腐木質(zhì)淤泥土研究綜述及工程展望

陳志偉1李超23周勇23高逸成23鄒湘衡23魏軍揚(yáng)23

（1.浙江省科威工程咨詢(xún)有限公司，浙江杭州 310002；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200000；3.上海海洋工程和船廠(chǎng)水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200000）

腐木質(zhì)淤泥土研究綜述及工程展望

陳志偉1，李超2，3，周勇2，3，高逸成2，3，鄒湘衡2，3，魏軍揚(yáng)2，3

（1.浙江省科威工程咨詢(xún)有限公司，浙江杭州 310002；2.中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200000；3.上海海洋工程和船廠(chǎng)水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200000）

綜合論述了當(dāng)前腐木質(zhì)淤泥土的研究現(xiàn)狀及工程處理措施，指出影響腐木質(zhì)土工程性質(zhì)的主要因素包括本身腐木腐朽程度、腐木含量及腐木土所處的土體結(jié)構(gòu)土層等；結(jié)合當(dāng)前研究和工程措施提出了一些建議并進(jìn)行了展望。

公路；腐木質(zhì)淤泥；土體結(jié)構(gòu)；工程措施

1　腐木質(zhì)淤泥土簡(jiǎn)介

1.1腐木質(zhì)淤泥土定義

腐木質(zhì)淤泥土作為一種特殊的軟土層土質(zhì)，主要是由腐朽的木材和普通土體混合而成。它同普通淤泥有相似之處，但也有很大不同，具有獨(dú)特的工程性質(zhì)特點(diǎn)。

文獻(xiàn)［1］指出腐木土層多呈深灰色、灰色或黑色，也有少數(shù)呈棕褐色。文獻(xiàn)［4］指出腐木淤泥與有機(jī)質(zhì)含量較高的工程中常有的普通泥炭、泥炭土之間存在本質(zhì)區(qū)別。腐木淤泥的最大特點(diǎn)是其有明顯的分解程度差別很大的未完全分解的植物根莖，淤泥與植物纖維互不摻混，按照常規(guī)取樣并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)十分困難，取得較為準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)參數(shù)較難。

1.2腐木質(zhì)淤泥土分布與形成原因

中國(guó)腐木淤泥軟土地基土層分布較為廣泛，主要集中在湖泊、河流中下游及東部沿海地區(qū)，且地表以下第四紀(jì)軟土覆蓋層深厚。文獻(xiàn)［15］指出珠三角地區(qū)及廣東沿海地區(qū)有大量腐木淤泥層；文獻(xiàn)［13］指出在上海、天津、連云港、寧波等沿海城市及武漢、昆明等內(nèi)陸地區(qū)也存在腐木淤泥層；文獻(xiàn)［16］顯示在浙江溫州也夾雜一定量的腐木淤泥層；文獻(xiàn)［17］、［18］表明在福建等省市也存在較為廣泛的腐木質(zhì)土層。典型的工程有揭普（揭陽(yáng)—普寧）、潮揭（潮州—揭陽(yáng)）及汕揭（汕頭—揭陽(yáng)）高速公路等。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］的分析，腐木層是樹(shù)木的枯萎腐朽伴隨氣候周期變化及海面變動(dòng)而形成的，是近期地面沉降、海面上升、氣候趨冷共同影響下原生水松林被沉積物掩埋的結(jié)果。如文獻(xiàn)［10］、［11］、［13］所述，運(yùn)用孢子花粉、掃描電子顯微鏡、能譜和C14同位素年代測(cè)試等方法可以對(duì)腐木土層的地質(zhì)和成因進(jìn)行分析。

1.3腐木質(zhì)淤泥分類(lèi)

根據(jù)文獻(xiàn)［9］與文獻(xiàn)［6］，對(duì)于腐木質(zhì)淤泥土，可以根據(jù)樹(shù)木纖維在土層中的腐朽程度不同將其大致分為三類(lèi)（見(jiàn)表1）。

表1　腐木淤泥土的分類(lèi)

