固化疏浚泥双层地基承载性能室内模型试验研究

史文会，刘文白，吴丽颖

(1.上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海201306;2.广州市道路工程研究中心，广东 广州510420)

双层地基最早是指地基由于荷载迁移、蒸发和风化等因素的长期作用[1]，表层形成厚达几米的硬壳层，这种硬壳层物理性质和其下的土层往往存在明显的差异，它们强度较高，呈中等压缩性，面积广大，具有很好的承载作用[2]。鉴于双层地基具有较好的承载性能，人们将这一概念引入到疏浚泥地基处理再利用中，有效的解决了疏浚泥地基承载性能差的问题。

疏浚泥双层地基是指采用疏浚泥对一区域进行吹填后，在其表层一定厚度的疏浚泥土体中掺入一定比例的固化剂使土体性质发生改变，或在已形成的软土地基上再吹填一层掺有一定比例固化剂的固化疏浚泥而形成的有硬壳层的双层地基。

研究发现，固化后的疏浚淤泥作为土工材料化处理在技术上可行性高，且具有废物利用和保护环境的优点[3]。Vincent D 等[4－5]提出将水泥或石灰掺入到海洋沉积物及疏浚砂的混合物中，并将其应用在公路路基建设领域，其物理性能能够满足设计与施工要求。匡志平等[6]在理论上对硬壳层的机理进行阐述，认为硬壳层可以分担荷载产生的一部分剪力。在软土层上的硬壳层具有类似于梁的作用，它可以承担部分弯矩、剪力并抵抗变形。Hanna等[7]认为，软黏土层上的较硬砂土层发生冲剪破坏，较硬砂土层与软黏土层分界面之间的土体垂直地插入软土层，下卧软土发生整体剪切破坏，双层地基的承载力由上部和下部土层同时给出。刘青松等[8]通过室内试验对淤泥堆场人工硬壳层地基极限承载力及其影响因素进行了研究，但影响因素仅仅研究硬壳层的强度和厚度。刘文白等[9－12]通过室内模型试验、DPDM技术、ABAQUS数值模拟、颗粒流数值模拟等方法对固化疏浚泥双层地基的承载性能进行系统研究。

本文通过固化疏浚泥双层地基室内模型试验，对固化疏浚泥双层地基的承载性能进行分析。研究双层地基上部硬土层的厚度、固化剂掺入比、基础尺寸及宽厚比(上部硬土层厚度与基础宽度的比值)不同时，固化疏浚泥双层地基的地基承载性能及其变形特性。对于固化疏浚泥在工程应用中的参数选取提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验采用上海临港地区疏浚泥为研究对象，其基本参数如表1所示。试验中所采用的固化剂以水泥、石灰为主，激发剂等为辅。

表1 试验用疏浚泥的物理性质

1.2 试验原理

1951年Langhaar通过量纲分析证明了模型中尺度的影响。此外，量纲分析给出一个能够将数据从小模型转化为大原型的设计信息。1984年Love用量纲分析研究由加筋土所铺设道路的承载性能。1996年Fakher通过量纲分析法对土工格栅加固地的地基规模效应及实际应用结果进行论证[13]。

建立各物理量之间的函数

其中B为基础宽度;H为上部硬土层厚度;Es为上部硬土层压缩模量;qu为地基极限承载力;su为地基极限承载力作用下的位移;P基础所受合力。

取B，qu为基本量纲，

由于模型试验中上部硬土层的土质及其固化剂掺入比与实际工程中一致，则其压缩模量相同，则

因为(π2)m

则该试验方案中的试验模型可将其长度尺度缩小为实际工程情况的1/n，而应力尺度不变，若加载采用堆载等方式则力尺度为n2，原型与试验模型的比尺关系给模型试验加载控制提供了理论依据。

1.3 试验方案

为研究上部硬土层厚度h，固化剂掺入比λ，基础尺寸及宽厚比对双层地基承载性能及变形特性的影响，根据模型试验长度、应力、力及位移尺度比，选用合适的加荷装置，并确定实验模型的尺寸。假设实际工程中疏浚泥双层地基吹填面积为长480 m，宽280 m的矩形区域。将试验所用模型箱尺寸取为长48 cm，宽28 cm，高30 cm，则本试验中原型与模型之间的长度比尺为1000。试验装置主要由模型箱及加载装置组成，加载装置包括千斤顶及量力环。本实验采用两种基础形式，基础底面尺寸分别为30 mm×30 mm及30 mm×450 mm，将其称为方形基础和条形基础，它们在原型中的有效尺寸为3 m×3 m及3 m×45 m，装置结构如图1所示。

