腐木质淤泥土研究综述及工程展望

2016-09-14陈志伟1李超23周勇23高逸成23邹湘衡23魏军扬23

公路与汽运 2016年4期

关键词：砂井淤泥土层

陈志伟1李超23周勇23高逸成23邹湘衡23魏军扬23

（1.浙江省科威工程咨询有限公司，浙江杭州 310002；2.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200000；3.上海海洋工程和船厂水工特种工程技术研究中心，上海 200000）

腐木质淤泥土研究综述及工程展望

陈志伟1，李超2，3，周勇2，3，高逸成2，3，邹湘衡2，3，魏军扬2，3

综合论述了当前腐木质淤泥土的研究现状及工程处理措施，指出影响腐木质土工程性质的主要因素包括本身腐木腐朽程度、腐木含量及腐木土所处的土体结构土层等；结合当前研究和工程措施提出了一些建议并进行了展望。

公路；腐木质淤泥；土体结构；工程措施

1　腐木质淤泥土简介

1.1腐木质淤泥土定义

腐木质淤泥土作为一种特殊的软土层土质，主要是由腐朽的木材和普通土体混合而成。它同普通淤泥有相似之处，但也有很大不同，具有独特的工程性质特点。

文献［1］指出腐木土层多呈深灰色、灰色或黑色，也有少数呈棕褐色。文献［4］指出腐木淤泥与有机质含量较高的工程中常有的普通泥炭、泥炭土之间存在本质区别。腐木淤泥的最大特点是其有明显的分解程度差别很大的未完全分解的植物根茎，淤泥与植物纤维互不掺混，按照常规取样并进行室内试验十分困难，取得较为准确的设计参数较难。

1.2腐木质淤泥土分布与形成原因

中国腐木淤泥软土地基土层分布较为广泛，主要集中在湖泊、河流中下游及东部沿海地区，且地表以下第四纪软土覆盖层深厚。文献［15］指出珠三角地区及广东沿海地区有大量腐木淤泥层；文献［13］指出在上海、天津、连云港、宁波等沿海城市及武汉、昆明等内陆地区也存在腐木淤泥层；文献［16］显示在浙江温州也夹杂一定量的腐木淤泥层；文献［17］、［18］表明在福建等省市也存在较为广泛的腐木质土层。典型的工程有揭普（揭阳—普宁）、潮揭（潮州—揭阳）及汕揭（汕头—揭阳）高速公路等。

根据文献［9］的分析，腐木层是树木的枯萎腐朽伴随气候周期变化及海面变动而形成的，是近期地面沉降、海面上升、气候趋冷共同影响下原生水松林被沉积物掩埋的结果。如文献［10］、［11］、［13］所述，运用孢子花粉、扫描电子显微镜、能谱和C14同位素年代测试等方法可以对腐木土层的地质和成因进行分析。

1.3腐木质淤泥分类

根据文献［9］与文献［6］，对于腐木质淤泥土，可以根据树木纤维在土层中的腐朽程度不同将其大致分为三类（见表1）。

表1　腐木淤泥土的分类

如文献［4］所述，根据树木的腐朽程度不同，腐木淤泥大致划分为弱朽、强朽、全朽3种。结合工程经验不难看出，表1中腐朽程度50%以下、50%～90%、90%以上大致分别对应弱朽、强朽、全朽。

根据文献［1］，按照分布高程，可以将腐木淤泥土划分为低位腐木土层和高位腐木土层。低位腐木土层分布在平原地面以下，高位腐木土层高于平原地面高程。

2　研究现状

关于腐木淤泥的研究主要集中在腐木淤泥试样取样制备、腐木淤泥组成及物理力学参数特性、腐木淤泥工程处理方法三方面。

2.1试样取样制备

文献［4］粗略介绍了冷冻方法对固结系数的影响，指出根据变形曲线推导的冷冻样固结系数平均值比非冷冻样固结系数平均值小，得到了冷冻法对淤泥、腐木纤维混合土结构的扰动程度，固结系数变化较大，两者相差达2倍以上。

文献［5］对试样取样方法作了较详尽的介绍，给出了腐木淤泥不同腐朽程度即弱朽、强朽、全朽3种状态下的取样方法（见表1）。

文献［6］详细介绍了冷冻法取样对腐木淤泥混合土变形参数的影响，得到了较为系统的结论：1）当冷冻法取样作用于腐木含量较低的腐木软土时，土层固结系数较小，扰动程度较大；当冷冻法取样作用于腐木含量较高的腐木软土时，土层固结系数较大，扰动程度较小。2）对次固结系数而言，冷冻法取样的影响很小。当固结压力较高时，冷冻法取样作用于腐木含量较高的腐木软土的次固结系数略小。3）冷冻法取样对于腐木含量较高的腐木软土的扰动程度较小，压缩曲线表现为缓降型，表现出来的压缩性也较低。总之，文献［6］中得出的结论印证了表1中腐木淤泥取样的试验方法。

