黃河下游淤筑體固結(jié)技術(shù)研究與應(yīng)用

趙彥彥，劉 欣，崔天嬌

(河南黃河勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州450003)

避水村臺是黃河下游灘區(qū)安全建設(shè)的主要工程措施之一，其修筑方法是采用挖泥船、水力沖挖機組等機械設(shè)備通過輸泥管道將河道和河灘泥沙輸送到村臺施工區(qū)，讓泥沙在重力作用下沉積、固結(jié)，成為可建設(shè)基礎(chǔ)公共設(shè)施及房屋的村臺用地. 村臺建設(shè)可以充分利用黃河泥沙資源，施工便捷、造價低，因此在黃河下游灘區(qū)建設(shè)中被廣泛應(yīng)用. 但由于淤筑土在重力作用下固結(jié)，通常處于欠固結(jié)狀態(tài)，且固結(jié)極其不均勻，土體強度也達不到建筑物地基的要求，因此影響了村民的搬遷，降低了工程效益.

泥沙淤積修建的村臺土體與一般軟土的工程特性有相似之處，具有高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度、結(jié)構(gòu)性顯著等特點，但有別于一般軟土(淤泥和淤泥質(zhì)土)，其由極細的黏土顆粒、有機物、氧化物等固相物質(zhì)和水組成. 黃河淤筑土由黃河泥沙淤積而成，淤積速度較快，屬于欠固結(jié)且固結(jié)不均勻的特殊土，地基土呈現(xiàn)出低承載力、大沉降量、沉降穩(wěn)定所需時間長等特點，因此針對該類特殊土體開展研究具有重要的理論意義和實用價值.

目前對一般軟土的研究較多，該研究領(lǐng)域也是土力學(xué)研究的重點領(lǐng)域之一. 自1925年，太沙基(Terzaghi)首次提出有效應(yīng)力原理之后，國內(nèi)外學(xué)者對軟土的固結(jié)理論和技術(shù)開展了大量研究. Biot基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)基本方程，研究了三向變形材料與孔隙壓力的相互作用，建立了比較完善的理想土三向固結(jié)方程;黃文熙［1］推導(dǎo)出單層地基一維固結(jié)的普遍方程;Barron 在Terzaghi 固結(jié)理論的基礎(chǔ)上，建立了軸對稱固結(jié)微分方程并導(dǎo)出其解析解，該解析解在砂井地基設(shè)計中得到了廣泛應(yīng)用;Mesri等［2－3］則引用由大量試驗分析總結(jié)得到的經(jīng)驗關(guān)系來研究飽和軟土一維非線性固結(jié)問題，且用有限差分法做了求解;謝康和等［4－5］求解了變荷載下雙層及多層地基的一維固結(jié)方程，得出超靜孔壓的完整解析解，同時指出按應(yīng)力定義的平均固結(jié)度和按應(yīng)變定義的平均固結(jié)度;余闖等［6］通過研究軟土固結(jié)系數(shù)在壓縮過程中隨應(yīng)力水平變化的規(guī)律，推導(dǎo)出正常固結(jié)和超固結(jié)狀態(tài)下固結(jié)系數(shù)與有效應(yīng)力之間的關(guān)系表達式;劉漢龍等［7］采用改進的、可施加負壓的三軸儀開展了真空預(yù)壓、堆載預(yù)壓以及真空－堆載聯(lián)合預(yù)壓作用下軟土的固結(jié)蠕變試驗，描述了加載率、應(yīng)力比和時間等對軟土蠕變特性的影響;孫德安等［8］對原狀軟土和重塑軟土進行滲透特性試驗，研究了飽和軟土的滲透特性;劉洋等［9］基于太沙基一維固結(jié)理論，采用有限差分法對室內(nèi)固結(jié)試驗進行了數(shù)值分析，編制了室內(nèi)固結(jié)試驗的C++數(shù)值程序和自動求解固結(jié)系數(shù)的MATLAB 擬合程序.

以上研究均針對一般土體或軟土展開，考慮到黃河淤筑土有別于一般軟土，筆者對黃河下游典型淤筑村臺現(xiàn)場鉆孔取樣，采用室內(nèi)試驗、理論分析結(jié)合數(shù)值模擬，系統(tǒng)地分析影響淤筑體固結(jié)速度的因素，研究淤筑土的固結(jié)特性，總結(jié)淤筑體固結(jié)規(guī)律，并根據(jù)理論計算和模擬分析，結(jié)合當前的施工技術(shù)，提出具有針對性的施工處理措施.

