吉林西部湖沼相淤泥工程特性研究

2022-02-02于仲离许小龙占鑫杰朱群峰张青民

吉林地质 2022年3期

于仲离，许小龙，占鑫杰，朱群峰，张青民

1.中国水利水电第一工程局有限股份公司基础分局，吉林长春 130033；2.南京水利科学研究院，江苏南京 210029

0 引言

吉林西部河湖连通工程位于松嫩平原西南部，地处东北腹地，为生态修复、经济腾飞奠定了坚实基础。工程沿线河湖区分布有一层呈流塑状的湖沼相淤泥，层厚分布不均，为建设带来了困难与挑战。湖沼相淤泥具有天然含水率高、孔隙比大、渗透系数小、强度低、压缩性高、稳定性差、固结时间长等特性[1-3]。如不进行系统的调查研究，易引发地基滑移、边坡失稳等工程事故。针对吉林西部典型的湖沼相淤泥进行全面系统的研究，从物理力学性质、现场监测成果、反演计算等方面分析吉林西部湖沼相淤泥的工程特性，为该地区的工程建设提供指导。

1 工程概况

项目位于吉林省松原市境内，在工程建设前期发现：大坝里程桩号K3+220～K6+552(见图1)地基广泛分布有一层土性较差的淤泥质软土。受复杂水力条件及沉积环境影响，场地自上而下分布有5层结构，分别为：2-1壤土、2-2砂壤土、2-3淤泥质黏土、2-4淤泥、4-1黏土。淤泥层呈黑褐色，饱和，软-流塑，含有机质，具有腥臭味，见有未腐烂的植物根系，局部夹薄层砂土，分布于沼泽洼地的中、下部，沿线均有分布，层厚达0.8～10.8 m。

图1 研究区地质简图

2 湖沼相淤泥矿物成分分析

X射线衍射是黏土矿物定性、定量分析的常用手段，每种矿物晶体存在唯一的X射线衍射，且其对应特征不会因为多种物质混合而发生改变[4]。因此采用X射线衍射法测定吉林西部湖沼相淤泥的矿物成分。矿物组成如表1所示，石英矿物含量最高为51.2%，其次为伊利石17.9%。

表1 湖沼相淤泥矿物组成

烧失量法是测量有机质含量的可靠手段，当有机质含量>10%时，采用烧失量法估测土壤有机质含量的结果可信度较高，同时因其便捷经济的特点被广泛运用于土壤学、地质学中土体有机质含量的研究[5-6]。本文采用烧失量法测得的湖沼相淤泥中的有机质含量均值为7.6%。

3 湖沼相淤泥工程特性的非均匀性

现场采用钻孔取土的方式，选取30组具有代表性的淤泥土样，参照《土工试验方法标准》[7]开展吉林西部湖沼相淤泥的室内试验，掌握该淤泥土的基本物理力学特性，并结合现场勘探结果分析软基段湖沼相淤泥的空间分布特征。

3.1 湖沼相淤泥物理力学特性研究

试验所得的淤泥质土样的基本物理力学参数有：湿密度、含水率、土粒比重、孔隙比、液限、塑限、颗粒分析、渗透系数、无侧限抗压强度、压缩性指标、不排水抗剪强度等，具体试验结果如表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

湖沼相淤泥的湿密度、含水率、土粒比重、液塑限分别采用环刀法、烘干法、比重瓶法、液塑限联合测定仪法测得，颗粒分析采用筛析法与密度计法测定，渗透系数采用南55型渗透仪开展变水头试验。

试验结果显示湖沼相淤泥具有以下特点：本区域淤泥孔隙比大、含水率高，湿密度与干密度相应较小，塑性指数与液性指数高，细颗粒含量高，渗透性差，且不同区域试验结果离散较大，空间分布不均，A6～A8区土的物理性质最差。

湖沼相淤泥的含水率均值为59.3%、孔隙比均值为1.58、湿密度均值为1.65。试验所得的孔隙比大于1.5，有机质含量为7.5%，符合《土的工程分类标准》[8]与《建筑地基基础设计规范》[9]有关淤泥的规定。根据《岩土工程勘察规范》[10]，湖沼相淤泥液性指数均值为1.4，远高于1.0土体呈流塑状。

从表3中可以看出该淤泥土样由细砂粒、粉粒和黏粒组成，细颗粒(粉粒、黏粒)含量高，占总质量的95.2%，其中粉粒与黏粒含量分别为59.5%、35.7%。土体的双向渗透系数都较小，其中水平向渗透系数大于其自身垂直向的渗透系数，垂直向与水平向的渗透系数分别为0.9×10-7、4.3×10-7。这是由于该地区淤泥土细颗粒含量高，比表面积大水分子易吸附在颗粒表面；同时富含有机物，胶结作用愈强，亲水能力愈强，表现为土体渗透系数较小在10-7量级，渗透性较差，成为影响土体排水固结特性的主要因素。

