濱海相軟土地基處理技術應用研究

劉麗英

(福州市規劃設計研究院集團有限公司 福建福州 350108)

0 引言

受沖海積、淤積平原地貌影響，福州濱海地區地基開挖多為軟弱土層且多為淤泥、淤泥質土。由于淤泥屬高壓縮性軟弱土層、含水量高、富含有機質等，從而導致其承載力極低、工程力學性質極差。這種軟土地基的承載力特征值一般只有40～50 kPa，甚至更低，如果不進行妥善處理，不僅不能作為建構筑物的持力層或是形成穩定的自然邊坡，還會占用大量的土地資源，無法循環利用。傳統處理軟基的方法有：拋石擠淤、換填法、堆載預壓、攪拌樁地基處理等。這些傳統的處理方法，往往受到施工場地條件和施工工期的限制，而淤泥固化具有施工便捷、強度可控、適用范圍廣、水穩定性好、綠色環保可就地取材及可減少淤泥外運等優點[1]。

1 固化劑加固淤泥的原理及分類

1.1 固化劑加固淤泥原理

早在幾千年前，人類就利用過石灰和火山灰來固化土壤[2]，而將它作為一門課題研究，僅有百余年的歷史[3]。固化劑加固淤泥，是淤泥和固化材料發生水解和水化反應后產生膠凝物質、結晶物質的一個過程[4](圖1)，最后使得淤泥的含水率大大降低并產生一定的結構強度，且其強度能夠在較長時間內穩定增長，以達到設計使用要求。

1.2 淤泥固化劑分類

淤泥固化劑分為無機固化劑和有機固化劑兩種[5]。本工程采用的是無機復合類固化劑，它綜合了各種其他單一無機固化劑(如：水泥類固化劑、石膏和石灰固化劑、粉煤灰固化劑等)對淤泥固化效果的優點，彌補了單一固化材料的缺陷。

2 固化劑加固淤泥技術的實例應用

2.1 工程概況

本工程位于福州市瑯岐島，場地現狀主要為田地、葡萄園、林地、魚塘及水溝、田埂、灘涂、基建工地等。

本工程擬建一系列的廣場硬地、景觀綠化造坡、景觀結構和開挖面積達196 148.35 m2的湖體。地勘揭示場地上部土層主要為較薄的素填土，中、下部土層主要為較厚的淤泥、淤泥夾薄層砂、淤泥質土，主要土層物理力學參數如表1所示。湖體開挖深度范圍內多為素填土、河泥及淤泥，如圖2所示。場地內深厚的高含水率淤泥，給湖體開挖和地基處理帶來一定的難度。

圖2 典型地質剖面圖

2.2 地基穩定性分析評價

本工程場地內“高壓縮性、高孔隙比、低強度”的淤泥層，難以滿足擬建景觀綠化造坡、硬地廣場等設施的地基承載力。而大面積的湖體開挖“卸載”、坡頂景觀綠化造坡“堆載”，淤泥極易產生較大的橫向和豎向變形，對地基的穩定性造成不利影響。

由表1可知，該工程淤泥的地基承載力特征值只有40 kPa，超過2 m填方的地方，地基承載力明顯不足。隨著新填土荷載的增加，軟土地基也會產生較大的沉降變形，采用理正6.5PB3對填方處的軟土地基進行沉降變形分析計算，結果如圖3所示。

表1 主要土層物理力學參數

圖3 加固前的不同厚度新填土處的地基沉降量

對湖體開挖處的邊坡穩定性采用理正深基坑7.5進行分析計算，得出最不利邊坡穩定安全系數Fst=0.645(表2),不滿足邊坡穩定安全系數Fst≥1.30[6]的要求。

表2 加固前湖體邊坡滑裂面數據

由此可知，為了滿足相應設計條件下的地基承載力、變形的要求和湖體開挖的邊坡穩定安全問題，必須對本工程的軟土進行加固處理。

2.3 軟土處理方案的可行性比選

水泥土攪拌樁地基處理應用成熟，但該工程中存在較厚的欠固結的淤泥、淤泥夾薄層砂、淤泥質土，且淤泥含水率近70%，傳統水泥土攪拌樁的水泥用量大且難成樁或成樁效果差、承載力低。

拋石擠淤是一種較為簡單的處理方法，但僅適用于范圍較小的流塑狀淤泥的處理，且石料消耗量難以預測，容易造成不均勻沉降，石料采挖對生態資源破壞大，該工程中湖體開挖大量暴露的深厚淤泥不適合使用拋石擠淤。

換填墊層法施工簡單但處理深度有限，一般適用于不超過3 m的淺層軟土處理。本工程若采用換填墊層法，除了要大量運進換填材料外，還會有大量的淤泥需要外運，無論從經濟效益還是社會效益上都無法占有優勢。

堆載預壓比較適用于市政道路或建筑的大面積深厚軟土地基處理，一般通過排水固結的方式達到提高地基承載力的目的。由于該方法進行地基處理工期較長，僅在景觀綠化造坡的局部填方處，適當結合該方法加快固結，減少后期沉降。

固化劑加固淤泥處理技術，適用范圍廣、無明顯限制條件。大面積高含水率淤泥使用固化劑加固效果更好，且固化效果可控，可根據設計參數達到不同的處理深度和強度。尤其是在湖體處，結合深層的原位攪拌固化處理，湖體邊坡，既可以保證湖體開挖過程邊坡安全，又能將固化區作為湖體開挖的施工便道，還能利用固化后的淤泥平衡場地內的土方，最大程度節省工期和造價。軟土采用固化劑加固。其優勢主要體現在以下幾個方面：

