濱海相軟土地基處理技術(shù)應(yīng)用研究

劉麗英

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院集團有限公司 福建福州 350108)

0 引言

受沖海積、淤積平原地貌影響，福州濱海地區(qū)地基開挖多為軟弱土層且多為淤泥、淤泥質(zhì)土。由于淤泥屬高壓縮性軟弱土層、含水量高、富含有機質(zhì)等，從而導(dǎo)致其承載力極低、工程力學(xué)性質(zhì)極差。這種軟土地基的承載力特征值一般只有40～50 kPa，甚至更低，如果不進行妥善處理，不僅不能作為建構(gòu)筑物的持力層或是形成穩(wěn)定的自然邊坡，還會占用大量的土地資源，無法循環(huán)利用。傳統(tǒng)處理軟基的方法有：拋石擠淤、換填法、堆載預(yù)壓、攪拌樁地基處理等。這些傳統(tǒng)的處理方法，往往受到施工場地條件和施工工期的限制，而淤泥固化具有施工便捷、強度可控、適用范圍廣、水穩(wěn)定性好、綠色環(huán)保可就地取材及可減少淤泥外運等優(yōu)點[1]。

1 固化劑加固淤泥的原理及分類

1.1 固化劑加固淤泥原理

早在幾千年前，人類就利用過石灰和火山灰來固化土壤[2]，而將它作為一門課題研究，僅有百余年的歷史[3]。固化劑加固淤泥，是淤泥和固化材料發(fā)生水解和水化反應(yīng)后產(chǎn)生膠凝物質(zhì)、結(jié)晶物質(zhì)的一個過程[4](圖1)，最后使得淤泥的含水率大大降低并產(chǎn)生一定的結(jié)構(gòu)強度，且其強度能夠在較長時間內(nèi)穩(wěn)定增長，以達到設(shè)計使用要求。

1.2 淤泥固化劑分類

淤泥固化劑分為無機固化劑和有機固化劑兩種[5]。本工程采用的是無機復(fù)合類固化劑，它綜合了各種其他單一無機固化劑(如：水泥類固化劑、石膏和石灰固化劑、粉煤灰固化劑等)對淤泥固化效果的優(yōu)點，彌補了單一固化材料的缺陷。

2 固化劑加固淤泥技術(shù)的實例應(yīng)用

2.1 工程概況

本工程位于福州市瑯岐島，場地現(xiàn)狀主要為田地、葡萄園、林地、魚塘及水溝、田埂、灘涂、基建工地等。

本工程擬建一系列的廣場硬地、景觀綠化造坡、景觀結(jié)構(gòu)和開挖面積達196 148.35 m2的湖體。地勘揭示場地上部土層主要為較薄的素填土，中、下部土層主要為較厚的淤泥、淤泥夾薄層砂、淤泥質(zhì)土，主要土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。湖體開挖深度范圍內(nèi)多為素填土、河泥及淤泥，如圖2所示。場地內(nèi)深厚的高含水率淤泥，給湖體開挖和地基處理帶來一定的難度。

圖2 典型地質(zhì)剖面圖

2.2 地基穩(wěn)定性分析評價

本工程場地內(nèi)“高壓縮性、高孔隙比、低強度”的淤泥層，難以滿足擬建景觀綠化造坡、硬地廣場等設(shè)施的地基承載力。而大面積的湖體開挖“卸載”、坡頂景觀綠化造坡“堆載”，淤泥極易產(chǎn)生較大的橫向和豎向變形，對地基的穩(wěn)定性造成不利影響。

由表1可知，該工程淤泥的地基承載力特征值只有40 kPa，超過2 m填方的地方，地基承載力明顯不足。隨著新填土荷載的增加，軟土地基也會產(chǎn)生較大的沉降變形，采用理正6.5PB3對填方處的軟土地基進行沉降變形分析計算，結(jié)果如圖3所示。

表1 主要土層物理力學(xué)參數(shù)

圖3 加固前的不同厚度新填土處的地基沉降量

對湖體開挖處的邊坡穩(wěn)定性采用理正深基坑7.5進行分析計算，得出最不利邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=0.645(表2),不滿足邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst≥1.30[6]的要求。