图1 室内全模型试验装置

为研究疏浚泥双层地基中基础尺寸，固化剂掺入比、上部硬土层厚度及宽厚比对双层地基承载性能的影响，共进行18组全模试验，其中1～9组为底面尺寸为30 mm×30 mm方形基础的实验方案，10～18组为底面尺寸为30 mm×450 mm条形基础的试验方案。

1.4 试验步骤

将一定比例的固化剂掺入上述粉土中，经砂浆搅拌机搅拌均匀。按照试验方案要求设置于模型箱内进行养护，形成上部固化疏浚泥层下部疏浚泥层的疏浚泥双层地基，养护28 d进行疏浚泥双层地基室内模型试验。

试验中用千斤顶对模型基础进行加载，加载方式为局部竖向分级加载，每级荷载为50 kPa，分级加载直至地基破坏。位移基本稳定后12 h基础位移不再增加，视地基土体沉降稳定。基础位移达到一定程度后，位移值出现瞬间增大现象或基础完全陷入地基时双层地基破坏。

在每级荷载作用下，当地基土体沉降稳定后，记录当时的荷载值及对应的基础沉降百分表读数所表示的位移值。整理试验数据，绘制模型试验P－s曲线，各特征值对荷载值影响曲线等进行疏浚泥双层地基室内模型试验数据分析。

2 试验结果与分析

2.1 疏浚泥双层地基全模试验P－s曲线

根据试验数据分别绘制出方形基础和条形基础作用下固化疏浚泥双层地基全模试验P－s曲线，见图 2、图 3。

图2 不同上部硬土层厚度双层地基全模试验的P－s曲线(方案1～9，基础底面尺寸为30 mm×30 mm)

图3 不同上部硬土层厚度双层地基全模试验的P－s曲线(方案10～18，基础底面尺寸为30 mm×450 mm)

从图中可以看出，条形基础的疏浚泥双层地基全模试验P－s曲线存在比较明显的三个阶段，初始段为线性直线变形阶段，中间部分为曲线状，末段出现直线缓降。一般方形基础作用下土体的P－s曲线经过局部剪损的曲线段后达到整体剪切破坏阶段而出现垂直直线下降，即在荷载不变的情况下，位移持续增加。条形的P－s曲线经过曲线段后，曲线逐渐变缓，呈现出线性下降的状况，即在经过局部剪切破坏后，双层地基虽然已经进入整体破坏阶段，但由于条形基础自身的强度不能达到完全刚性，在千斤顶的作用下会产生一定的变形而表现出为基础的位移，从而导致双层地基P－s曲线的这一特征。

2.2 疏浚泥双层地基极限承载力分析

根据所绘出的P－s曲线，采用第二拐点法及双切线法综合确定极限承载力qu，并确定其对应的极限位移 su，如表2、表3所示。

表2 方案1～9的试验成果分析

表3 方案10～18的试验成果分析

从表2、表3可以看出，当固化剂掺入比相同时，双层地基上部硬土层厚度越厚，k1、k3值逐渐增大，体现了极限承载力的增长趋势;k2、k4值逐渐减小，体现了极限承载力下的位移变化趋势。对比k1和k3值发现，基础形状对疏浚泥双层地基极限承载力的增长趋势影响不大;对比k2和k4值发现，基础形状对疏浚泥双层地基极限承载力下的位移变化率影响较为显著。

通过对表中各物理量之间的关系分析发现，上部硬土层厚度、上部硬土层固化剂掺入比、基础尺寸等因素对双层地基极限承载力及其对应的位移均有所影响。

3 疏浚泥双层地基承载力的影响因素

3.1 基础形状及上部硬土层厚度对双层地基承载力的影响

对试验数据进行分析，通过DPDM软件处理及数值带入进行测算，发现位移达到3 mm(基础宽度的10%)时的数值最有代表性，因此本文选用基础位移达到3 mm时的各项数据及极限承载力情况下的各项数据作为研究对象。