文献［13］提出了采用直径168mm的大直径钻头、结合干冰冷冻取得原状样的取样方法。

文献［14］关于腐木淤泥试验取样的介绍与表1中的相近。

文献［1］指出各腐木土层具有基本相同的岩性，为富含有机质或含少量石英砂细小颗粒的淤泥质土或淤泥沉积物，反映出腐木淤泥是相对静水的环境产物；同时指出腐木土层中孢粉含量丰富，呈蜂窝状的硅藻含量较丰富，其化学成分主要为硅；腐木淤泥层含水量高、孔隙比大，这与有机质含量密切相关；腐木土层工程性质随着形成时代的不同而不同，一般来说，形成时代越新其工程性质越差，形成时代愈久其工程性质愈好。

文献［2］通过分析广东揭普高速公路软基路堤施工期及运营期的实测沉降资料，整理出地基回弹性指标、固结系数、次固结系数和超载比，用数据说明了含腐木的软土地基的固结特征；指出含腐木的软土地基在进行深层处理后具有更快的固结过程，卸载后具有显著的回弹性，其压缩过程和不含腐木的软基没有明显区别；经过袋装砂井处理后的腐木淤泥混合土地基的卸载回弹特征非常鲜明，回弹性指标λ（单位卸载量产生的单位厚度软土的回弹量）大于不含腐木成分的软土地基，若软土含有腐木纤维成分，则λ值随腐木含量增加而加大；在没有排水通道的情况下，腐木淤泥混合土地基具有较长时间的缓慢固结过程，将对工后沉降产生非常明显的影响，必须对深层腐木淤泥土进行符合要求的处理。

文献［3］指出腐木淤泥混合土具有极小的渗透系数k。在腐木含量少时，k值随固结压力变化范围不大；但在腐木含量较多时，随着固结压力变化范围的增大及腐木含量的增加，k值从10-9变化至10-7数量级。k值在高压下减小。

文献［4］和文献［7］得出了对腐木淤泥地基处理设计和施工具有指导作用的物理特性指标：在常规试验方法下得到腐木淤泥的固结系数平均值Cv= 8.083×10-4cm2/s；压缩系数平均值av0.1～0.2=2.14 MPa-1；压缩指数平均值Cc=1.081；回弹指数平均值Cs=0.0801。次固结压缩试验结果显示：在荷载p≤100kPa时，次固结系数平均值Ca=0.0156；在荷载p＞100kPa时，Ca=0.0252。

文献［13］指出，在超载量相同的条件下，次固结系数的变化量随着荷载等级的降低而变大，但都比未超载时的次固结系数平均值约小一个数量级。

文献［14］通过与普通淤泥对比，较为系统地分析了腐木淤泥的特性，并通过有限元程序Plaxis证明了部分断面参数的正确性，其结论如下：1）腐木和淤泥的固结性状差异很大，淤泥的固结系数随固结压力变化不大，为10-4量级；腐木的固结系数随固结压力变化呈量级递减。腐木的回弹量是淤泥回弹量的10倍左右。2）腐木淤泥混合土的压缩性指标、次固结系数及固结系数随腐木成分含量的变化而变化，腐木含量对腐木淤泥混合土的力学性质有重大影响。3）不同腐木含量的腐木淤泥混合土的固结压力和渗透系数在双对数坐标上呈线性关系，拟合线性方程为k=mpn（m和n为在0.99以上随腐木含量而变化的相关系数），腐木淤泥混合土的渗透系数极小。4）腐木淤泥混合土随着腐木含量的增加其变形参数增加。5）腐木同淤泥的次固结机理有所不同，腐木的次固结系数比淤泥高10倍以上。腐木的主固结相当于排出孔隙水的过程，之后木材的蠕变是引起腐木次固结的主要因素，主要是受压缩腐木纤维变形而产生的。而土颗粒的粘性结构的塑性调整引起淤泥的次固结变形，且腐木淤泥混合土的次固结系数随腐木含量的增加而增加。6）粘聚力c值随腐木含量的增加而增大，而φ值基本不变，随腐木含量的增加总体强度变大。

2.3腐木淤泥工程处理方法

文献［1］介绍了揭普高速公路上两路段所采用的两种处理方法，即超载预压方法及袋装砂井-超载预压联合处理方法。

本研究原则上通过层次分析法，把研究主体根据其相互关系分解成多个层次，然后进行定量和定性分析。5个准则层细化到27项关键指标(图1)。构建权重是层次分析法的关键环节。确定权重时，通过两两比较判断进行相对重要性评判。本研究邀请10位专业马拉松运动员和对10为马拉松裁判员对各准则层和指标因子的重要性进行独立判断。在27个评价指标因子中，部分指标通过遥感技术和实地调查计算分值；其余部分指标通过打分进行量化赋值。根据公式V=nΣBW，其中V为综合得分，B为指标因子评分，W为指标因子权重值，n为因子个数，得出两个区域的综合评价值。