表2 加固前湖體邊坡滑裂面數(shù)據(jù)

由此可知，為了滿足相應(yīng)設(shè)計條件下的地基承載力、變形的要求和湖體開挖的邊坡穩(wěn)定安全問題，必須對本工程的軟土進行加固處理。

2.3 軟土處理方案的可行性比選

水泥土攪拌樁地基處理應(yīng)用成熟，但該工程中存在較厚的欠固結(jié)的淤泥、淤泥夾薄層砂、淤泥質(zhì)土，且淤泥含水率近70%，傳統(tǒng)水泥土攪拌樁的水泥用量大且難成樁或成樁效果差、承載力低。

拋石擠淤是一種較為簡單的處理方法，但僅適用于范圍較小的流塑狀淤泥的處理，且石料消耗量難以預(yù)測，容易造成不均勻沉降，石料采挖對生態(tài)資源破壞大，該工程中湖體開挖大量暴露的深厚淤泥不適合使用拋石擠淤。

換填墊層法施工簡單但處理深度有限，一般適用于不超過3 m的淺層軟土處理。本工程若采用換填墊層法，除了要大量運進換填材料外，還會有大量的淤泥需要外運，無論從經(jīng)濟效益還是社會效益上都無法占有優(yōu)勢。

堆載預(yù)壓比較適用于市政道路或建筑的大面積深厚軟土地基處理，一般通過排水固結(jié)的方式達到提高地基承載力的目的。由于該方法進行地基處理工期較長，僅在景觀綠化造坡的局部填方處，適當結(jié)合該方法加快固結(jié)，減少后期沉降。

固化劑加固淤泥處理技術(shù)，適用范圍廣、無明顯限制條件。大面積高含水率淤泥使用固化劑加固效果更好，且固化效果可控，可根據(jù)設(shè)計參數(shù)達到不同的處理深度和強度。尤其是在湖體處，結(jié)合深層的原位攪拌固化處理，湖體邊坡，既可以保證湖體開挖過程邊坡安全，又能將固化區(qū)作為湖體開挖的施工便道，還能利用固化后的淤泥平衡場地內(nèi)的土方，最大程度節(jié)省工期和造價。軟土采用固化劑加固。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)固化處理后便于湖體開挖，節(jié)約開挖成本

場地內(nèi)的淤泥進行固化處理后，土體固結(jié)使其整體性和強度提升，相比原本具有流動性、承載力低的淤泥更便于該工程湖體的土方開挖、湖體邊坡成型，并能為施工設(shè)備提供更安全的作業(yè)環(huán)境及臨時施工便道，可減少一些湖體開挖過程中的臨時支護措施，降低了開挖成本。

(2)淤泥經(jīng)固化處理可循環(huán)利用，經(jīng)濟環(huán)保

將淤泥固化處理后，部分固化土可作為回填土方或地基材料在本項目內(nèi)部平衡消化：強度低的固化土作為景觀綠化造坡的底部回填材料，強度較高的固化土作為停車場或廣場的地基材料。

(3)減少土石料不可再生資源的浪費，有效提高經(jīng)濟效益、社會效益

對原本需進行大量土石料回填或換填的地方，現(xiàn)采用淤泥固化土進行替代，大大減少了土石料等不可再生資源的使用，最大限度地節(jié)省了工程造價。同時，避免大量的淤泥外運、堆放造成土地資源的浪費和生態(tài)環(huán)境的污染[7]。

(4)施工便捷、質(zhì)量可靠

本工程淤泥含水率較高，采用固化劑加固淤泥，在高含水率時效果最佳，且施工設(shè)備簡單、可原位或異位固化、不受施工條件影響、不需臨建設(shè)施。

2.4 場地內(nèi)新填土處的軟土地基加固處理與分析

考慮到景觀綠化造坡、硬地廣場等處新填土荷載的產(chǎn)生，會引起地基承載力不足和沉降變形，本工程對場地填方區(qū)的軟土地基進行了固化加固處理(圖4)：每隔3m×3m加固一塊區(qū)域，結(jié)合上部景觀綠化填方，分層分時堆載，加設(shè)排水板進行深層輔助固結(jié)排水；場地內(nèi)湖體開挖多余的淤泥，經(jīng)加固處理后，部分用于景觀綠化造坡的堆填方，最大限度地減少土方外購和淤泥外運。