方形基础和条形基础作用下当固化剂掺入比为2%、4%、5%时，基础位移均达到3 mm(基础宽度的10%)时的上部硬土层厚度－荷载值关系曲线见图4。

图4 基础位移均达到3 mm时的上部硬土层厚度－荷载值关系曲线

当外加荷载值相同时，条形基础与双层地基表面的接触面积较方形基础与地基表面的接触面积大，由力的比尺可知，条形基础上所受到的力远远大于方形基础上所受到的力。当固化剂掺入比为2%、4%、5%时，条形基础作用下基础位移达到3 mm的荷载值比方形基础下的荷载值分别提高了32.28%，21.69%，16.47%。产生该现象的原因是条形基础传递到下部软土层的荷载范围比方形基础更广，则通过条形基础传递到地基上的荷载减小幅度比方形基础更大，此外条形基础与地基的接触面积比方形基础大，则条形基础沉降时所受到摩擦阻力大于方形基础，因此采用条形基础时双层地基的承载性能比采用方形基础时双层地基的承载性能更好。

固化疏浚泥层厚度增长的同时提高了双层地基承载性能。一方面双层地基经过一定时间的养护，在自身重力作用下，地基已经基本达到稳定，上部硬土层越厚，其本身结构变得更加密实，下部软土层也相应受到更大的预压使得其土颗粒间接触面积增大，孔隙率减小，土体更加密实;另一方面当上部疏浚泥层承受通过基础传下的荷载时，由于上部硬土层的存在对荷载起到扩散作用[14]，上部硬土层越厚，由固化疏浚泥层传递到下部软卧层的受力范围越大，在相同荷载作用下，单位面积的下部软卧层所承受的荷载就越小，且荷载分布更加均匀，这就使得地基的承载性能有显著的改善。当双层地基上部硬土层的固化剂掺入比λ相同时，方形基础作用下双层地基极限承载力随着上部硬土层厚度的增加平均增长了187.69%;条形基础作用下双层地基极限承载力随着上部硬土层厚度的增加平均增长了174.93% 。

3.2 固化剂掺入比对双层地基承载力的影响

固化剂有加快土体排水，增加土颗粒间聚合力，提高土体力学性能的效用。固化剂在土中起到胶结物的作用，使土颗粒之间的连接类型从接触连接转变为胶结连接，胶结连接使土颗粒之间的连接强度增强，使土的结构强度呈现不断增长的线性趋势[15]。Suzuki Y(1982)用水泥作为固化材料，进行试验研究发现固化土的力学性能随着水泥掺入比的增大而增大[16]。固化剂掺入比不同会在一定程度上影响上部硬土层的物理性质，固化剂掺入比越高，土颗粒间的黏聚力越大，含水率有所降低，土体的抗剪、抗压强度随之增大。

从图5疏浚泥双层地基位移达到3 mm时的固化剂掺入比－荷载曲线图可以看出，基础形状相同时，随着固化剂的掺入比提高，方形基础位移达到3 mm时所承受的荷载值平均提高181.26%，条形基础位移达到3 mm时所承受的荷载值平均提高179.86% 。

3.3 不同宽厚比对双层地基承载力的影响

疏浚泥双层地基上部硬土层厚度与基础宽度的比值简称宽厚比，宽厚比是影响双层地基承载力的因素之一。图6为方形基础和条形基础作用下，宽厚比与极限承载力的关系图。

随着上部固化疏浚泥厚度的增加，硬土层与周围土体的接触面积变大，当通过基础对双层地基施加压力时，基础下降还需要克服周围土体对上部硬土层所提供的摩擦力，表现为极限承载力随着宽厚比增大而不断增大。

图5 基础位移达到3 mm时的固化剂掺入比－荷载关系曲线

图6 宽厚比－极限承载力关系曲线

从图6中可以看出，方形基础和条形基础作用下，当λ=2%时，基础宽厚比从1.0增加到2.0，疏浚泥双层地基极限承载力分别增大了49.09%、32.14%，极限承载力与宽厚比近似呈线性关系;当λ=4%时，基础宽厚比从1.0增加到2.0，疏浚泥双层地基极限承载力分别增大了72.68%、32.75%;当λ=5%时，基础宽厚比从1.0增加到2.0，疏浚泥双层地基极限承载力增大了98.56%、78.73%。显然随着宽厚比的增加，疏浚泥双层地基极限承载力增大，且固化剂掺入比越大，疏浚泥双层地基承载性能越好。

