湖相淤泥極限承載力的影響分析

許振華，張春虎，王曉軍

(1.中國瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038；2. 江西理工大學(xué)，江西贛州 341000)

湖相淤泥承載力極限值反映了湖相淤泥自身承受上部荷載的能力，對于不同含水率條件下的湖相淤泥而言，其承載力極限值隨著含水率的不同而不同[1-2]。在湖相淤泥剝離的工程應(yīng)用上，往往為了減少工程投資，盡可能采用靈活環(huán)保的方式進(jìn)行湖泥剝離，孫盛湘等[3-5]針對湖相淤泥剝離做了大量研究與測試工作，但均因投資大，環(huán)保措施低而未付諸實(shí)施。本文擬在研究結(jié)論的基礎(chǔ)上，以某銅礦的湖相淤泥采用4 m3挖掘機(jī)配39 t 鉸接卡車將固結(jié)后的湖泥運(yùn)至排土場為工程背景， 開展基于湖相淤泥剝離的極限承載力研究。由于整個剝離作業(yè)過程，挖掘機(jī)及鉸接卡車均需在湖相淤泥表面作業(yè)，按照4 m3挖掘機(jī)設(shè)備許用要求，4 m3挖掘機(jī)最大對地壓力為100 kPa，39 t 鉸卡滿載時最大對地壓力為174 kPa。因此， 需要湖相淤泥自身的承載力極限值達(dá)到174 kPa 以上，才能保證湖相淤泥剝離工作的安全順利進(jìn)行。

基于上述認(rèn)識，本文為了得到該承載力條件下湖相淤泥的相關(guān)參數(shù)，特開展不同含水率湖相淤泥承載力極限值計算分析研究。

1 湖相淤泥極限承載力影響分析模型

土體的承載力極限值一般采用載荷試驗(yàn)得到。在已知土體c、φ 值的情況下，可以按以下經(jīng)驗(yàn)公式計算地基承載力極限值：

式中：c為土體粘聚力；q為地基范圍內(nèi)的表土壓力；B為基礎(chǔ)的寬度；γ 為土體的容重；Nc、Nq、Nγ為承載力影響系數(shù)。

基于上述原理，本文采用SIGMA/W 通過應(yīng)變控制模擬，進(jìn)行湖相淤泥土體極限承載力的計算分析，其計算模型如圖1 所示。

圖1 湖相淤泥極限承載力計算模型

不同含水率條件下，湖相淤泥重塑土的孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量、凝聚力及內(nèi)摩擦角等指標(biāo)均發(fā)生不同程度的變化， 計算所采用的湖相淤泥重塑土參數(shù)如表1 所示。

表1 湖相淤泥重塑土相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

2 結(jié)果分析

2.1 含水率與湖相淤泥極限承載力的關(guān)系

經(jīng)計算，湖相淤泥極限承載力隨含水率的變化如圖2 所示。

圖2 極限承載力隨含水率的變化

研究結(jié)果表明： 極限承載力隨著含水率的增大而呈指數(shù)減小，在含水率21.56%處，其極限承載力為175 kPa，與采坑湖相淤泥區(qū)邊坡取樣得到的承載力極限值相近（見表2）。 根據(jù)現(xiàn)場采坑湖相淤泥區(qū)邊坡實(shí)踐，該區(qū)域湖相淤泥因上部長時間堆載固結(jié)，土層承載力較高，已滿足邊坡機(jī)械作業(yè)條件。 因此，可以將極限承載力為175 kPa，作為原始湖相淤泥固結(jié)完成，滿足開挖條件的依據(jù)。

表2 采坑湖相淤泥區(qū)邊坡土樣力學(xué)指標(biāo)

3.2 孔隙比、壓縮模量與極限承載力的關(guān)系

經(jīng)計算，湖相淤泥極限承載力與孔隙比、壓縮模量的關(guān)系如圖3、圖4 所示。 計算分析結(jié)果表明：湖相淤泥極限承力隨著孔隙比的增大呈現(xiàn)明顯的指數(shù)減小。 當(dāng)極限承載力為175 kPa 時，其對應(yīng)的孔隙比為0.677；湖相淤泥極限承力與壓縮模量呈線性關(guān)系，極限承載力隨著壓縮模量的增大而增大。 當(dāng)極限承載力為175 kPa 時，其對應(yīng)的壓縮模量為5.777 MPa。

圖3 湖相淤泥極限承載力隨孔隙比的變

圖4 湖相淤泥極限承載力隨壓縮模量的變化

3.3 凝聚力、內(nèi)摩擦角與極限承載力的關(guān)系

經(jīng)計算，湖相淤泥極限承載力與凝聚力、內(nèi)摩擦角的關(guān)系如圖5、圖6 所示，計算分析結(jié)果表明：湖相淤泥極限承力與凝聚力呈線性關(guān)系，極限承載力隨著凝聚力的增大而增大。當(dāng)極限承載力為175 kPa時，其對應(yīng)的凝聚力為22.17 kPa。 湖相淤泥極限承力與內(nèi)摩擦角呈線性關(guān)系， 極限承載力隨著內(nèi)摩擦角的增大而增大。 當(dāng)極限承載力為175 kPa 時，其對應(yīng)的內(nèi)摩擦角為16.30°。

圖5 湖相淤泥極限承載力隨凝聚力的變化

圖6 湖相淤泥極限承載力隨內(nèi)摩擦角的變化

4 結(jié)論

通過SIGMA/W 計算得到， 當(dāng)含水率達(dá)到21.56%時，對應(yīng)的湖相淤泥極限承載力為175 kPa，孔隙比為0.667，壓縮模量為5.777 MPa，內(nèi)摩擦角為16.30°，凝聚力為22.17 kPa。 以上參數(shù)將視為原始湖相淤泥固結(jié)完成的依據(jù)，滿足常規(guī)機(jī)械剝離條件。 同時，參照現(xiàn)狀歷史堆載湖相淤泥邊坡取樣結(jié)果， 也基本取得了一致的結(jié)論， 研究結(jié)論對采用常規(guī)設(shè)備進(jìn)行湖相淤泥剝離提供了理論指導(dǎo)依據(jù)。