吉林西部湖沼相淤泥工程特性研究

2022-02-02 01:48:20于仲離許小龍占鑫杰朱群峰張青民

吉林地質 2022年3期

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分局，吉林長春 130033；2.南京水利科學研究院，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，為生態修復、經濟騰飛奠定了堅實基礎。工程沿線河湖區分布有一層呈流塑狀的湖沼相淤泥，層厚分布不均，為建設帶來了困難與挑戰。湖沼相淤泥具有天然含水率高、孔隙比大、滲透系數小、強度低、壓縮性高、穩定性差、固結時間長等特性[1-3]。如不進行系統的調查研究，易引發地基滑移、邊坡失穩等工程事故。針對吉林西部典型的湖沼相淤泥進行全面系統的研究，從物理力學性質、現場監測成果、反演計算等方面分析吉林西部湖沼相淤泥的工程特性，為該地區的工程建設提供指導。

1 工程概況

項目位于吉林省松原市境內，在工程建設前期發現：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軟土。受復雜水力條件及沉積環境影響，場地自上而下分布有5層結構，分別為：2-1壤土、2-2砂壤土、2-3淤泥質黏土、2-4淤泥、4-1黏土。淤泥層呈黑褐色，飽和，軟-流塑，含有機質，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 研究區地質簡圖

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，且其對應特征不會因為多種物質混合而發生改變[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含量的可靠手段，當有機質含量>10%時，采用燒失量法估測土壤有機質含量的結果可信度較高，同時因其便捷經濟的特點被廣泛運用于土壤學、地質學中土體有機質含量的研究[5-6]。本文采用燒失量法測得的湖沼相淤泥中的有機質含量均值為7.6%。

3 湖沼相淤泥工程特性的非均勻性

現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試驗，掌握該淤泥土的基本物理力學特性，并結合現場勘探結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特性研究

試驗所得的淤泥質土樣的基本物理力學參數有：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、無側限抗壓強度、壓縮性指標、不排水抗剪強度等，具體試驗結果如表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、液塑限分別采用環刀法、烘干法、比重瓶法、液塑限聯合測定儀法測得，顆粒分析采用篩析法與密度計法測定，滲透系數采用南55型滲透儀開展變水頭試驗。

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

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，有機質含量為7.5%，符合《土的工程分類標準》[8]與《建筑地基基礎設計規范》[9]有關淤泥的規定。根據《巖土工程勘察規范》[10]，湖沼相淤泥液性指數均值為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都較小，其中水平向滲透系數大于其自身垂直向的滲透系數，垂直向與水平向的滲透系數分別為0.9×10-7、4.3×10-7。這是由于該地區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，膠結作用愈強，親水能力愈強，表現為土體滲透系數較小在10-7量級，滲透性較差，成為影響土體排水固結特性的主要因素。

表3 顆粒組成與滲透系數

3.1.2 力學特性研究

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試驗、無側限抗壓強度試驗、三軸固結不排水剪試驗，測得其壓縮系數、無側限抗壓強度、有效黏聚力與內摩擦角不同分區試驗結果如表4所示。

表4 湖沼相淤泥基本力學特性

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

3.2 空間分布特性分析

由上一章節可知，場地內湖沼相淤泥的基本物理力學特性隨空間分布不均，不同分區淤泥的基本物理力學特性存在較大差異，A6～A8區淤泥土的物理力學特性最差，其余分區較好。同時淤泥層厚度也存在空間分布不均的現象，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

根據圖2、圖3可知，研究區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區呈遞增趨勢，最大厚度為11 m，從A7～A9區呈遞減趨勢；受湖流、波浪以及環境等影響，自湖岸至湖心不同區域沉積物顆粒特性和結構性一般有所差異，垂直于壩軸線方向由背水側向迎水側淤泥層厚度呈遞增趨勢。

4 湖沼相淤泥的排水固結特性

排水固結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，通過布設的豎向排水通道，使土中孔隙水排出，孔隙比減小，地基發生固結變形強度逐漸增長。本工程采用真空聯合堆載預壓的方式加固軟土地基，通過打設排水板提供良好的豎向排水通道，加快軟土地基固結。因此淤泥層的排水固結特性將直接影響地基強度提升速率，本章通過現場超靜孔隙水壓力監測數據與反演計算進一步分析湖沼相淤泥的排水固結特性。

4.1 現場孔壓測試成果

通過埋設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，反應土體的排水固結特性，衡量地基加固效果。通常將孔隙水壓力計埋設在四根排水板中間，本工程分別在原地面以下3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m處埋設孔隙水壓力計，并將電纜線引到加固區外通過評率計觀測。以試驗區為例，分析湖沼相淤泥的排水固結特性，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階段代表真空聯合堆載階段(其中4階段為冬歇期后恢復抽真空，待膜下真空壓力達設計要求后繼續堆載)，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沉降。

4.2 滲透系數的反演分析

由于壩基內呈軟塑-流塑狀態的淤泥層是影響壩體變形的主要土層，因此本次參數反演對象只針對該主要控制層2～4層的淤泥土，對于其本構模型參數，選取對孔壓消散影響較大的滲透系數進行反演。選用修正劍橋模型進行反演分析，主要是在正常固結和弱超固結土的試驗基礎上建立起來的，是理論較為完善、應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)