对比图6(a)和图6(b)，当 λ=2%时，在每一宽厚比值点上，条形基础作用下的极限承载力比方形基础下地基作用下的极限承载力平均提高了11.28%;当λ=4%时，平均提高了37.22%;当 λ=5%，平均提高了26.66%。基础形式对地基承载性能的影响在λ=4%时达到峰值。图6中曲线的变化规律及以上分析表明，当基础形状为条形，固化剂掺入比采用4%，且双层地基的宽厚比选1.5时，固化疏浚泥双层地基的地基承载性能综合较好。

3.4 压缩模量对双层地基承载力的影响

在综合测算出试验中三种固化剂掺入比情况下，上部硬土层的压缩模量与上部硬土层固化剂掺入比关系见图7。由图7可看出，上部硬土层压缩模量随着固化剂掺入比的增加而增长，固化剂掺入比从4%增长到5%时的压缩模量增大速率是固化剂掺入比从2%增长到4%时的压缩模量增大速率的5.3 倍。

图7 上部硬土层固化剂掺入比与压缩模量关系曲线

方形基础作用下和条形基础作用下，上部硬土层的压缩模量与极限承载力关系，如图8所示。表4为不同压缩模量、不同形状的基础作用下，上部固化疏浚泥层厚度变化所引起的双层地基极限承载力变化率。方形基础与条形基础作用下疏浚泥双层地基极限承载力随着上部硬土层压缩模量的增大而增大，双层地基极限承载力的增长速率随着上部硬土层厚度的减小不断减缓。与方形基础不同，条形基础作用下的地基承载力增长速率在上部硬土层压缩模量为9.36，硬土层厚度为45 mm～60 mm时近似达到峰值，说明当固化剂掺入比为4%，采用条形基础时，上部硬土层厚度采用45 mm～60 mm的基础承载性能最佳。

图8 压缩模量与极限承载力的关系图

压缩模量增大对地基承载性能的增加有显著的效果，随着上部硬土层厚度的增加，压缩模量对地基极限承载力的影响越来越突出。这主要是因为双层地基整体的承载能力由上部硬土层及下部软土层共同提供，随着上部硬土层厚度的增加，固化疏浚泥层在整个土体所占的比例随之扩大，双层地基整体的压缩模量则与上部硬土层的压缩模量逐渐接近，因此上部固化疏浚泥压缩模量对土体的整体承载性能的影响随着其厚度的增加而更加明显。

表4 不同压缩模量、不同基础形状下，上部固化疏浚泥层厚度变化所引起的双层地基极限承载力变化率

4 结论

疏浚泥双层地基是一种复合地基，固化剂的加入能够改变地基的力学特性，随着硬土层厚度、固化剂掺入比、基础形状等因素的改变，双层地基的承载性能相应发生改变。根据上述试验结果，可以得到以下结论:

(1)采用固化剂对疏浚泥地基上层部分进行加固形成双层地基，有效提高地基的承载性能，很大程度上缩短地基处理的工期，具有较高的工程实用性;

(2)从地基承载力要求、环境保护，工程经济等方面看，疏浚泥双层地基的应用有非常大的发展前景，可以在大范围投入施工。根据室内模型试验与原型的尺度比能够快速有效得选择恰当固化剂掺入比及上部硬土层厚度;

(3)本文利用室内模型试验在研究上部硬土层强度和厚度对淤泥堆场人工硬壳层地基极限承载力及其影响的基础上，对包括基础底面尺寸及上部硬土层的固化剂掺入比、压缩模量、宽厚比和厚度在内的五大因素对双层地基承载性能的影响进行分析比对，比选出最经济的上部硬土层固化掺入比值、厚度值、宽厚比值以及较适合的基础形式。考虑到工程施工及工程经济等因素，在条形基础作用下，固化剂掺入比为4%，上部硬土层厚度采用45 mm～60 mm，双层地基宽厚比为1.5时的固化疏浚泥双层地基承载性能最优。

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