表3 颗粒组成与渗透系数

3.1.2 力学特性研究

为较全面的了解湖沼相淤泥的工程特性，针对淤泥土样开展了标准固结试验、无侧限抗压强度试验、三轴固结不排水剪试验，测得其压缩系数、无侧限抗压强度、有效黏聚力与内摩擦角不同分区试验结果如表4所示。

表4 湖沼相淤泥基本力学特性

试验所得压缩系数均值为1.28 MPa-1属高压缩性土，地基沉降变形大；无侧限抗压强度均值为5.4 kPa，有效黏聚力均值为11 kPa，有效内摩擦角均值为20.9°。分析其原因是湖沼相淤泥孔隙比高、富含有机质使压缩性增大、渗透性下降；黏粒含量高，有机质的胶结作用，使部分区域淤泥的黏聚力增加。淤泥土的无侧限抗压强度低、A7～A8区有效黏聚力低，这是由于淤泥的高含水率影响其力学性能，随着含水率的增加，土颗粒间相互作用力减弱，黏聚力降低，各项力学指标呈降低趋势[11]。

3.2 空间分布特性分析

由上一章节可知，场地内湖沼相淤泥的基本物理力学特性随空间分布不均，不同分区淤泥的基本物理力学特性存在较大差异，A6～A8区淤泥土的物理力学特性最差，其余分区较好。同时淤泥层厚度也存在空间分布不均的现象，图2～图3选取图1中Ⅰ-Ⅰ’、Ⅱ-Ⅱ’断面分析淤泥层的空间分布特性。

图2 Ⅰ-Ⅰ’断面土层分布纵剖面图

图3 Ⅱ-Ⅱ’断面土层分布横剖面图

根据图2、图3可知，研究区域广泛分布有一层呈流塑状的淤泥土，埋藏深，且层厚变化较大，沿轴线方向从A2～A7区呈递增趋势，最大厚度为11 m，从A7～A9区呈递减趋势；受湖流、波浪以及环境等影响，自湖岸至湖心不同区域沉积物颗粒特性和结构性一般有所差异，垂直于坝轴线方向由背水侧向迎水侧淤泥层厚度呈递增趋势。

4 湖沼相淤泥的排水固结特性

排水固结法是加固软土地基的一种有效方法，该方法是指地基在荷载作用下，通过布设的竖向排水通道，使土中孔隙水排出，孔隙比减小，地基发生固结变形强度逐渐增长。本工程采用真空联合堆载预压的方式加固软土地基，通过打设排水板提供良好的竖向排水通道，加快软土地基固结。因此淤泥层的排水固结特性将直接影响地基强度提升速率，本章通过现场超静孔隙水压力监测数据与反演计算进一步分析湖沼相淤泥的排水固结特性。

4.1 现场孔压测试成果

通过埋设在土体中不同深度处的孔隙水压力测头，可以直观的了解不同土层地基土超静孔隙水压力的消散情况，反应土体的排水固结特性，衡量地基加固效果。通常将孔隙水压力计埋设在四根排水板中间，本工程分别在原地面以下3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m处埋设孔隙水压力计，并将电缆线引到加固区外通过评率计观测。以试验区为例，分析湖沼相淤泥的排水固结特性，超静孔隙水压力变化过程曲线如图4所示。

图4 超静孔隙水压力变化过程曲线

图中1阶段为开始抽真空阶段，2、4阶段代表真空联合堆载阶段(其中4阶段为冬歇期后恢复抽真空，待膜下真空压力达设计要求后继续堆载)，3、5阶段为冬歇期，停止抽真空与堆载。

通过图4可知，不同深度地层超静孔隙水压力呈现出明显的差异性。3 m、6 m、18 m为渗透性较好的壤土、砂土、黏土层，第1阶段地基中孔压迅速降低，随后趋于稳定；第2、4阶段孔压变化较小，渗透性好，受堆载影响较小；第3、5阶段停止抽真空淤泥层中孔隙水向渗透性较好的土层中富集，孔压上升。

9～15 m深度处，上部2～3层是淤泥质黏土、下部2～4层是淤泥层，在第1阶段孔隙水压力缓慢降低；第2、4阶段随着填筑工作的开展，超静孔隙水压力逐步上升，无明显消散趋势；第3、5阶段冬歇期软土层中超静孔隙水压力缓慢消散，消散趋势不明显。

这是因为与壤土、砂壤土层对比湖沼相淤泥渗透性差，排水固结特性较差，荷载增加孔隙水压力迅速增加，且难于及时排出，超静孔隙水压力消散较慢，地基强度提升缓慢，需较长的时间来完成强度的增长与地基的固结沉降。

4.2 渗透系数的反演分析

由于坝基内呈软塑-流塑状态的淤泥层是影响坝体变形的主要土层，因此本次参数反演对象只针对该主要控制层2～4层的淤泥土，对于其本构模型参数，选取对孔压消散影响较大的渗透系数进行反演。选用修正剑桥模型进行反演分析，主要是在正常固结和弱超固结土的试验基础上建立起来的，是理论较为完善、应用最为广泛的土体弹塑性模型[12]。

修正剑桥模型屈服方程为：

(1)