如文獻(xiàn)［4］所述，根據(jù)樹(shù)木的腐朽程度不同，腐木淤泥大致劃分為弱朽、強(qiáng)朽、全朽3種。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)不難看出，表1中腐朽程度50%以下、50%～90%、90%以上大致分別對(duì)應(yīng)弱朽、強(qiáng)朽、全朽。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，按照分布高程，可以將腐木淤泥土劃分為低位腐木土層和高位腐木土層。低位腐木土層分布在平原地面以下，高位腐木土層高于平原地面高程。

2　研究現(xiàn)狀

關(guān)于腐木淤泥的研究主要集中在腐木淤泥試樣取樣制備、腐木淤泥組成及物理力學(xué)參數(shù)特性、腐木淤泥工程處理方法三方面。

2.1試樣取樣制備

文獻(xiàn)［4］粗略介紹了冷凍方法對(duì)固結(jié)系數(shù)的影響，指出根據(jù)變形曲線(xiàn)推導(dǎo)的冷凍樣固結(jié)系數(shù)平均值比非冷凍樣固結(jié)系數(shù)平均值小，得到了冷凍法對(duì)淤泥、腐木纖維混合土結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)程度，固結(jié)系數(shù)變化較大，兩者相差達(dá)2倍以上。

文獻(xiàn)［5］對(duì)試樣取樣方法作了較詳盡的介紹，給出了腐木淤泥不同腐朽程度即弱朽、強(qiáng)朽、全朽3種狀態(tài)下的取樣方法（見(jiàn)表1）。

文獻(xiàn)［6］詳細(xì)介紹了冷凍法取樣對(duì)腐木淤泥混合土變形參數(shù)的影響，得到了較為系統(tǒng)的結(jié)論：1）當(dāng)冷凍法取樣作用于腐木含量較低的腐木軟土?xí)r，土層固結(jié)系數(shù)較小，擾動(dòng)程度較大；當(dāng)冷凍法取樣作用于腐木含量較高的腐木軟土?xí)r，土層固結(jié)系數(shù)較大，擾動(dòng)程度較小。2）對(duì)次固結(jié)系數(shù)而言，冷凍法取樣的影響很小。當(dāng)固結(jié)壓力較高時(shí)，冷凍法取樣作用于腐木含量較高的腐木軟土的次固結(jié)系數(shù)略小。3）冷凍法取樣對(duì)于腐木含量較高的腐木軟土的擾動(dòng)程度較小，壓縮曲線(xiàn)表現(xiàn)為緩降型，表現(xiàn)出來(lái)的壓縮性也較低。總之，文獻(xiàn)［6］中得出的結(jié)論印證了表1中腐木淤泥取樣的試驗(yàn)方法。

文獻(xiàn)［13］提出了采用直徑168mm的大直徑鉆頭、結(jié)合干冰冷凍取得原狀樣的取樣方法。

文獻(xiàn)［14］關(guān)于腐木淤泥試驗(yàn)取樣的介紹與表1中的相近。

文獻(xiàn)［1］指出各腐木土層具有基本相同的巖性，為富含有機(jī)質(zhì)或含少量石英砂細(xì)小顆粒的淤泥質(zhì)土或淤泥沉積物，反映出腐木淤泥是相對(duì)靜水的環(huán)境產(chǎn)物；同時(shí)指出腐木土層中孢粉含量豐富，呈蜂窩狀的硅藻含量較豐富，其化學(xué)成分主要為硅；腐木淤泥層含水量高、孔隙比大，這與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)；腐木土層工程性質(zhì)隨著形成時(shí)代的不同而不同，一般來(lái)說(shuō)，形成時(shí)代越新其工程性質(zhì)越差，形成時(shí)代愈久其工程性質(zhì)愈好。

