腐木質(zhì)淤泥土研究綜述及工程展望

陳志偉1李超23周勇23高逸成23鄒湘衡23魏軍揚(yáng)23

（1.浙江省科威工程咨詢有限公司，浙江杭州 310002；2.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200000；3.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200000）

腐木質(zhì)淤泥土研究綜述及工程展望

陳志偉1，李超2，3，周勇2，3，高逸成2，3，鄒湘衡2，3，魏軍揚(yáng)2，3

（1.浙江省科威工程咨詢有限公司，浙江杭州 310002；2.中船第九設(shè)計研究院工程有限公司，上海 200000；3.上海海洋工程和船廠水工特種工程技術(shù)研究中心，上海 200000）

綜合論述了當(dāng)前腐木質(zhì)淤泥土的研究現(xiàn)狀及工程處理措施，指出影響腐木質(zhì)土工程性質(zhì)的主要因素包括本身腐木腐朽程度、腐木含量及腐木土所處的土體結(jié)構(gòu)土層等；結(jié)合當(dāng)前研究和工程措施提出了一些建議并進(jìn)行了展望。

公路；腐木質(zhì)淤泥；土體結(jié)構(gòu)；工程措施

1　腐木質(zhì)淤泥土簡介

1.1腐木質(zhì)淤泥土定義

腐木質(zhì)淤泥土作為一種特殊的軟土層土質(zhì)，主要是由腐朽的木材和普通土體混合而成。它同普通淤泥有相似之處，但也有很大不同，具有獨特的工程性質(zhì)特點。

文獻(xiàn)［1］指出腐木土層多呈深灰色、灰色或黑色，也有少數(shù)呈棕褐色。文獻(xiàn)［4］指出腐木淤泥與有機(jī)質(zhì)含量較高的工程中常有的普通泥炭、泥炭土之間存在本質(zhì)區(qū)別。腐木淤泥的最大特點是其有明顯的分解程度差別很大的未完全分解的植物根莖，淤泥與植物纖維互不摻混，按照常規(guī)取樣并進(jìn)行室內(nèi)試驗十分困難，取得較為準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)較難。

1.2腐木質(zhì)淤泥土分布與形成原因

中國腐木淤泥軟土地基土層分布較為廣泛，主要集中在湖泊、河流中下游及東部沿海地區(qū)，且地表以下第四紀(jì)軟土覆蓋層深厚。文獻(xiàn)［15］指出珠三角地區(qū)及廣東沿海地區(qū)有大量腐木淤泥層；文獻(xiàn)［13］指出在上海、天津、連云港、寧波等沿海城市及武漢、昆明等內(nèi)陸地區(qū)也存在腐木淤泥層；文獻(xiàn)［16］顯示在浙江溫州也夾雜一定量的腐木淤泥層；文獻(xiàn)［17］、［18］表明在福建等省市也存在較為廣泛的腐木質(zhì)土層。典型的工程有揭普（揭陽—普寧）、潮揭（潮州—揭陽）及汕揭（汕頭—揭陽）高速公路等。

根據(jù)文獻(xiàn)［9］的分析，腐木層是樹木的枯萎腐朽伴隨氣候周期變化及海面變動而形成的，是近期地面沉降、海面上升、氣候趨冷共同影響下原生水松林被沉積物掩埋的結(jié)果。如文獻(xiàn)［10］、［11］、［13］所述，運用孢子花粉、掃描電子顯微鏡、能譜和C14同位素年代測試等方法可以對腐木土層的地質(zhì)和成因進(jìn)行分析。

1.3腐木質(zhì)淤泥分類

根據(jù)文獻(xiàn)［9］與文獻(xiàn)［6］，對于腐木質(zhì)淤泥土，可以根據(jù)樹木纖維在土層中的腐朽程度不同將其大致分為三類（見表1）。

表1　腐木淤泥土的分類

如文獻(xiàn)［4］所述，根據(jù)樹木的腐朽程度不同，腐木淤泥大致劃分為弱朽、強(qiáng)朽、全朽3種。結(jié)合工程經(jīng)驗不難看出，表1中腐朽程度50%以下、50%～90%、90%以上大致分別對應(yīng)弱朽、強(qiáng)朽、全朽。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］，按照分布高程，可以將腐木淤泥土劃分為低位腐木土層和高位腐木土層。低位腐木土層分布在平原地面以下，高位腐木土層高于平原地面高程。