圖4 堆填方處軟土地基加固典型斷面

根據(jù)不同填方厚度，固化后軟土地基承載力fak、粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ設(shè)計的參數(shù)如表3所示，采用地基承載力、粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ作為竣工驗收檢測指標，均滿足設(shè)計要求。

表3 不同填方厚度下的軟土地基加固

因本工程大面積填土的地塊主要為景觀造坡，對沉降要求不高，故此處僅對沉降變形進行對比參照分析，不作為本工程竣工驗收檢測指標。采用理正6.5 PB3對加固后的軟土地基進行變形分析，根據(jù)文獻[8]的固化土基本土工指標范圍的試驗數(shù)據(jù)分析，保守取本工程加固后土的Es=5 MPa，沉降量均比未加固前降低了約30%(圖5)，且處理效果可控，因此，適當提高加固土參數(shù)指標，就可進一步降低變形。

圖5 加固前后的不同厚度新填土處的地基沉降量

2.5 湖體邊坡處的淤泥固化處理與分析

由前述2.2節(jié)分析可知，雖然本工程景觀設(shè)計的1∶6自然緩坡入水的生態(tài)駁岸形式坡度緩和，但由于本工程高含水率淤泥的存在，仍無法滿足邊坡穩(wěn)定要求。另外，土堤放坡面土層受湖水浸泡后會有強度變低及蠕變的情況，湖體的大面積開挖“卸載”以及湖岸上新建建筑、新堆填的土方荷載也可能引起土體的滑移甚至隆起，將會對工程造成安全和質(zhì)量問題。故本工程采用淤泥固化劑對湖岸沿線放坡開挖的地方進行加固處理(圖6):放坡處進行原位固化1 m形成永久湖畔邊坡，沿湖堤坡中和坡腳分別原位固化3 m×6 m、5 m×5 m的土區(qū)以保證湖體邊坡的穩(wěn)定性，同時可兼作為施工便道使用。

圖6 湖體邊坡處的加固典型斷面

按照設(shè)計的湖體邊坡，采用理正深基坑7.5試算8組分別以粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ為變量的加固參數(shù)下的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst，結(jié)果如圖7～圖8所示。

圖7 粘聚力C為變量的湖體邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

圖8 內(nèi)摩擦角φ為變量的湖體邊坡穩(wěn)定計算結(jié)果

由圖7～圖8數(shù)據(jù)結(jié)果可知，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst隨著粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ的增大而增大，且在C=25 kPa，φ=12°時達到1.35，滿足規(guī)范要求1.3[6]，故取湖體邊坡淤泥的設(shè)計固化土參數(shù)為：C=25 kPa，φ=12°。現(xiàn)場對加固后的淤泥取芯進行直剪試驗檢測粘聚力C、內(nèi)摩擦角φ，試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求。

加固后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.35相比加固前Fst=0.645(2.2節(jié))，F(xiàn)st提高了約2.1倍，可見按照上述方案進行淤泥固化后，湖體的邊坡滿足穩(wěn)定要求且邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)提高顯著。

3 結(jié)語

沿海地區(qū)深厚飽和流塑狀淤泥，是工程中常見的一種地質(zhì)。這種不利的地質(zhì)條件常給工程建設(shè)造成一定的困難，結(jié)合對本工程實例應(yīng)用和分析可知，淤泥采用固化劑加固后，力學(xué)性能有較大的改善，固化效果優(yōu)勢明顯。目前本工程已竣工3年，各種使用情況良好，未出現(xiàn)明顯沉降變形，湖體邊坡穩(wěn)定。

淤泥固化應(yīng)用范圍除了地基處理外，還可以用于施工便道、固化土沖灌袋、止水圍堰、墻后被動土區(qū)加固、環(huán)保清淤等[9]。相信隨著淤泥固化技術(shù)研究的不斷發(fā)展，淤泥固化技術(shù)一定能為城市建設(shè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益和社會效益。