文獻(xiàn)［2］通過(guò)分析廣東揭普高速公路軟基路堤施工期及運(yùn)營(yíng)期的實(shí)測(cè)沉降資料，整理出地基回彈性指標(biāo)、固結(jié)系數(shù)、次固結(jié)系數(shù)和超載比，用數(shù)據(jù)說(shuō)明了含腐木的軟土地基的固結(jié)特征；指出含腐木的軟土地基在進(jìn)行深層處理后具有更快的固結(jié)過(guò)程，卸載后具有顯著的回彈性，其壓縮過(guò)程和不含腐木的軟基沒(méi)有明顯區(qū)別；經(jīng)過(guò)袋裝砂井處理后的腐木淤泥混合土地基的卸載回彈特征非常鮮明，回彈性指標(biāo)λ（單位卸載量產(chǎn)生的單位厚度軟土的回彈量）大于不含腐木成分的軟土地基，若軟土含有腐木纖維成分，則λ值隨腐木含量增加而加大；在沒(méi)有排水通道的情況下，腐木淤泥混合土地基具有較長(zhǎng)時(shí)間的緩慢固結(jié)過(guò)程，將對(duì)工后沉降產(chǎn)生非常明顯的影響，必須對(duì)深層腐木淤泥土進(jìn)行符合要求的處理。

文獻(xiàn)［3］指出腐木淤泥混合土具有極小的滲透系數(shù)k。在腐木含量少時(shí)，k值隨固結(jié)壓力變化范圍不大；但在腐木含量較多時(shí)，隨著固結(jié)壓力變化范圍的增大及腐木含量的增加，k值從10-9變化至10-7數(shù)量級(jí)。k值在高壓下減小。

文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［7］得出了對(duì)腐木淤泥地基處理設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)作用的物理特性指標(biāo)：在常規(guī)試驗(yàn)方法下得到腐木淤泥的固結(jié)系數(shù)平均值Cv= 8.083×10-4cm2/s；壓縮系數(shù)平均值av0.1～0.2=2.14 MPa-1；壓縮指數(shù)平均值Cc=1.081；回彈指數(shù)平均值Cs=0.0801。次固結(jié)壓縮試驗(yàn)結(jié)果顯示：在荷載p≤100kPa時(shí)，次固結(jié)系數(shù)平均值Ca=0.0156；在荷載p＞100kPa時(shí)，Ca=0.0252。

文獻(xiàn)［13］指出，在超載量相同的條件下，次固結(jié)系數(shù)的變化量隨著荷載等級(jí)的降低而變大，但都比未超載時(shí)的次固結(jié)系數(shù)平均值約小一個(gè)數(shù)量級(jí)。

文獻(xiàn)［14］通過(guò)與普通淤泥對(duì)比，較為系統(tǒng)地分析了腐木淤泥的特性，并通過(guò)有限元程序Plaxis證明了部分?jǐn)嗝鎱?shù)的正確性，其結(jié)論如下：1）腐木和淤泥的固結(jié)性狀差異很大，淤泥的固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化不大，為10-4量級(jí)；腐木的固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化呈量級(jí)遞減。腐木的回彈量是淤泥回彈量的10倍左右。2）腐木淤泥混合土的壓縮性指標(biāo)、次固結(jié)系數(shù)及固結(jié)系數(shù)隨腐木成分含量的變化而變化，腐木含量對(duì)腐木淤泥混合土的力學(xué)性質(zhì)有重大影響。3）不同腐木含量的腐木淤泥混合土的固結(jié)壓力和滲透系數(shù)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上呈線(xiàn)性關(guān)系，擬合線(xiàn)性方程為k=mpn（m和n為在0.99以上隨腐木含量而變化的相關(guān)系數(shù)），腐木淤泥混合土的滲透系數(shù)極小。4）腐木淤泥混合土隨著腐木含量的增加其變形參數(shù)增加。5）腐木同淤泥的次固結(jié)機(jī)理有所不同，腐木的次固結(jié)系數(shù)比淤泥高10倍以上。腐木的主固結(jié)相當(dāng)于排出孔隙水的過(guò)程，之后木材的蠕變是引起腐木次固結(jié)的主要因素，主要是受壓縮腐木纖維變形而產(chǎn)生的。而土顆粒的粘性結(jié)構(gòu)的塑性調(diào)整引起淤泥的次固結(jié)變形，且腐木淤泥混合土的次固結(jié)系數(shù)隨腐木含量的增加而增加。6）粘聚力c值隨腐木含量的增加而增大，而φ值基本不變，隨腐木含量的增加總體強(qiáng)度變大。