2　研究現(xiàn)狀

關(guān)于腐木淤泥的研究主要集中在腐木淤泥試樣取樣制備、腐木淤泥組成及物理力學(xué)參數(shù)特性、腐木淤泥工程處理方法三方面。

2.1試樣取樣制備

文獻(xiàn)［4］粗略介紹了冷凍方法對固結(jié)系數(shù)的影響，指出根據(jù)變形曲線推導(dǎo)的冷凍樣固結(jié)系數(shù)平均值比非冷凍樣固結(jié)系數(shù)平均值小，得到了冷凍法對淤泥、腐木纖維混合土結(jié)構(gòu)的擾動程度，固結(jié)系數(shù)變化較大，兩者相差達(dá)2倍以上。

文獻(xiàn)［5］對試樣取樣方法作了較詳盡的介紹，給出了腐木淤泥不同腐朽程度即弱朽、強(qiáng)朽、全朽3種狀態(tài)下的取樣方法（見表1）。

文獻(xiàn)［6］詳細(xì)介紹了冷凍法取樣對腐木淤泥混合土變形參數(shù)的影響，得到了較為系統(tǒng)的結(jié)論：1）當(dāng)冷凍法取樣作用于腐木含量較低的腐木軟土?xí)r，土層固結(jié)系數(shù)較小，擾動程度較大；當(dāng)冷凍法取樣作用于腐木含量較高的腐木軟土?xí)r，土層固結(jié)系數(shù)較大，擾動程度較小。2）對次固結(jié)系數(shù)而言，冷凍法取樣的影響很小。當(dāng)固結(jié)壓力較高時，冷凍法取樣作用于腐木含量較高的腐木軟土的次固結(jié)系數(shù)略小。3）冷凍法取樣對于腐木含量較高的腐木軟土的擾動程度較小，壓縮曲線表現(xiàn)為緩降型，表現(xiàn)出來的壓縮性也較低?？傊?，文獻(xiàn)［6］中得出的結(jié)論印證了表1中腐木淤泥取樣的試驗方法。

文獻(xiàn)［13］提出了采用直徑168mm的大直徑鉆頭、結(jié)合干冰冷凍取得原狀樣的取樣方法。

文獻(xiàn)［14］關(guān)于腐木淤泥試驗取樣的介紹與表1中的相近。

文獻(xiàn)［1］指出各腐木土層具有基本相同的巖性，為富含有機(jī)質(zhì)或含少量石英砂細(xì)小顆粒的淤泥質(zhì)土或淤泥沉積物，反映出腐木淤泥是相對靜水的環(huán)境產(chǎn)物；同時指出腐木土層中孢粉含量豐富，呈蜂窩狀的硅藻含量較豐富，其化學(xué)成分主要為硅；腐木淤泥層含水量高、孔隙比大，這與有機(jī)質(zhì)含量密切相關(guān)；腐木土層工程性質(zhì)隨著形成時代的不同而不同，一般來說，形成時代越新其工程性質(zhì)越差，形成時代愈久其工程性質(zhì)愈好。

文獻(xiàn)［2］通過分析廣東揭普高速公路軟基路堤施工期及運營期的實測沉降資料，整理出地基回彈性指標(biāo)、固結(jié)系數(shù)、次固結(jié)系數(shù)和超載比，用數(shù)據(jù)說明了含腐木的軟土地基的固結(jié)特征；指出含腐木的軟土地基在進(jìn)行深層處理后具有更快的固結(jié)過程，卸載后具有顯著的回彈性，其壓縮過程和不含腐木的軟基沒有明顯區(qū)別；經(jīng)過袋裝砂井處理后的腐木淤泥混合土地基的卸載回彈特征非常鮮明，回彈性指標(biāo)λ（單位卸載量產(chǎn)生的單位厚度軟土的回彈量）大于不含腐木成分的軟土地基，若軟土含有腐木纖維成分，則λ值隨腐木含量增加而加大；在沒有排水通道的情況下，腐木淤泥混合土地基具有較長時間的緩慢固結(jié)過程，將對工后沉降產(chǎn)生非常明顯的影響，必須對深層腐木淤泥土進(jìn)行符合要求的處理。

文獻(xiàn)［3］指出腐木淤泥混合土具有極小的滲透系數(shù)k。在腐木含量少時，k值隨固結(jié)壓力變化范圍不大；但在腐木含量較多時，隨著固結(jié)壓力變化范圍的增大及腐木含量的增加，k值從10-9變化至10-7數(shù)量級。k值在高壓下減小。

