黄河下游淤筑体固结技术研究与应用

赵彦彦，刘 欣，崔天娇

(河南黄河勘测设计研究院，河南 郑州450003)

避水村台是黄河下游滩区安全建设的主要工程措施之一，其修筑方法是采用挖泥船、水力冲挖机组等机械设备通过输泥管道将河道和河滩泥沙输送到村台施工区，让泥沙在重力作用下沉积、固结，成为可建设基础公共设施及房屋的村台用地. 村台建设可以充分利用黄河泥沙资源，施工便捷、造价低，因此在黄河下游滩区建设中被广泛应用. 但由于淤筑土在重力作用下固结，通常处于欠固结状态，且固结极其不均匀，土体强度也达不到建筑物地基的要求，因此影响了村民的搬迁，降低了工程效益.

泥沙淤积修建的村台土体与一般软土的工程特性有相似之处，具有高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度、结构性显著等特点，但有别于一般软土(淤泥和淤泥质土)，其由极细的黏土颗粒、有机物、氧化物等固相物质和水组成. 黄河淤筑土由黄河泥沙淤积而成，淤积速度较快，属于欠固结且固结不均匀的特殊土，地基土呈现出低承载力、大沉降量、沉降稳定所需时间长等特点，因此针对该类特殊土体开展研究具有重要的理论意义和实用价值.

目前对一般软土的研究较多，该研究领域也是土力学研究的重点领域之一. 自1925年，太沙基(Terzaghi)首次提出有效应力原理之后，国内外学者对软土的固结理论和技术开展了大量研究. Biot基于连续介质力学基本方程，研究了三向变形材料与孔隙压力的相互作用，建立了比较完善的理想土三向固结方程;黄文熙［1］推导出单层地基一维固结的普遍方程;Barron 在Terzaghi 固结理论的基础上，建立了轴对称固结微分方程并导出其解析解，该解析解在砂井地基设计中得到了广泛应用;Mesri等［2－3］则引用由大量试验分析总结得到的经验关系来研究饱和软土一维非线性固结问题，且用有限差分法做了求解;谢康和等［4－5］求解了变荷载下双层及多层地基的一维固结方程，得出超静孔压的完整解析解，同时指出按应力定义的平均固结度和按应变定义的平均固结度;余闯等［6］通过研究软土固结系数在压缩过程中随应力水平变化的规律，推导出正常固结和超固结状态下固结系数与有效应力之间的关系表达式;刘汉龙等［7］采用改进的、可施加负压的三轴仪开展了真空预压、堆载预压以及真空－堆载联合预压作用下软土的固结蠕变试验，描述了加载率、应力比和时间等对软土蠕变特性的影响;孙德安等［8］对原状软土和重塑软土进行渗透特性试验，研究了饱和软土的渗透特性;刘洋等［9］基于太沙基一维固结理论，采用有限差分法对室内固结试验进行了数值分析，编制了室内固结试验的C++数值程序和自动求解固结系数的MATLAB 拟合程序.

以上研究均针对一般土体或软土展开，考虑到黄河淤筑土有别于一般软土，笔者对黄河下游典型淤筑村台现场钻孔取样，采用室内试验、理论分析结合数值模拟，系统地分析影响淤筑体固结速度的因素，研究淤筑土的固结特性，总结淤筑体固结规律，并根据理论计算和模拟分析，结合当前的施工技术，提出具有针对性的施工处理措施.

1 淤筑土的工程特性

典型淤筑村台选取长垣苗寨乡村台.该村台位于马野庄村以北，榆林控导工程以西的黄河滩地上，地处黄河下游冲积平原区. 村台呈长方形，东西长800 m，南北长500 m，高程约73 m，村台地势平坦，排水通畅.经钻探勘察，地层按岩性及其物理力学指标与工程特性划分为耕植土、粉砂和粉土3 层.

1.1 基本物理力学性质

分析现场钻探、原位测试及室内土工试验成果可知，地层主要由人工淤筑而成，并得到了研究区土体的物理力学参数试验值与取样深度之间的关系.

1)含水率w:研究区土体含水率随深度逐渐增加，粉土含水率明显高于粉砂含水率，说明粉砂排水效率高于粉土.

2)孔隙比e:e－p 压缩试验结果表明，整个场区e 值变化幅度比较大，且极不均匀，说明黄河淤筑土的密实性变化较大.