(1)固化處理后便于湖體開挖，節約開挖成本

場地內的淤泥進行固化處理后，土體固結使其整體性和強度提升，相比原本具有流動性、承載力低的淤泥更便于該工程湖體的土方開挖、湖體邊坡成型，并能為施工設備提供更安全的作業環境及臨時施工便道，可減少一些湖體開挖過程中的臨時支護措施，降低了開挖成本。

(2)淤泥經固化處理可循環利用，經濟環保

將淤泥固化處理后，部分固化土可作為回填土方或地基材料在本項目內部平衡消化：強度低的固化土作為景觀綠化造坡的底部回填材料，強度較高的固化土作為停車場或廣場的地基材料。

(3)減少土石料不可再生資源的浪費，有效提高經濟效益、社會效益

對原本需進行大量土石料回填或換填的地方，現采用淤泥固化土進行替代，大大減少了土石料等不可再生資源的使用，最大限度地節省了工程造價。同時，避免大量的淤泥外運、堆放造成土地資源的浪費和生態環境的污染[7]。

(4)施工便捷、質量可靠

本工程淤泥含水率較高，采用固化劑加固淤泥，在高含水率時效果最佳，且施工設備簡單、可原位或異位固化、不受施工條件影響、不需臨建設施。

2.4 場地內新填土處的軟土地基加固處理與分析

考慮到景觀綠化造坡、硬地廣場等處新填土荷載的產生，會引起地基承載力不足和沉降變形，本工程對場地填方區的軟土地基進行了固化加固處理(圖4)：每隔3m×3m加固一塊區域，結合上部景觀綠化填方，分層分時堆載，加設排水板進行深層輔助固結排水；場地內湖體開挖多余的淤泥，經加固處理后，部分用于景觀綠化造坡的堆填方，最大限度地減少土方外購和淤泥外運。

圖4 堆填方處軟土地基加固典型斷面

根據不同填方厚度，固化后軟土地基承載力fak、粘聚力C、內摩擦角φ設計的參數如表3所示，采用地基承載力、粘聚力C、內摩擦角φ作為竣工驗收檢測指標，均滿足設計要求。

表3 不同填方厚度下的軟土地基加固

因本工程大面積填土的地塊主要為景觀造坡，對沉降要求不高，故此處僅對沉降變形進行對比參照分析，不作為本工程竣工驗收檢測指標。采用理正6.5 PB3對加固后的軟土地基進行變形分析，根據文獻[8]的固化土基本土工指標范圍的試驗數據分析，保守取本工程加固后土的Es=5 MPa，沉降量均比未加固前降低了約30%(圖5)，且處理效果可控，因此，適當提高加固土參數指標，就可進一步降低變形。

圖5 加固前后的不同厚度新填土處的地基沉降量

2.5 湖體邊坡處的淤泥固化處理與分析

由前述2.2節分析可知，雖然本工程景觀設計的1∶6自然緩坡入水的生態駁岸形式坡度緩和，但由于本工程高含水率淤泥的存在，仍無法滿足邊坡穩定要求。另外，土堤放坡面土層受湖水浸泡后會有強度變低及蠕變的情況，湖體的大面積開挖“卸載”以及湖岸上新建建筑、新堆填的土方荷載也可能引起土體的滑移甚至隆起，將會對工程造成安全和質量問題。故本工程采用淤泥固化劑對湖岸沿線放坡開挖的地方進行加固處理(圖6):放坡處進行原位固化1 m形成永久湖畔邊坡，沿湖堤坡中和坡腳分別原位固化3 m×6 m、5 m×5 m的土區以保證湖體邊坡的穩定性，同時可兼作為施工便道使用。

圖6 湖體邊坡處的加固典型斷面

按照設計的湖體邊坡，采用理正深基坑7.5試算8組分別以粘聚力C、內摩擦角φ為變量的加固參數下的邊坡穩定安全系數Fst，結果如圖7～圖8所示。

圖7 粘聚力C為變量的湖體邊坡穩定計算結果

圖8 內摩擦角φ為變量的湖體邊坡穩定計算結果

由圖7～圖8數據結果可知，邊坡穩定安全系數Fst隨著粘聚力C、內摩擦角φ的增大而增大，且在C=25 kPa，φ=12°時達到1.35，滿足規范要求1.3[6]，故取湖體邊坡淤泥的設計固化土參數為：C=25 kPa，φ=12°。現場對加固后的淤泥取芯進行直剪試驗檢測粘聚力C、內摩擦角φ，試驗結果滿足設計要求。

加固后的邊坡穩定安全系數Fst=1.35相比加固前Fst=0.645(2.2節)，Fst提高了約2.1倍，可見按照上述方案進行淤泥固化后，湖體的邊坡滿足穩定要求且邊坡穩定安全系數提高顯著。

3 結語

沿海地區深厚飽和流塑狀淤泥，是工程中常見的一種地質。這種不利的地質條件常給工程建設造成一定的困難，結合對本工程實例應用和分析可知，淤泥采用固化劑加固后，力學性能有較大的改善，固化效果優勢明顯。目前本工程已竣工3年，各種使用情況良好，未出現明顯沉降變形，湖體邊坡穩定。

淤泥固化應用范圍除了地基處理外，還可以用于施工便道、固化土沖灌袋、止水圍堰、墻后被動土區加固、環保清淤等[9]。相信隨著淤泥固化技術研究的不斷發展，淤泥固化技術一定能為城市建設創造更多的經濟效益和社會效益。