文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［7］得出了對腐木淤泥地基處理設(shè)計和施工具有指導(dǎo)作用的物理特性指標(biāo)：在常規(guī)試驗方法下得到腐木淤泥的固結(jié)系數(shù)平均值Cv= 8.083×10-4cm2/s；壓縮系數(shù)平均值av0.1～0.2=2.14 MPa-1；壓縮指數(shù)平均值Cc=1.081；回彈指數(shù)平均值Cs=0.0801。次固結(jié)壓縮試驗結(jié)果顯示：在荷載p≤100kPa時，次固結(jié)系數(shù)平均值Ca=0.0156；在荷載p＞100kPa時，Ca=0.0252。

文獻(xiàn)［13］指出，在超載量相同的條件下，次固結(jié)系數(shù)的變化量隨著荷載等級的降低而變大，但都比未超載時的次固結(jié)系數(shù)平均值約小一個數(shù)量級。

文獻(xiàn)［14］通過與普通淤泥對比，較為系統(tǒng)地分析了腐木淤泥的特性，并通過有限元程序Plaxis證明了部分?jǐn)嗝鎱?shù)的正確性，其結(jié)論如下：1）腐木和淤泥的固結(jié)性狀差異很大，淤泥的固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化不大，為10-4量級；腐木的固結(jié)系數(shù)隨固結(jié)壓力變化呈量級遞減。腐木的回彈量是淤泥回彈量的10倍左右。2）腐木淤泥混合土的壓縮性指標(biāo)、次固結(jié)系數(shù)及固結(jié)系數(shù)隨腐木成分含量的變化而變化，腐木含量對腐木淤泥混合土的力學(xué)性質(zhì)有重大影響。3）不同腐木含量的腐木淤泥混合土的固結(jié)壓力和滲透系數(shù)在雙對數(shù)坐標(biāo)上呈線性關(guān)系，擬合線性方程為k=mpn（m和n為在0.99以上隨腐木含量而變化的相關(guān)系數(shù)），腐木淤泥混合土的滲透系數(shù)極小。4）腐木淤泥混合土隨著腐木含量的增加其變形參數(shù)增加。5）腐木同淤泥的次固結(jié)機(jī)理有所不同，腐木的次固結(jié)系數(shù)比淤泥高10倍以上。腐木的主固結(jié)相當(dāng)于排出孔隙水的過程，之后木材的蠕變是引起腐木次固結(jié)的主要因素，主要是受壓縮腐木纖維變形而產(chǎn)生的。而土顆粒的粘性結(jié)構(gòu)的塑性調(diào)整引起淤泥的次固結(jié)變形，且腐木淤泥混合土的次固結(jié)系數(shù)隨腐木含量的增加而增加。6）粘聚力c值隨腐木含量的增加而增大，而φ值基本不變，隨腐木含量的增加總體強(qiáng)度變大。

2.3腐木淤泥工程處理方法

文獻(xiàn)［1］介紹了揭普高速公路上兩路段所采用的兩種處理方法，即超載預(yù)壓方法及袋裝砂井-超載預(yù)壓聯(lián)合處理方法。

本研究原則上通過層次分析法，把研究主體根據(jù)其相互關(guān)系分解成多個層次，然后進(jìn)行定量和定性分析。5個準(zhǔn)則層細(xì)化到27項關(guān)鍵指標(biāo)(圖1)。構(gòu)建權(quán)重是層次分析法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。確定權(quán)重時，通過兩兩比較判斷進(jìn)行相對重要性評判。本研究邀請10位專業(yè)馬拉松運動員和對10為馬拉松裁判員對各準(zhǔn)則層和指標(biāo)因子的重要性進(jìn)行獨立判斷。在27個評價指標(biāo)因子中，部分指標(biāo)通過遙感技術(shù)和實地調(diào)查計算分值；其余部分指標(biāo)通過打分進(jìn)行量化賦值。根據(jù)公式V=nΣBW，其中V為綜合得分，B為指標(biāo)因子評分，W為指標(biāo)因子權(quán)重值，n為因子個數(shù)，得出兩個區(qū)域的綜合評價值。

文獻(xiàn)［2］描述了腐木淤泥混合土的地基排水固結(jié)機(jī)理。腐木淤泥混合土中腐木通常情況下被淤泥包裹或被沉積物細(xì)顆粒所充填，宏觀孔隙在腐木中處于封閉狀態(tài)，此時淤泥的固結(jié)排水能力對腐木淤泥土層的固結(jié)排水速度起主導(dǎo)作用。當(dāng)腐木含量在腐木淤泥土中相對較低時，其固結(jié)參數(shù)與其相混合的淤泥固結(jié)參數(shù)相差不大，并且可以通過室內(nèi)一維固結(jié)試驗結(jié)果來佐證。腐木淤泥土層采用砂井處理時，若砂井的深度和間距適宜，砂井與腐木淤泥混合土地基中的腐木團(tuán)相連通，良好的排水通道容易形成，加載的瞬間即可排出腐木淤泥混合土中的水，同時會造成較大瞬時沉降，加載后土體能較快排水固結(jié)。合理的布置形式、適宜深度的袋裝砂井與適宜時間大小的超載預(yù)壓工藝組合是處理腐木淤泥混合土地基有效而合理的方法。

