吉林西部湖沼相淤泥工程特性研究

于仲離，許小龍，占鑫杰 ，朱群峰，張青民

1.中國水利水電第一工程局有限股份公司基礎(chǔ)分局，吉林 長春 130033；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029

0 引言

吉林西部河湖連通工程位于松嫩平原西南部，地處東北腹地，為生態(tài)修復(fù)、經(jīng)濟騰飛奠定了堅實基礎(chǔ)。工程沿線河湖區(qū)分布有一層呈流塑狀的湖沼相淤泥，層厚分布不均，為建設(shè)帶來了困難與挑戰(zhàn)。湖沼相淤泥具有天然含水率高、孔隙比大、滲透系數(shù)小、強度低、壓縮性高、穩(wěn)定性差、固結(jié)時間長等特性[1-3]。如不進行系統(tǒng)的調(diào)查研究，易引發(fā)地基滑移、邊坡失穩(wěn)等工程事故。針對吉林西部典型的湖沼相淤泥進行全面系統(tǒng)的研究，從物理力學(xué)性質(zhì)、現(xiàn)場監(jiān)測成果、反演計算等方面分析吉林西部湖沼相淤泥的工程特性，為該地區(qū)的工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

項目位于吉林省松原市境內(nèi)，在工程建設(shè)前期發(fā)現(xiàn)：大壩里程樁號K3+220～K6+552(見圖1)地基廣泛分布有一層土性較差的淤泥質(zhì)軟土。受復(fù)雜水力條件及沉積環(huán)境影響，場地自上而下分布有5層結(jié)構(gòu)，分別為：2-1壤土、2-2砂壤土、2-3淤泥質(zhì)黏土、2-4淤泥、4-1黏土。淤泥層呈黑褐色，飽和，軟-流塑，含有機質(zhì)，具有腥臭味，見有未腐爛的植物根系，局部夾薄層砂土，分布于沼澤洼地的中、下部，沿線均有分布，層厚達0.8～10.8 m。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖

2 湖沼相淤泥礦物成分分析

X射線衍射是黏土礦物定性、定量分析的常用手段，每種礦物晶體存在唯一的X射線衍射，且其對應(yīng)特征不會因為多種物質(zhì)混合而發(fā)生改變[4]。因此采用X射線衍射法測定吉林西部湖沼相淤泥的礦物成分。礦物組成如表1所示，石英礦物含量最高為51.2%，其次為伊利石17.9%。

表1 湖沼相淤泥礦物組成

燒失量法是測量有機質(zhì)含量的可靠手段，當有機質(zhì)含量>10%時，采用燒失量法估測土壤有機質(zhì)含量的結(jié)果可信度較高，同時因其便捷經(jīng)濟的特點被廣泛運用于土壤學(xué)、地質(zhì)學(xué)中土體有機質(zhì)含量的研究[5-6]。本文采用燒失量法測得的湖沼相淤泥中的有機質(zhì)含量均值為7.6%。

3 湖沼相淤泥工程特性的非均勻性

現(xiàn)場采用鉆孔取土的方式，選取30組具有代表性的淤泥土樣，參照《土工試驗方法標準》[7]開展吉林西部湖沼相淤泥的室內(nèi)試驗，掌握該淤泥土的基本物理力學(xué)特性，并結(jié)合現(xiàn)場勘探結(jié)果分析軟基段湖沼相淤泥的空間分布特征。

3.1 湖沼相淤泥物理力學(xué)特性研究

試驗所得的淤泥質(zhì)土樣的基本物理力學(xué)參數(shù)有：濕密度、含水率、土粒比重、孔隙比、液限、塑限、顆粒分析、滲透系數(shù)、無側(cè)限抗壓強度、壓縮性指標、不排水抗剪強度等，具體試驗結(jié)果如表2～表4所示。

表2 湖沼相淤泥基本物理特性

3.1.1 物理特性研究

湖沼相淤泥的濕密度、含水率、土粒比重、液塑限分別采用環(huán)刀法、烘干法、比重瓶法、液塑限聯(lián)合測定儀法測得，顆粒分析采用篩析法與密度計法測定，滲透系數(shù)采用南55型滲透儀開展變水頭試驗。

試驗結(jié)果顯示湖沼相淤泥具有以下特點：本區(qū)域淤泥孔隙比大、含水率高，濕密度與干密度相應(yīng)較小，塑性指數(shù)與液性指數(shù)高，細顆粒含量高，滲透性差，且不同區(qū)域試驗結(jié)果離散較大，空間分布不均，A6～A8區(qū)土的物理性質(zhì)最差。

湖沼相淤泥的含水率均值為59.3%、孔隙比均值為1.58、濕密度均值為1.65。試驗所得的孔隙比大于1.5，有機質(zhì)含量為7.5%，符合《土的工程分類標準》[8]與《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[9]有關(guān)淤泥的規(guī)定。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[10]，湖沼相淤泥液性指數(shù)均值為1.4，遠高于1.0土體呈流塑狀。