3)压缩系数av与压缩模量Es:研究区土层av值为0.1 ～0.4 MPa－1，粉砂和粉土的av值相差不大;Es随深度增加有减小的趋势，其值为5 ～25 MPa，属于中等压缩性土.

4)渗透系数k:垂直渗透系数大于水平渗透系数，说明整个场地以垂直渗透为主;垂直渗透系数与水平渗透系数随深度的增加有减小趋势.

5)超固结比OCR:在0 ～5 m 深度范围内，3 个钻孔粉砂的超固结比主要为0.4 ～0.8;在6 ～10 m深度范围内，3 个钻孔粉土的超固结比主要为0.6 ～0.9，属欠固结土.

1.2 固结系数Cv 的变化规律

固结系数Cv是求解固结问题的关键参数，它直接影响超静孔隙水压力u 的消散速率和地基沉降与时间的关系.通过对长垣苗寨乡村台选取的3 个钻孔(C3，C9，C10)的室内30 组固结试验成果统计分析，得到研究区Cv与深度H 的关系、Cv与固结压力P 的关系.在P=200 kPa 时，3 个钻孔的Cv随H 变化的规律如图1所示.以钻孔C10 为例，Cv与P 的关系如图2所示，图中C10-1—C10-10 分别代表C10 的钻孔深度为1 ～10 m.

图1 固结系数随深度变化的规律

图2 固结系数与固结压力之间的关系

从图1可以看出，固结系数随深度的变化规律不明显，在深度0 ～10 m 范围内，固结系数值主要为1.0 ×10－3～3.0 ×10－2cm2/s，说明淤筑土的固结不均匀.从图2可以看出，在不同压力作用下，固结系数随着深度的增加有增大的趋势.

另外，通过室内试验得出在不同固结压力作用下时间t 与沉降量s 的关系，如图3所示.

由图3分析可知，黄河淤筑土与其他土一样，其沉降阶段可分为瞬时沉降阶段、主固结阶段和次固结阶段;在沉降过程中，瞬时沉降所占比例较大，表现出明显的欠固结土特性;在各级压力作用下，随着时间的增长，沉降变形趋势趋于平缓;不同深度的土样在同样的固结压力下，沉降差异较大，说明淤筑土固结不均匀，沉降差异较大.

图3 不同固结压力沉降量与时间的关系曲线

2 村台淤筑过程模拟

为更准确地了解淤筑土的工程特性，采取工程措施加快淤筑土的固结速度，以长垣苗寨乡村台为典型工程实例，采用数值模拟的方法模拟村台的淤筑过程及在各种工程措施下的固结效果，为后续村台建设提供参考.

2.1 计算模型

对长垣苗寨乡村台场地地质条件及边界条件进行概化，选取50 m×50 m 的淤筑区域作为模型计算范围，设置4 个监测剖面和1 个监测点，如图4所示，采用有限单元法对其固结过程进行模拟.村台地层主要为粉砂和粉土，其物理力学参数见表1.

图4 计算模型及监测点布置图

表1 岩土体物理力学参数表

对村台淤筑过程进行模拟计算，确定每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 种计算工况，见表2.

2.2 淤筑过程分析

在8 种工况下，分别计算村台淤筑过程，得到开始淤积施工20 ～175 d 总沉降云图和分时沉降曲线，如图5所示.

从图5可以看出:淤积初期，沉降曲线较为平缓，村台两侧的沉降量与中心沉降量相差不大，随着淤积高度和时间的增长，沉降曲线表现出明显的中心沉降特征;淤积完成后(100 d)，固结沉降继续进行，新地表最大沉降值336. 6 mm;工后75 d(即175 d)，地表沉降值达到504.0 mm，固结沉降量增加了167.4 mm.在同一深度处不同淤筑阶段，沉降量随着时间的增加而增大;在不同深度处不同淤筑阶段，沉降量随着深度的增加而减小.

表2 计算工况表

图5 淤筑体总沉降云图及分时沉降曲线

随着淤筑高度的增加，固结度逐步增加，孔隙水压力逐渐消散，淤筑100 d，淤筑体的最大固结度为40%，淤筑完成后75 d(即175 d)，随着孔隙水压力的消散，淤筑体最大固结度增加至55%.