文獻(xiàn)［4］和文獻(xiàn)［13］指出超載預(yù)壓方法是處理腐木淤泥混合土地基的一種比較合理、有效的方法。

文獻(xiàn)［7］和文獻(xiàn)［12］提出應(yīng)盡量采用小間距砂井處理腐木淤泥土，同時所采用的預(yù)壓期要合理。

文獻(xiàn)［8］根據(jù)軟土物理性質(zhì)在超載預(yù)壓期的變化規(guī)律，指出要使淺層軟土地層的壓縮固結(jié)取得明顯效果，需超載預(yù)壓1年左右，而這個壓縮時間對深層腐木土層會不會造成明顯影響需進(jìn)一步觀測。

文獻(xiàn)［10］提出腐木淤泥混合土地基經(jīng)袋裝砂井+加載方法處理，荷載恒定后沉降發(fā)展快，沉降收斂也較迅速，主固結(jié)過程較短；卸荷回彈特征在超載預(yù)壓后鮮明，工后沉降小；在沒有排水通道的情況下，腐木淤泥混合土地基固結(jié)過程需要較長的時間，對工后沉降有非常明顯的影響，必須進(jìn)行深層腐木淤泥處理；合理的布置形式、適宜處理深度的袋裝砂井和適宜時間長短、荷載大小的超載預(yù)壓組合是處理腐木淤泥混合土地基有效而合理的方法。

文獻(xiàn)［14］指出處理腐木淤泥混合土可以采用袋裝砂井，且十分有效，而沒有經(jīng)過處理的腐木淤泥混合土中淤泥始終包圍著腐木，排水通道沒有有效形成，固結(jié)緩慢。從計算結(jié)果及實測資料來看，袋裝砂井+等載預(yù)壓的處理方案主要適宜于埋藏深度不大的腐木淤泥混合土層；袋裝砂井+超載預(yù)壓的處理方案主要適宜于厚度較大且埋藏較深的腐木淤泥混合土層。

文獻(xiàn)［8］和文獻(xiàn)［12］認(rèn)為軟土的工程性質(zhì)不是唯一影響公路路基沉降穩(wěn)定的因素，土體結(jié)構(gòu)類型對公路路基沉降的影響也不容忽視，有時可在一定條件下起主導(dǎo)作用。雖然早期腐木土層具有較差的工程性質(zhì)，但上部覆蓋有能分散下部軟土層承受應(yīng)力的一定厚度的“硬殼層”，使軟土地基表層具有一定相當(dāng)于硬板體的作用，土體結(jié)構(gòu)類型也是決定沉降過程線的主要因素。對于不同腐木淤泥土體結(jié)構(gòu)類型，應(yīng)有針對性地采用不同的處理措施才能獲得良好的工程效果。

3　總結(jié)與展望

3.1總結(jié)

（1）在腐木淤泥試樣取樣制備方面，對于淤泥含量50%以下（弱朽）的腐木淤泥，室內(nèi)試驗剪切取樣和現(xiàn)場取樣十分困難，可配合切割機(jī)和千斤頂采取大直徑冷凍的方法進(jìn)行取樣；對于腐朽程度為50%～90%（強(qiáng)朽）的腐木淤泥，可直接使用大直徑鉆頭取樣、刀片切樣；對于腐朽程度90%以上（全朽）的腐木淤泥，常規(guī)取樣即可，試驗較容易。

（2）在腐木淤泥組成及物理力學(xué)參數(shù)特性方面，研究了腐木淤泥的滲透性、壓縮骨架特性、次固結(jié)特性及其他基本參數(shù)指標(biāo)和規(guī)律，能為相關(guān)理論研究和工程實踐提供指導(dǎo)。