2.3腐木淤泥工程處理方法

文獻(xiàn)［1］介紹了揭普高速公路上兩路段所采用的兩種處理方法，即超載預(yù)壓方法及袋裝砂井-超載預(yù)壓聯(lián)合處理方法。

本研究原則上通過(guò)層次分析法，把研究主體根據(jù)其相互關(guān)系分解成多個(gè)層次，然后進(jìn)行定量和定性分析。5個(gè)準(zhǔn)則層細(xì)化到27項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)(圖1)。構(gòu)建權(quán)重是層次分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。確定權(quán)重時(shí)，通過(guò)兩兩比較判斷進(jìn)行相對(duì)重要性評(píng)判。本研究邀請(qǐng)10位專(zhuān)業(yè)馬拉松運(yùn)動(dòng)員和對(duì)10為馬拉松裁判員對(duì)各準(zhǔn)則層和指標(biāo)因子的重要性進(jìn)行獨(dú)立判斷。在27個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子中，部分指標(biāo)通過(guò)遙感技術(shù)和實(shí)地調(diào)查計(jì)算分值；其余部分指標(biāo)通過(guò)打分進(jìn)行量化賦值。根據(jù)公式V=nΣBW，其中V為綜合得分，B為指標(biāo)因子評(píng)分，W為指標(biāo)因子權(quán)重值，n為因子個(gè)數(shù)，得出兩個(gè)區(qū)域的綜合評(píng)價(jià)值。

文獻(xiàn)［2］描述了腐木淤泥混合土的地基排水固結(jié)機(jī)理。腐木淤泥混合土中腐木通常情況下被淤泥包裹或被沉積物細(xì)顆粒所充填，宏觀(guān)孔隙在腐木中處于封閉狀態(tài)，此時(shí)淤泥的固結(jié)排水能力對(duì)腐木淤泥土層的固結(jié)排水速度起主導(dǎo)作用。當(dāng)腐木含量在腐木淤泥土中相對(duì)較低時(shí)，其固結(jié)參數(shù)與其相混合的淤泥固結(jié)參數(shù)相差不大，并且可以通過(guò)室內(nèi)一維固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)佐證。腐木淤泥土層采用砂井處理時(shí)，若砂井的深度和間距適宜，砂井與腐木淤泥混合土地基中的腐木團(tuán)相連通，良好的排水通道容易形成，加載的瞬間即可排出腐木淤泥混合土中的水，同時(shí)會(huì)造成較大瞬時(shí)沉降，加載后土體能較快排水固結(jié)。合理的布置形式、適宜深度的袋裝砂井與適宜時(shí)間大小的超載預(yù)壓工藝組合是處理腐木淤泥混合土地基有效而合理的方法。

文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［13］指出超載預(yù)壓方法是處理腐木淤泥混合土地基的一種比較合理、有效的方法。

文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［12］提出應(yīng)盡量采用小間距砂井處理腐木淤泥土，同時(shí)所采用的預(yù)壓期要合理。

文獻(xiàn)［8］根據(jù)軟土物理性質(zhì)在超載預(yù)壓期的變化規(guī)律，指出要使淺層軟土地層的壓縮固結(jié)取得明顯效果，需超載預(yù)壓1年左右，而這個(gè)壓縮時(shí)間對(duì)深層腐木土層會(huì)不會(huì)造成明顯影響需進(jìn)一步觀(guān)測(cè)。

文獻(xiàn)［10］提出腐木淤泥混合土地基經(jīng)袋裝砂井+加載方法處理，荷載恒定后沉降發(fā)展快，沉降收斂也較迅速，主固結(jié)過(guò)程較短；卸荷回彈特征在超載預(yù)壓后鮮明，工后沉降小；在沒(méi)有排水通道的情況下，腐木淤泥混合土地基固結(jié)過(guò)程需要較長(zhǎng)的時(shí)間，對(duì)工后沉降有非常明顯的影響，必須進(jìn)行深層腐木淤泥處理；合理的布置形式、適宜處理深度的袋裝砂井和適宜時(shí)間長(zhǎng)短、荷載大小的超載預(yù)壓組合是處理腐木淤泥混合土地基有效而合理的方法。