1 淤筑土的工程特性

典型淤筑村臺選取長垣苗寨鄉(xiāng)村臺.該村臺位于馬野莊村以北，榆林控導(dǎo)工程以西的黃河灘地上，地處黃河下游沖積平原區(qū). 村臺呈長方形，東西長800 m，南北長500 m，高程約73 m，村臺地勢平坦，排水通暢.經(jīng)鉆探勘察，地層按巖性及其物理力學(xué)指標與工程特性劃分為耕植土、粉砂和粉土3 層.

1.1 基本物理力學(xué)性質(zhì)

分析現(xiàn)場鉆探、原位測試及室內(nèi)土工試驗成果可知，地層主要由人工淤筑而成，并得到了研究區(qū)土體的物理力學(xué)參數(shù)試驗值與取樣深度之間的關(guān)系.

1)含水率w:研究區(qū)土體含水率隨深度逐漸增加，粉土含水率明顯高于粉砂含水率，說明粉砂排水效率高于粉土.

2)孔隙比e:e－p 壓縮試驗結(jié)果表明，整個場區(qū)e 值變化幅度比較大，且極不均勻，說明黃河淤筑土的密實性變化較大.

3)壓縮系數(shù)av與壓縮模量Es:研究區(qū)土層av值為0.1 ～0.4 MPa－1，粉砂和粉土的av值相差不大;Es隨深度增加有減小的趨勢，其值為5 ～25 MPa，屬于中等壓縮性土.

4)滲透系數(shù)k:垂直滲透系數(shù)大于水平滲透系數(shù)，說明整個場地以垂直滲透為主;垂直滲透系數(shù)與水平滲透系數(shù)隨深度的增加有減小趨勢.

5)超固結(jié)比OCR:在0 ～5 m 深度范圍內(nèi)，3 個鉆孔粉砂的超固結(jié)比主要為0.4 ～0.8;在6 ～10 m深度范圍內(nèi)，3 個鉆孔粉土的超固結(jié)比主要為0.6 ～0.9，屬欠固結(jié)土.

1.2 固結(jié)系數(shù)Cv 的變化規(guī)律

固結(jié)系數(shù)Cv是求解固結(jié)問題的關(guān)鍵參數(shù)，它直接影響超靜孔隙水壓力u 的消散速率和地基沉降與時間的關(guān)系.通過對長垣苗寨鄉(xiāng)村臺選取的3 個鉆孔(C3，C9，C10)的室內(nèi)30 組固結(jié)試驗成果統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)Cv與深度H 的關(guān)系、Cv與固結(jié)壓力P 的關(guān)系.在P=200 kPa 時，3 個鉆孔的Cv隨H 變化的規(guī)律如圖1所示.以鉆孔C10 為例，Cv與P 的關(guān)系如圖2所示，圖中C10-1—C10-10 分別代表C10 的鉆孔深度為1 ～10 m.

圖1 固結(jié)系數(shù)隨深度變化的規(guī)律

圖2 固結(jié)系數(shù)與固結(jié)壓力之間的關(guān)系

從圖1可以看出，固結(jié)系數(shù)隨深度的變化規(guī)律不明顯，在深度0 ～10 m 范圍內(nèi)，固結(jié)系數(shù)值主要為1.0 ×10－3～3.0 ×10－2cm2/s，說明淤筑土的固結(jié)不均勻.從圖2可以看出，在不同壓力作用下，固結(jié)系數(shù)隨著深度的增加有增大的趨勢.

另外，通過室內(nèi)試驗得出在不同固結(jié)壓力作用下時間t 與沉降量s 的關(guān)系，如圖3所示.

由圖3分析可知，黃河淤筑土與其他土一樣，其沉降階段可分為瞬時沉降階段、主固結(jié)階段和次固結(jié)階段;在沉降過程中，瞬時沉降所占比例較大，表現(xiàn)出明顯的欠固結(jié)土特性;在各級壓力作用下，隨著時間的增長，沉降變形趨勢趨于平緩;不同深度的土樣在同樣的固結(jié)壓力下，沉降差異較大，說明淤筑土固結(jié)不均勻，沉降差異較大.

