天津南港区吹填土地质特性及长期沉降简化预测模型研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Geological Characteristics and a New Simplified Method to Estimate the Long-Term Settlement of Dredger Fill in Tianjin Nangang Region

本文针对吹填土高压缩性导致的液化天然气管道沉降问题，通过场发射扫描电镜、X射线衍射等微观分析揭示其以石英和方解石为主的多孔片状结构，结合70g离心模拟试验提出改进的双曲线模型，为沿海填海工程沉降预测提供可靠方法。

　　

地质特性与微观结构特征

研究聚焦天津南港区吹填土的工程地质特性，通过系统的实验室分析揭示了其独特的材料组成和微观结构。该区域吹填土天然含水率高达22.54%，干密度仅为1.62 g/cm³，初始孔隙比达到0.71，表现出典型的高压缩性软土特征。场发射扫描电子显微镜图像显示，吹填土呈现蜂窝状微观结构，由大量片状和块状结构组成，颗粒边界清晰，形成典型的骨架状构造。在20,000倍放大倍数下观察到直径超过2 μm的大孔隙，土壤矿物之间主要以面-面和面-边方式重叠，形成松散结构，这种结构极易导致软土地基产生显著差异沉降。

X射线衍射分析进一步确定了吹填土的矿物组成特征。衍射图谱显示，石英和方解石是主要矿物成分，在2θ值为20.94、26.69、50.19、60.01和68.21处出现石英的特征峰，在2θ值为22.08、29.51、36.57等处则检测到方解石相。石英含量被确定为软土强度特性的主要决定因素，而方解石作为硬化材料有助于提高吹填土样本的强度。此外，在2θ值为19.91、35.09和61.68处还检测到白云母相的存在。

压汞法孔隙测定结果提供了更深入的孔隙结构信息。累积汞侵入曲线呈现典型的S形特征，当压力在415-6875 psia范围内时，曲线斜率最大，表明在此压力区间内孔隙含量达到峰值。孔隙按直径可分为四个等级：大孔隙、中孔隙、小孔隙和微孔隙。特别值得注意的是，直径在0.03-0.8 μm范围内的中孔隙和小孔隙占总孔隙体积的80%以上，而大孔隙和微孔隙仅占很小比例。这种孔隙分布特征直接影响吹填土的微观结构和工程性质。

离心模拟试验方法与结果

研究采用TLJ-500型土工离心机进行模型试验，加速度设置为70g，考虑了模型箱尺寸、模拟时间和边界效应等因素。试验采用1:70的几何比例尺，模型箱内部尺寸为120×100×80 cm。根据离心模拟定律，70g加速度下旋转140分钟相当于原型时间的1.3年。试验过程中，加速度从0逐渐增加到40g，然后以每5g/分钟的速度增加到70g，最后降至0。

模型布置方面，在模型箱底部铺设32 cm厚的粉质粘土，上部覆盖8 cm厚的吹填土，模拟实际地层条件。试验设置了四个线性可变位移传感器和两个土压力传感器，位移传感器的工作范围为0-50 mm，土压力传感器的量程为0-500 kPa。模型采用单面排水条件，模型箱底部和侧面设计为不透水边界，吹填土层顶面暴露于大气允许自由排水。

试验结果显示，地面沉降随离心旋转时间逐渐发展。从0分钟到20分钟，沉降迅速增加；20分钟到30分钟期间，沉降增长放缓；30分钟后沉降基本稳定。监测数据表明，T4和T1监测点的最终沉降值分别为23.62 mm和8.31 mm，而T3和T2监测点的沉降值较小，分别为1.08 mm和0.21 mm，这种差异归因于边界效应。经过参数转换，吹填土层的原型等效沉降计算为1.65 m，与现场实测值接近。值得注意的是，70%的沉降发生在吹填土固结过程的第一年内。

差异沉降分析显示，试验结束时吹填土的最大差异沉降值为22.78 mm，最小值为8.31 mm。监测点T4和T1之间的沉降变化表明吹填土层内存在非均匀固结行为。这种不均匀变形对上覆基础设施，特别是埋地管道构成显著风险，因为它会产生可能超过材料耐受度的弯矩和轴向应力。

土压力监测数据显示，P1和P2的变化趋势基本一致：土压力随离心加速度的增加而逐渐增大，在40分钟固结阶段趋于稳定。当离心加速度增加到70g时，P1和P2瞬间分别增加到30 kPa和320 kPa。吹填土比粉质粘土承受更高的土压力，这归因于其较高的初始孔隙比、较大的含水率和较高的压缩性。

改进的沉降预测模型

针对传统沉降预测方法的局限性，研究提出了改进的双曲线模型来预测吹填土的长期沉降行为。传统的Buisuman模型假设固结沉降与时间对数呈线性关系，但随着时间趋向无穷大，沉降也趋向无穷大，这与实际观测行为相矛盾。

改进的双曲线模型通过引入参数α和β，更好地描述了Δe与lgt之间的双曲线关系。模型表达式为：S = [H/(1+e)] × [lg(t/t₀)/(α + βlg(t/t₀))]，其中S为固结沉降，H为软土层深度，e为初始孔隙比，t为计算时间，t₀为起始时间。

基于离心试验转换得到的沉降数据，固结阶段的起点确定为(0.1, 0.3934)，其中时间单位为年，沉降单位为米。软土层深度为6 m，初始孔隙比为0.71。使用0.2至1.3年间的沉降数据，通过公式对固结阶段的预测沉降曲线进行拟合，得到模型参数α=0.4716，β=1.6854。

预测结果显示，计算沉降值与1.3年时的试验值吻合良好。随着固结的进行，沉降速率逐渐降低，过程在第4年基本完成。改进的双曲线模型成功捕捉了吹填土沉降的时间依赖性特征，为长期沉降预测提供了可靠工具。

工程意义与结论

本研究对天津南港区吹填土的地质特性和长期沉降行为进行了系统研究，主要结论具有重要的工程指导意义。吹填土表现出高压缩性、高天然含水率和低干密度的特点，其多孔片状微观结构和以中孔隙为主的孔隙分布特征是导致显著差异沉降的内在原因。

离心模拟试验证实，吹填土层在自重荷载作用下会产生显著沉降，其中70%发生在固结过程的第一年内。土压力监测表明吹填土比下伏粉质粘土具有更高的压缩性，这与其较高的初始孔隙比、含水率和压缩性密切相关。

提出的改进双曲线模型有效预测了长期固结沉降，模型参数基于离心试验数据推导，在1.3年内与观测沉降值高度吻合。模型预测表明沉降速率逐渐降低，过程在第4年基本完成。这一预测方法为评估吹填土长期沉降风险和制定缓解策略提供了可靠工具。

研究结果强调了在吹填土地区进行基础设施建设时需要采取特定的缓解措施，以确保工程完整性和安全性。特别是对于液化天然气管道等敏感基础设施，需要考虑吹填土的高压缩性和长期沉降特性，采取适当的地基处理方法和结构设计措施，以降低差异沉降带来的风险。