文献［2］描述了腐木淤泥混合土的地基排水固结机理。腐木淤泥混合土中腐木通常情况下被淤泥包裹或被沉积物细颗粒所充填，宏观孔隙在腐木中处于封闭状态，此时淤泥的固结排水能力对腐木淤泥土层的固结排水速度起主导作用。当腐木含量在腐木淤泥土中相对较低时，其固结参数与其相混合的淤泥固结参数相差不大，并且可以通过室内一维固结试验结果来佐证。腐木淤泥土层采用砂井处理时，若砂井的深度和间距适宜，砂井与腐木淤泥混合土地基中的腐木团相连通，良好的排水通道容易形成，加载的瞬间即可排出腐木淤泥混合土中的水，同时会造成较大瞬时沉降，加载后土体能较快排水固结。合理的布置形式、适宜深度的袋装砂井与适宜时间大小的超载预压工艺组合是处理腐木淤泥混合土地基有效而合理的方法。

文献［4］和文献［13］指出超载预压方法是处理腐木淤泥混合土地基的一种比较合理、有效的方法。

文献［7］和文献［12］提出应尽量采用小间距砂井处理腐木淤泥土，同时所采用的预压期要合理。

文献［8］根据软土物理性质在超载预压期的变化规律，指出要使浅层软土地层的压缩固结取得明显效果，需超载预压1年左右，而这个压缩时间对深层腐木土层会不会造成明显影响需进一步观测。

文献［10］提出腐木淤泥混合土地基经袋装砂井+加载方法处理，荷载恒定后沉降发展快，沉降收敛也较迅速，主固结过程较短；卸荷回弹特征在超载预压后鲜明，工后沉降小；在没有排水通道的情况下，腐木淤泥混合土地基固结过程需要较长的时间，对工后沉降有非常明显的影响，必须进行深层腐木淤泥处理；合理的布置形式、适宜处理深度的袋装砂井和适宜时间长短、荷载大小的超载预压组合是处理腐木淤泥混合土地基有效而合理的方法。

文献［14］指出处理腐木淤泥混合土可以采用袋装砂井，且十分有效，而没有经过处理的腐木淤泥混合土中淤泥始终包围着腐木，排水通道没有有效形成，固结缓慢。从计算结果及实测资料来看，袋装砂井+等载预压的处理方案主要适宜于埋藏深度不大的腐木淤泥混合土层；袋装砂井+超载预压的处理方案主要适宜于厚度较大且埋藏较深的腐木淤泥混合土层。

文献［8］和文献［12］认为软土的工程性质不是唯一影响公路路基沉降稳定的因素，土体结构类型对公路路基沉降的影响也不容忽视，有时可在一定条件下起主导作用。虽然早期腐木土层具有较差的工程性质，但上部覆盖有能分散下部软土层承受应力的一定厚度的“硬壳层”，使软土地基表层具有一定相当于硬板体的作用，土体结构类型也是决定沉降过程线的主要因素。对于不同腐木淤泥土体结构类型，应有针对性地采用不同的处理措施才能获得良好的工程效果。

3　总结与展望

3.1总结

（1）在腐木淤泥试样取样制备方面，对于淤泥含量50%以下（弱朽）的腐木淤泥，室内试验剪切取样和现场取样十分困难，可配合切割机和千斤顶采取大直径冷冻的方法进行取样；对于腐朽程度为50%～90%（强朽）的腐木淤泥，可直接使用大直径钻头取样、刀片切样；对于腐朽程度90%以上（全朽）的腐木淤泥，常规取样即可，试验较容易。

（2）在腐木淤泥组成及物理力学参数特性方面，研究了腐木淤泥的渗透性、压缩骨架特性、次固结特性及其他基本参数指标和规律，能为相关理论研究和工程实践提供指导。

（3）对于腐木淤泥工程的处理，袋装砂井+等载预压的处理方案主要适宜于埋藏深度不大的腐木淤泥混合土层；袋装砂井+超载预压的处理方案主要适宜于厚度较大且埋藏较深的腐木淤泥混合土层。根据不同的土体结构类型，采取合理的布置形式、适宜深度的袋装砂井与一定时间、适宜荷载大小的不同荷载形式预压组合，是处理腐木淤泥混合土地基合理而有效的方法。

3.2展望

（1）实际工程中腐木淤泥是随着深度变化的，在平面方向也很难有十分均匀的分布，采用钻孔进行取样时，要尽量选取典型工程性质最差的断面，以保证工程设计、施工的稳妥。

（2）无论是冷冻取样还是大直径钻头取样，都会对土体产生扰动，有待发明一种针对腐木淤泥工程地质的现场试验方法，确保物理参数的正确性且不扰动土体。

（3）需提取不同地点、不同含量及不同腐朽程度特别是腐木含量较高的试样进行试验研究，以得到具有普遍意义、适用性更强的腐木淤泥土工程性质规律，用于指导工程设计和施工。

（4）可对浅层腐木淤泥甚至深层腐木淤泥添加一定试剂进行复合加固，腐木淤泥化学试剂加固将成为一种新的研究方向和工程处理方法。

（5）既然软土的土体结构类型是决定沉降过程线的主要因素，那么对腐木淤泥可否采取清除部分表土或在不清除的情况下进行堆填而形成人工回填“硬壳层”的方法进行处治，这种工程处理思路有待深入研究。

［1］郑智军，朱文通，彭汉兴.潮汕地区腐木土层的形成环境及工程性质［J］.土工基础，2006，20（1）.

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