圖3 不同固結(jié)壓力沉降量與時間的關(guān)系曲線

2 村臺淤筑過程模擬

為更準確地了解淤筑土的工程特性，采取工程措施加快淤筑土的固結(jié)速度，以長垣苗寨鄉(xiāng)村臺為典型工程實例，采用數(shù)值模擬的方法模擬村臺的淤筑過程及在各種工程措施下的固結(jié)效果，為后續(xù)村臺建設(shè)提供參考.

2.1 計算模型

對長垣苗寨鄉(xiāng)村臺場地地質(zhì)條件及邊界條件進行概化，選取50 m×50 m 的淤筑區(qū)域作為模型計算范圍，設(shè)置4 個監(jiān)測剖面和1 個監(jiān)測點，如圖4所示，采用有限單元法對其固結(jié)過程進行模擬.村臺地層主要為粉砂和粉土，其物理力學(xué)參數(shù)見表1.

圖4 計算模型及監(jiān)測點布置圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)表

對村臺淤筑過程進行模擬計算，確定每20 d 淤筑2 m，淤筑10 m 高，淤筑100 d，以及工后25，50，75 d，共8 種計算工況，見表2.

2.2 淤筑過程分析

在8 種工況下，分別計算村臺淤筑過程，得到開始淤積施工20 ～175 d 總沉降云圖和分時沉降曲線，如圖5所示.

從圖5可以看出:淤積初期，沉降曲線較為平緩，村臺兩側(cè)的沉降量與中心沉降量相差不大，隨著淤積高度和時間的增長，沉降曲線表現(xiàn)出明顯的中心沉降特征;淤積完成后(100 d)，固結(jié)沉降繼續(xù)進行，新地表最大沉降值336. 6 mm;工后75 d(即175 d)，地表沉降值達到504.0 mm，固結(jié)沉降量增加了167.4 mm.在同一深度處不同淤筑階段，沉降量隨著時間的增加而增大;在不同深度處不同淤筑階段，沉降量隨著深度的增加而減小.

表2 計算工況表

圖5 淤筑體總沉降云圖及分時沉降曲線

隨著淤筑高度的增加，固結(jié)度逐步增加，孔隙水壓力逐漸消散，淤筑100 d，淤筑體的最大固結(jié)度為40%，淤筑完成后75 d(即175 d)，隨著孔隙水壓力的消散，淤筑體最大固結(jié)度增加至55%.

2.3 淤筑土固結(jié)過程及特性

從淤筑土體的室內(nèi)固結(jié)試驗及對村臺淤筑過程的數(shù)值模擬分析，可確定淤筑土固結(jié)過程的基本規(guī)律:①淤筑土固結(jié)不均勻，沉降差異較大;②淤筑體固結(jié)沉降中瞬時沉降所占比例較大，表現(xiàn)出明顯的欠固結(jié)土特性;③在固結(jié)壓力作用下，沉降變形隨時間趨于平緩;④在同一深度處不同淤筑階段，沉降量隨著時間的增加而增大，在不同深度處不同淤筑階段，沉降量隨著深度的增加而減小;⑤隨著淤筑高度的增加，孔隙水壓力逐漸消散，固結(jié)度逐步增加.

由于淤筑土體表現(xiàn)出明顯的欠固結(jié)土的特性，如作為村臺建筑物地基，肯定不能滿足建筑物對地基承載力的要求，因此有必要采取一定工程措施，加快土體的固結(jié)速度，以滿足村臺建設(shè)的要求.為驗證地基處理效果，對其進行模擬計算，以找到經(jīng)濟、實用的淤筑土地基處理方法和技術(shù).

3 淤筑體地基處理效果數(shù)值計算

采用堆載預(yù)壓法和堆載預(yù)壓+塑料板排水法兩種方法處理淤筑體，通過數(shù)值模擬方法對比分析兩種地基處理方案的固結(jié)效果.

具體堆載方案為:第1 級堆載荷載P =30 kPa，堆載20 d;第2 級堆載荷載P=60 kPa，堆載20 d;第3級堆載荷載P=90 kPa，堆載20d. 塑料板寬100 mm，厚5 mm，長16 m，三角形布置，間距2 m.

3.1 固結(jié)度分析

對比堆載預(yù)壓法和堆載預(yù)壓+塑料板排水法的模擬計算結(jié)果，分析淤筑完成、堆載60 kPa 及堆載60 kPa +塑料板3 種工況下，土層固結(jié)度隨深度的變化情況，結(jié)果如圖6所示.

