如，根据一维固结模型建立主固结过程中含水量和时间的关系，通过室内压缩试验和直剪试验揭示了含水量与压实黏土的压缩变形、抗剪强度、黏聚力及内摩擦角的关系，通过固结不排水三轴剪切试验研究高含水量下土体的固结不排水剪切特性等。

图1.3.2　围海造陆工程现场

对于土体固结理论的研究，Terzaghi首次提出了计算土体渗流固结过程的一维固结方程，通过数学方法较严密的推导和描述了土的固结过程，得到了解析解，成为之后各种固结理论的基础。太沙基固结理论概念清晰、计算简便，便于在实际工程中使用，因此在工程界也得到了广泛的应用。但由于排水板及砂井技术的发展，一维固结理论已经不足以满足工程的需要，巴隆在太沙基渗流固结理论的基础上采用轴对称坐标系，提出了砂井固结理论，并得到了部分条件下的解析解。巴隆理论的提出为工程中砂井或排水板地基的渗流固结计算提供了有效途径，在实际工程中也收到了很好的应用效果。1941年比奥首先提出了土的三向固结理论。由于考虑了三维状态下的孔隙水压力消散和土骨架变形的相互关系，一般称为真三轴固结理论，不过该理论在数学上求解较为困难，因此限制了其在实际工程中的应用。

上述固结理论均以小变形的基本假定为基础。然而新近的吹填土具有初始孔隙比大、初始含水率高（往往大于液限，可高达150%以上）、压缩性大、加固过程中孔隙比变化大、渗透系数及压缩系数随孔隙比变化大等特点。在加固过程中渗透系数的变化往往可以达到102量级；压缩系数具有很强的非线性。由于土体压缩性大，在加固过程中渗流路径也会产生很大的变化。针对这些特点，传统的基于小变形的固结理论难以适用于新近吹填土的固结分析。Mcnabb首次建立了土体一维大变形固结方程，该方程以孔隙比为变量，采用了固相坐标系，解决了土颗粒移动和边界移动的问题，并且考虑了渗透系数和压缩系数为变量的情况。但并没有考虑土体自重。Mikasa提出了移动坐标系的概念，以应变为变量，推导出了一维固结控制方程，考虑了土颗粒移动和边界移动，但由于以应变为自变量，存在着求解困难的问题。Gibson等以孔隙比为自变量，在移动坐标系下推导了饱和土体一维大变形控制方程。这些是较为经典的大变形固结理论，后续研究多是基于这些理论展开的。包括：①建立以位移为变量的一维大变形固结方程，在不考虑自重影响的情况下将其转化为Terzaghi一维固结方程类似的形式，固结系数是渗透系数、弹性模量和土体位移的函数；②以孔压为变量，建立了大变形固结方程，假定压缩系数和渗透系数为常量；③以超孔压为变量，推导一维大变形固结方程，假定土体压缩系数为常量，渗透系数以特定规律变化，得到了可考虑荷载条件的解析解；④以孔隙比和孔压为变量，基于一维大变形固结理论，在流动坐标系下，假定砂井为理想井，推导砂井地基大变形固结控制方程，考虑渗透系数及压缩系数随固结应力的变化，并在此基础之上建立了土层间的渗流连续方程，推导了双层砂井地基大变形固结方程等。

1.3.2　真空预压加固技术研究

伴随着真空预压法加固软土地基技术的提出、发展及其在工程中的广泛应用，学术界和工程界一直在研究真空预压的加固机理、有效加固深度、真空压力的传递规律，并试图建立一套有针对性的理论分析体系。以真空预压过程地基中渗流场的研究为例，可追溯到1952年Kjellman开展了真空预压加固软土地基一维渗流固结分析，1973年Veleni应用流网法对真空预压问题进行了二维求解，1983年Fer－Mertirosyan采用拉普拉斯方程得到了真空预压问题的二维解析解，1984年小林正树应用有限元方法求解了真空预压渗流固结的三维解，1998年Bergado等在现场试验中证实了真空联合堆载预压方法能减少预压时间并提高加固效果，2000年Leong等比较了堆载和真空预压加固土样剪切强度增长的变化，2005年Indraratna等用大型固结仪研究了打入排水板对周围土体的影响，2013年闫澍旺等应用巴隆固结理论建立了变系数的吹填土地基真空固结分析模型等。由以上典型的研究成果可以看出，有关真空预压理论分析方法的研究由来已久，至今仍未停止。图1.3.3为真空预压法加固软土地基技术中打设排水板的施工工艺。

图1.3.3　打设排水板

自20世纪80年代以来，天津大学、交通部第一航务工程局、天津港湾工程研究所、南京水利科学研究院等单位对真空预压加固软土地基的机理和方法进行了一系列的研究。主要研究成果如下。

（1）真空－堆载联合预压法研究，证明了真空预压和堆载预压相结合的方法，具有真空预压和堆载预压的双重效果，在加固软基过程中，真空荷载使地基内部处于负压状态；堆载促使地基孔隙水压力上升，两者共同作用增大了地基土体的水头落差，加速了地基土体的排水，固结速度更快，有效地缩短施工工期，加快工程进度。

（2）改进的真空预压加固方法研究，提出了可控通气真空预压法、薄砂层长短板结合真空预压法、真空联合电渗加固法等。其中可控通气真空预压缩短加固高含水量软土地基的时间；薄砂层长短板结合真空预压可节省用砂量，便于泥面插板施工，显著改善表层排水条件，满足浅层快速加固的建设要求；真空联合电渗加固法可实现真空预压与电渗法相互促进，塑料排水板与金属电极共同作用构成的电渗阴极能够有效实现水分的汇集与排出，加固效果十分显著。

（3）排水板通水率研究，揭示了超软土地基真空预压变形大，导致土体固结后塑料排水板发生很大的弯曲变形，甚至产生局部折断现象，改变了排水板的工作状态，从而大幅度降低了其通水效率，并研究了排水板滤膜孔径与地基土体粒径的匹配关系等。

真空预压法因其操作简单、造价低廉、加固效果良好且特别适用于大面积地基加固工程，具有很好的实用性和应用前景。近年来提出了对潮间带或水下软黏土地基采用真空预压加固技术，并研究了水下真空设备的工作机理、加固效果、与陆上真空预压的不同点及在水下实施真空预压加固的成套技术，开展了室内试验和现场试验研究，但真正对水下软黏土实施真空预压加固还有若干技术问题有待解决。

天津沿海大面积的围海造陆工程给地基加固提出了更高的要求，不仅加固对象是更加深厚的超软黏性土，而且要求加固成陆的时间大幅度缩短，因此如何改进传统的真空预压加固技术使其适应快速加固超软土地基的需求，成为工程界和科学家关注的热点。为此众多科研单位实施了大量的探索性工作，包括提出了直排式真空预压加固技术、高真空击密加固技术、无砂垫层真空预压加固技术、低位抽真空加固技术、真空联合降水技术和真空联合碎石桩技术等。