2.3 淤筑土固结过程及特性

从淤筑土体的室内固结试验及对村台淤筑过程的数值模拟分析，可确定淤筑土固结过程的基本规律:①淤筑土固结不均匀，沉降差异较大;②淤筑体固结沉降中瞬时沉降所占比例较大，表现出明显的欠固结土特性;③在固结压力作用下，沉降变形随时间趋于平缓;④在同一深度处不同淤筑阶段，沉降量随着时间的增加而增大，在不同深度处不同淤筑阶段，沉降量随着深度的增加而减小;⑤随着淤筑高度的增加，孔隙水压力逐渐消散，固结度逐步增加.

由于淤筑土体表现出明显的欠固结土的特性，如作为村台建筑物地基，肯定不能满足建筑物对地基承载力的要求，因此有必要采取一定工程措施，加快土体的固结速度，以满足村台建设的要求.为验证地基处理效果，对其进行模拟计算，以找到经济、实用的淤筑土地基处理方法和技术.

3 淤筑体地基处理效果数值计算

采用堆载预压法和堆载预压+塑料板排水法两种方法处理淤筑体，通过数值模拟方法对比分析两种地基处理方案的固结效果.

具体堆载方案为:第1 级堆载荷载P =30 kPa，堆载20 d;第2 级堆载荷载P=60 kPa，堆载20 d;第3级堆载荷载P=90 kPa，堆载20d. 塑料板宽100 mm，厚5 mm，长16 m，三角形布置，间距2 m.

3.1 固结度分析

对比堆载预压法和堆载预压+塑料板排水法的模拟计算结果，分析淤筑完成、堆载60 kPa 及堆载60 kPa +塑料板3 种工况下，土层固结度随深度的变化情况，结果如图6所示.

图6 淤筑完成各工程措施固结效果对比

由图6可知:淤筑土在淤筑刚完成时，0 ～10 m深度范围内的土体固结极不均匀，在曲线上表现为忽高忽低，呈锯齿状，固结度随深度的增加逐渐提高;堆载60 kPa，65 d 后，土体固结度整体提高，最大固结度提高到55%以上;堆载60 kPa+塑料板，65 d后，土体最大固结度提高到近80%，说明堆载+塑料板排水方案对提高土体的整体固结度效果较好.

3.2 沉降量分析

对比两种处理方法的模拟计算结果，分析堆载90 kPa 及堆载90 kPa+塑料板两种工况下监测线1的土体沉降情况，沉降曲线如图7所示.

由图7可知:两种工况的沉降均表现为明显的中心沉降趋势;堆载90 kPa，20 d 后的总沉降量约470 mm，堆载90 kPa +塑料板排水，20 d 后的总沉降量约680 mm，说明堆载措施可加快土体的固结沉降速度;设置塑料板排水后，土体固结速度具有非常显著的提高，堆载90 kPa +塑料板排水固结方案明显优于单纯堆载方案.

图7 监测线1 各工程措施的土体沉降曲线

3.3 处理效果对比

1)从处理效果上看，堆载+塑料板排水固结方案处理后最大固结度达到约78%，最大沉降量约680 mm;单纯堆载处理方案处理后最大固结度达到约55%，最大沉降量约470 mm;堆载+塑料板排水固结方案明显优于堆载方案.

2)从经济方面对比，单纯堆载方案造价明显低于堆载+塑料板排水固结方案.

3)从工期方面对比，如果采用单纯堆载方案处理后固结度要达到70%以上，所用时间明显多于堆载+塑料板排水固结方案.

4 结 语

1)黄河下游淤筑土体属欠固结土，固结不均匀，沉降差异较大. 如作为地基土，表现出明显的压缩性高、承载力低、固结速度慢的特点.

2)在村台淤筑时，由于土体在重力作用下的固结沉降，淤积施工时必须预留一定的淤筑高度才能使村台淤积后达到设计标高.

3)采用堆载预压法和堆载预压+塑料板排水法两种方案处理淤筑体，对村台固结效果进行模拟，结果表明堆载+塑料板排水固结方案处理效果明显优于堆载方案.

4)建议进一步研究淤筑土的工程特性，如通过电渗或化学添加剂的方法，结合室内和现场试验，找出经济、实用、环保的加快村台固结速度的方法.

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