圖6 淤筑完成各工程措施固結(jié)效果對比

由圖6可知:淤筑土在淤筑剛完成時，0 ～10 m深度范圍內(nèi)的土體固結(jié)極不均勻，在曲線上表現(xiàn)為忽高忽低，呈鋸齒狀，固結(jié)度隨深度的增加逐漸提高;堆載60 kPa，65 d 后，土體固結(jié)度整體提高，最大固結(jié)度提高到55%以上;堆載60 kPa+塑料板，65 d后，土體最大固結(jié)度提高到近80%，說明堆載+塑料板排水方案對提高土體的整體固結(jié)度效果較好.

3.2 沉降量分析

對比兩種處理方法的模擬計算結(jié)果，分析堆載90 kPa 及堆載90 kPa+塑料板兩種工況下監(jiān)測線1的土體沉降情況，沉降曲線如圖7所示.

由圖7可知:兩種工況的沉降均表現(xiàn)為明顯的中心沉降趨勢;堆載90 kPa，20 d 后的總沉降量約470 mm，堆載90 kPa +塑料板排水，20 d 后的總沉降量約680 mm，說明堆載措施可加快土體的固結(jié)沉降速度;設(shè)置塑料板排水后，土體固結(jié)速度具有非常顯著的提高，堆載90 kPa +塑料板排水固結(jié)方案明顯優(yōu)于單純堆載方案.

圖7 監(jiān)測線1 各工程措施的土體沉降曲線

3.3 處理效果對比

1)從處理效果上看，堆載+塑料板排水固結(jié)方案處理后最大固結(jié)度達到約78%，最大沉降量約680 mm;單純堆載處理方案處理后最大固結(jié)度達到約55%，最大沉降量約470 mm;堆載+塑料板排水固結(jié)方案明顯優(yōu)于堆載方案.

2)從經(jīng)濟方面對比，單純堆載方案造價明顯低于堆載+塑料板排水固結(jié)方案.

3)從工期方面對比，如果采用單純堆載方案處理后固結(jié)度要達到70%以上，所用時間明顯多于堆載+塑料板排水固結(jié)方案.

4 結(jié) 語

1)黃河下游淤筑土體屬欠固結(jié)土，固結(jié)不均勻，沉降差異較大. 如作為地基土，表現(xiàn)出明顯的壓縮性高、承載力低、固結(jié)速度慢的特點.

2)在村臺淤筑時，由于土體在重力作用下的固結(jié)沉降，淤積施工時必須預(yù)留一定的淤筑高度才能使村臺淤積后達到設(shè)計標高.

3)采用堆載預(yù)壓法和堆載預(yù)壓+塑料板排水法兩種方案處理淤筑體，對村臺固結(jié)效果進行模擬，結(jié)果表明堆載+塑料板排水固結(jié)方案處理效果明顯優(yōu)于堆載方案.

4)建議進一步研究淤筑土的工程特性，如通過電滲或化學(xué)添加劑的方法，結(jié)合室內(nèi)和現(xiàn)場試驗，找出經(jīng)濟、實用、環(huán)保的加快村臺固結(jié)速度的方法.

［1］黃文熙. 土的工程性質(zhì)［M］. 北京:水利電力出版社，1983.

［2］Mesri G，Rokhsar A.Consolidation of normally consolidated clay［J］.J of SMFD，ASCE，1974，100(GT8):889－903.

［3］Mesri G，Choi Y K.Settlement analysis of embankments on soft clays［J］.J of the Geotechnical Engineering Pivision，ASCE，1985，111(4):441－464.

［4］謝康和，潘秋元. 變荷載下任意層地基一維固結(jié)理論［J］.巖土工程學(xué)報，1995，17(5):80－85.

［5］謝康和. 等應(yīng)變條件下的雙層理想井地基固結(jié)理論［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，1995，29(5):529－540.

［6］余闖，劉松玉.考慮應(yīng)力水平的軟土固結(jié)系數(shù)計算與試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2004，25(增刊2):103－107.

［7］劉漢龍，扈勝霞，Ali Hassan.真空－堆載預(yù)壓作用下軟土蠕變特性試驗研究［J］. 巖土力學(xué)，2008，29(1):6－12.

［8］孫德安，許志良.結(jié)構(gòu)性軟土滲透特性研究［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2012，39(1):36－41.

［9］劉洋，王喆，閆鴻翔.軟土固結(jié)試驗數(shù)值模擬［J］. 巖土力學(xué)，2013，34(增刊2):407－412，420.