（3）對于腐木淤泥工程的處理，袋裝砂井+等載預(yù)壓的處理方案主要適宜于埋藏深度不大的腐木淤泥混合土層；袋裝砂井+超載預(yù)壓的處理方案主要適宜于厚度較大且埋藏較深的腐木淤泥混合土層。根據(jù)不同的土體結(jié)構(gòu)類型，采取合理的布置形式、適宜深度的袋裝砂井與一定時間、適宜荷載大小的不同荷載形式預(yù)壓組合，是處理腐木淤泥混合土地基合理而有效的方法。

3.2展望

（1）實際工程中腐木淤泥是隨著深度變化的，在平面方向也很難有十分均勻的分布，采用鉆孔進(jìn)行取樣時，要盡量選取典型工程性質(zhì)最差的斷面，以保證工程設(shè)計、施工的穩(wěn)妥。

（2）無論是冷凍取樣還是大直徑鉆頭取樣，都會對土體產(chǎn)生擾動，有待發(fā)明一種針對腐木淤泥工程地質(zhì)的現(xiàn)場試驗方法，確保物理參數(shù)的正確性且不擾動土體。

（3）需提取不同地點、不同含量及不同腐朽程度特別是腐木含量較高的試樣進(jìn)行試驗研究，以得到具有普遍意義、適用性更強(qiáng)的腐木淤泥土工程性質(zhì)規(guī)律，用于指導(dǎo)工程設(shè)計和施工。

（4）可對淺層腐木淤泥甚至深層腐木淤泥添加一定試劑進(jìn)行復(fù)合加固，腐木淤泥化學(xué)試劑加固將成為一種新的研究方向和工程處理方法。

（5）既然軟土的土體結(jié)構(gòu)類型是決定沉降過程線的主要因素，那么對腐木淤泥可否采取清除部分表土或在不清除的情況下進(jìn)行堆填而形成人工回填“硬殼層”的方法進(jìn)行處治，這種工程處理思路有待深入研究。

［1］ 鄭智軍，朱文通，彭漢興.潮汕地區(qū)腐木土層的形成環(huán)境及工程性質(zhì)［J］.土工基礎(chǔ)，2006，20（1）.

［2］ 劉朝權(quán)，李國維.腐木、淤泥混合土地基固結(jié)變形特征分析［J］.中外公路，2006，26（3）.

［3］ 朱艷.腐木淤泥混合土對滲透系數(shù)影響的試驗研究［J］.科技咨詢，2009（20）.

［4］ 曾玉瑩.腐木淤泥混合土的變形特性綜合試驗研究［J］.長江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010，27（2）.

［5］ 曾玉瑩，鄭小戰(zhàn)，陳小云.腐木淤泥混合土層的次固結(jié)變形特性試驗研究［J］.資源環(huán)境與工程，2010，24（3）. ［6］ 李國維，蔣華忠，錢尼貴，等.冷凍法取樣對腐木淤泥混合土變形參數(shù)的影響試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28（12）.

［7］ 單凌志.腐木淤泥混合土的壓縮特性研究及處理方法分析［J］.公路，2012（5）.

［8］ 朱文通，彭漢興.廣東揭普高速公路腐木土層工程性質(zhì)的探討［J］.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2006，5（2）.

［9］ 黃鎮(zhèn)國，李平日，張仲英，等.珠江三角洲第四系的腐木層［J］.熱帶地理，1981（2）.

［10］ 黃少杰，吳玉財.揭普高速公路腐木淤泥混合土地基處理方法分析［J］.公路，2005（9）.

［11］ 趙繼光，錢尼貴，王光華.揭普高速公路軟基腐木層的形成及工程特性研究［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報，2005，26（4）.

［12］ 李潮忠，彭漢興.揭普高速公路南段路基土層工程特性及評價［J］.土工基礎(chǔ)，2008，22（2）.

［13］ 錢尼貴.腐木纖維、淤泥混合土變形特性及沉降規(guī)律研究［D］.南京：河海大學(xué)，2005.

［14］ 單凌志.揭普高速公路腐木淤泥混合土層工程性質(zhì)及處理措施研究［D］.南京：河海大學(xué)，2006.

［15］ 李平日，喬彭年，鄭洪漢，等.珠江三角洲一萬年來環(huán)境演變［M］.北京：海洋出版社，1991.

［16］ 尚泓波，鄭東華，葉翔，等.溫州市某工程場地軟土地基的巖土工程評價［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2003，14（3）.

［17］ 巫錫良.福建沿海斷陷盆地和平原區(qū)的晚第四紀(jì)地層［J］.熱帶海洋，1987，6（4）.

［18］ 李從先，李萍，王利.我國東部沿海一些海岸的海進(jìn)海退層序三角洲地區(qū)［J］.海洋學(xué)報：中文版，1983，5（3）.

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