從表3中可以看出該淤泥土樣由細砂粒、粉粒和黏粒組成，細顆粒(粉粒、黏粒)含量高，占總質(zhì)量的95.2%，其中粉粒與黏粒含量分別為59.5%、35.7%。土體的雙向滲透系數(shù)都較小，其中水平向滲透系數(shù)大于其自身垂直向的滲透系數(shù)，垂直向與水平向的滲透系數(shù)分別為0.9×10-7、4.3×10-7。這是由于該地區(qū)淤泥土細顆粒含量高，比表面積大水分子易吸附在顆粒表面；同時富含有機物，膠結(jié)作用愈強，親水能力愈強，表現(xiàn)為土體滲透系數(shù)較小在10-7量級，滲透性較差，成為影響土體排水固結(jié)特性的主要因素。

表3 顆粒組成與滲透系數(shù)

3.1.2 力學(xué)特性研究

為較全面的了解湖沼相淤泥的工程特性，針對淤泥土樣開展了標準固結(jié)試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗、三軸固結(jié)不排水剪試驗，測得其壓縮系數(shù)、無側(cè)限抗壓強度、有效黏聚力與內(nèi)摩擦角不同分區(qū)試驗結(jié)果如表4所示。

表4 湖沼相淤泥基本力學(xué)特性

試驗所得壓縮系數(shù)均值為1.28 MPa-1屬高壓縮性土，地基沉降變形大；無側(cè)限抗壓強度均值為5.4 kPa，有效黏聚力均值為11 kPa，有效內(nèi)摩擦角均值為20.9°。分析其原因是湖沼相淤泥孔隙比高、富含有機質(zhì)使壓縮性增大、滲透性下降；黏粒含量高，有機質(zhì)的膠結(jié)作用，使部分區(qū)域淤泥的黏聚力增加。淤泥土的無側(cè)限抗壓強度低、A7～A8區(qū)有效黏聚力低，這是由于淤泥的高含水率影響其力學(xué)性能，隨著含水率的增加，土顆粒間相互作用力減弱，黏聚力降低，各項力學(xué)指標呈降低趨勢[11]。

3.2 空間分布特性分析

由上一章節(jié)可知，場地內(nèi)湖沼相淤泥的基本物理力學(xué)特性隨空間分布不均，不同分區(qū)淤泥的基本物理力學(xué)特性存在較大差異，A6～A8區(qū)淤泥土的物理力學(xué)特性最差，其余分區(qū)較好。同時淤泥層厚度也存在空間分布不均的現(xiàn)象，圖2～圖3選取圖1中Ⅰ-Ⅰ’、Ⅱ-Ⅱ’斷面分析淤泥層的空間分布特性。

圖2 Ⅰ-Ⅰ’斷面土層分布縱剖面圖

圖3 Ⅱ-Ⅱ’斷面土層分布橫剖面圖

根據(jù)圖2、圖3可知，研究區(qū)域廣泛分布有一層呈流塑狀的淤泥土，埋藏深，且層厚變化較大，沿軸線方向從A2～A7區(qū)呈遞增趨勢，最大厚度為11 m，從A7～A9區(qū)呈遞減趨勢；受湖流、波浪以及環(huán)境等影響，自湖岸至湖心不同區(qū)域沉積物顆粒特性和結(jié)構(gòu)性一般有所差異，垂直于壩軸線方向由背水側(cè)向迎水側(cè)淤泥層厚度呈遞增趨勢。

4 湖沼相淤泥的排水固結(jié)特性

排水固結(jié)法是加固軟土地基的一種有效方法，該方法是指地基在荷載作用下，通過布設(shè)的豎向排水通道，使土中孔隙水排出，孔隙比減小，地基發(fā)生固結(jié)變形強度逐漸增長。本工程采用真空聯(lián)合堆載預(yù)壓的方式加固軟土地基，通過打設(shè)排水板提供良好的豎向排水通道，加快軟土地基固結(jié)。因此淤泥層的排水固結(jié)特性將直接影響地基強度提升速率，本章通過現(xiàn)場超靜孔隙水壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)與反演計算進一步分析湖沼相淤泥的排水固結(jié)特性。

4.1 現(xiàn)場孔壓測試成果

通過埋設(shè)在土體中不同深度處的孔隙水壓力測頭，可以直觀的了解不同土層地基土超靜孔隙水壓力的消散情況，反應(yīng)土體的排水固結(jié)特性，衡量地基加固效果。通常將孔隙水壓力計埋設(shè)在四根排水板中間，本工程分別在原地面以下3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m處埋設(shè)孔隙水壓力計，并將電纜線引到加固區(qū)外通過評率計觀測。以試驗區(qū)為例，分析湖沼相淤泥的排水固結(jié)特性，超靜孔隙水壓力變化過程曲線如圖4所示。