文獻(xiàn)［14］指出處理腐木淤泥混合土可以采用袋裝砂井，且十分有效，而沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的腐木淤泥混合土中淤泥始終包圍著腐木，排水通道沒(méi)有有效形成，固結(jié)緩慢。從計(jì)算結(jié)果及實(shí)測(cè)資料來(lái)看，袋裝砂井+等載預(yù)壓的處理方案主要適宜于埋藏深度不大的腐木淤泥混合土層；袋裝砂井+超載預(yù)壓的處理方案主要適宜于厚度較大且埋藏較深的腐木淤泥混合土層。

文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［12］認(rèn)為軟土的工程性質(zhì)不是唯一影響公路路基沉降穩(wěn)定的因素，土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型對(duì)公路路基沉降的影響也不容忽視，有時(shí)可在一定條件下起主導(dǎo)作用。雖然早期腐木土層具有較差的工程性質(zhì)，但上部覆蓋有能分散下部軟土層承受應(yīng)力的一定厚度的“硬殼層”，使軟土地基表層具有一定相當(dāng)于硬板體的作用，土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型也是決定沉降過(guò)程線(xiàn)的主要因素。對(duì)于不同腐木淤泥土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，應(yīng)有針對(duì)性地采用不同的處理措施才能獲得良好的工程效果。

3　總結(jié)與展望

3.1總結(jié)

（1）在腐木淤泥試樣取樣制備方面，對(duì)于淤泥含量50%以下（弱朽）的腐木淤泥，室內(nèi)試驗(yàn)剪切取樣和現(xiàn)場(chǎng)取樣十分困難，可配合切割機(jī)和千斤頂采取大直徑冷凍的方法進(jìn)行取樣；對(duì)于腐朽程度為50%～90%（強(qiáng)朽）的腐木淤泥，可直接使用大直徑鉆頭取樣、刀片切樣；對(duì)于腐朽程度90%以上（全朽）的腐木淤泥，常規(guī)取樣即可，試驗(yàn)較容易。

（2）在腐木淤泥組成及物理力學(xué)參數(shù)特性方面，研究了腐木淤泥的滲透性、壓縮骨架特性、次固結(jié)特性及其他基本參數(shù)指標(biāo)和規(guī)律，能為相關(guān)理論研究和工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。

（3）對(duì)于腐木淤泥工程的處理，袋裝砂井+等載預(yù)壓的處理方案主要適宜于埋藏深度不大的腐木淤泥混合土層；袋裝砂井+超載預(yù)壓的處理方案主要適宜于厚度較大且埋藏較深的腐木淤泥混合土層。根據(jù)不同的土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型，采取合理的布置形式、適宜深度的袋裝砂井與一定時(shí)間、適宜荷載大小的不同荷載形式預(yù)壓組合，是處理腐木淤泥混合土地基合理而有效的方法。

3.2展望

（1）實(shí)際工程中腐木淤泥是隨著深度變化的，在平面方向也很難有十分均勻的分布，采用鉆孔進(jìn)行取樣時(shí)，要盡量選取典型工程性質(zhì)最差的斷面，以保證工程設(shè)計(jì)、施工的穩(wěn)妥。

（2）無(wú)論是冷凍取樣還是大直徑鉆頭取樣，都會(huì)對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，有待發(fā)明一種針對(duì)腐木淤泥工程地質(zhì)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法，確保物理參數(shù)的正確性且不擾動(dòng)土體。

（3）需提取不同地點(diǎn)、不同含量及不同腐朽程度特別是腐木含量較高的試樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，以得到具有普遍意義、適用性更強(qiáng)的腐木淤泥土工程性質(zhì)規(guī)律，用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工。

（4）可對(duì)淺層腐木淤泥甚至深層腐木淤泥添加一定試劑進(jìn)行復(fù)合加固，腐木淤泥化學(xué)試劑加固將成為一種新的研究方向和工程處理方法。

（5）既然軟土的土體結(jié)構(gòu)類(lèi)型是決定沉降過(guò)程線(xiàn)的主要因素，那么對(duì)腐木淤泥可否采取清除部分表土或在不清除的情況下進(jìn)行堆填而形成人工回填“硬殼層”的方法進(jìn)行處治，這種工程處理思路有待深入研究。

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