圖4 超靜孔隙水壓力變化過程曲線

圖中1階段為開始抽真空階段，2、4階段代表真空聯(lián)合堆載階段(其中4階段為冬歇期后恢復(fù)抽真空，待膜下真空壓力達設(shè)計要求后繼續(xù)堆載)，3、5階段為冬歇期，停止抽真空與堆載。

通過圖4可知，不同深度地層超靜孔隙水壓力呈現(xiàn)出明顯的差異性。3 m、6 m、18 m為滲透性較好的壤土、砂土、黏土層，第1階段地基中孔壓迅速降低，隨后趨于穩(wěn)定；第2、4階段孔壓變化較小，滲透性好，受堆載影響較小；第3、5階段停止抽真空淤泥層中孔隙水向滲透性較好的土層中富集，孔壓上升。

9～15 m深度處，上部2～3層是淤泥質(zhì)黏土、下部2～4層是淤泥層，在第1階段孔隙水壓力緩慢降低；第2、4階段隨著填筑工作的開展，超靜孔隙水壓力逐步上升，無明顯消散趨勢；第3、5階段冬歇期軟土層中超靜孔隙水壓力緩慢消散，消散趨勢不明顯。

這是因為與壤土、砂壤土層對比湖沼相淤泥滲透性差，排水固結(jié)特性較差，荷載增加孔隙水壓力迅速增加，且難于及時排出，超靜孔隙水壓力消散較慢，地基強度提升緩慢，需較長的時間來完成強度的增長與地基的固結(jié)沉降。

4.2 滲透系數(shù)的反演分析

由于壩基內(nèi)呈軟塑-流塑狀態(tài)的淤泥層是影響壩體變形的主要土層，因此本次參數(shù)反演對象只針對該主要控制層2～4層的淤泥土，對于其本構(gòu)模型參數(shù)，選取對孔壓消散影響較大的滲透系數(shù)進行反演。選用修正劍橋模型進行反演分析，主要是在正常固結(jié)和弱超固結(jié)土的試驗基礎(chǔ)上建立起來的，是理論較為完善、應(yīng)用最為廣泛的土體彈塑性模型[12]。

修正劍橋模型屈服方程為：

(1)

反演分析時，根據(jù)計算變位與實測變位之間的誤差均方和為最小的原則，調(diào)整計算參數(shù)，求最優(yōu)值，即求一組最優(yōu)的參數(shù)，使下列目標函數(shù)趨于最小。

式中：n為測點數(shù)，dm、dc分別為測點處的實測和計算變位。

土體本構(gòu)模型參數(shù)初值主要通過工程類比確定，淤泥土的基本物理力學(xué)特性參數(shù)根據(jù)前述相關(guān)試驗成果綜合確定，計算參數(shù)初始值見表5?；谧冃伪O(jiān)測值反演出的滲透系數(shù)與實測值對比結(jié)果如6所示。

表5 計算參數(shù)初始值

從表6可知，實測滲透系數(shù)均值為4.3×10-7，反演計算所得滲透系數(shù)均值為3.34×10-7，反演計算值與實測值較為接近，淤泥的滲透系數(shù)在10-7量級，與現(xiàn)場淤泥層中超靜孔隙水壓力的消散規(guī)律吻合。實測結(jié)果，現(xiàn)場數(shù)據(jù)，反應(yīng)計算的結(jié)果相互印證，均反映出淤泥滲透性差，排水固結(jié)特性差的特點。

表6 滲透系數(shù)反演結(jié)果與實測結(jié)果對比

5 結(jié)論

從物理力學(xué)性質(zhì)、現(xiàn)場監(jiān)測成果、反演分析等方面分析吉林西部湖沼相淤泥的工程特性，得出如下結(jié)論：

(1)吉林西部湖沼相淤泥由于歷史沉積的原因，空間分布呈現(xiàn)出極度的不均勻性，土層由上至下分布不均，流塑狀淤泥層埋藏深厚；各區(qū)段淤泥層厚度不均；同一區(qū)段淤泥層由背水側(cè)至迎水側(cè)逐漸變厚，且不同分區(qū)淤泥的物理力學(xué)特性存在差異。

(2)吉林西部湖沼相淤泥具有濕密度低、含水率高、孔隙比大、壓縮性高、液性指數(shù)和塑性指數(shù)高呈流塑狀的工程特征。

(3)湖沼相淤泥礦物組成以石英為主，細顆粒含量高且富含有機質(zhì)，土體滲透系數(shù)小、排水固結(jié)特性差，孔隙水壓力難于及時消散，沉降固結(jié)時間長。

(4)現(xiàn)場淤泥層的超靜孔隙水壓力消散規(guī)律與反演計算結(jié)果吻合，進一步驗證湖沼相淤泥較差的排水固結(jié)特性。