淤泥、淤泥質(zhì)土地基的特征與處理研究
——以浙江寧波某項目沉降的治理過程為例

張振海

（上海新榮陽投資控股集團，上海 200082）

0 引言

基礎(chǔ)是建筑工程中最重要的組成部分之一，與建筑物的安全和質(zhì)量息息相關(guān)，其成本約占總成本的20%左右，而其中的淤泥與淤泥質(zhì)土基礎(chǔ)在成本、安全、質(zhì)量方面的影響則更加突出。涉及淤泥與淤泥質(zhì)土基礎(chǔ)的典型建筑物案例如日本關(guān)西機場，在28年間下沉13.1m，并且仍以0.06m/年的速度下沉；又如比薩斜塔在840年間下沉3.0m，后經(jīng)加固才回歸至安全狀態(tài)；還有上海展覽中心在46年間下沉1.9m，造成許多使用功能的障礙[1]。

因此研究淤泥與淤泥質(zhì)土的特征與規(guī)律，將有助于保障建筑工程的安全與質(zhì)量。目前的研究大多集中在事前防范方面，如黃克豪等[2]研究了淤泥的固化，穆永亮等[3]研究了淤泥的治理方法，白杰等[4]研究了淤泥治理的應(yīng)用，李賽等[5]研究了淤泥的強度。但是在事后的淤泥基礎(chǔ)上進行糾正與補救的研究相對不足，基于此研究現(xiàn)狀，本文以實際工程為例，分析其沉降發(fā)生的過程與治理的措施，并從理論上剖析淤泥的特征，進而總結(jié)得出治理的方法與規(guī)律，從而為實踐應(yīng)用提供參考。

1 淤泥特征與區(qū)域分布

1.1 淤泥（質(zhì)）土的特征

淤泥與淤泥質(zhì)土是第四紀后期在靜水或非常緩慢的流水環(huán)境中沉積，并經(jīng)生物化學(xué)作用而形成的，其天然含水量大于液限值，天然孔隙比e≥1.0。兩者又以天然孔隙比進行區(qū)分：1.0≤e＜1.5定義為淤泥質(zhì)土，e≥1.5定義為淤泥。

淤泥、淤泥質(zhì)土相比于其他的巖土具有獨特的特征：①天然含水率高。含水率ω＞液限ωL，呈流塑狀態(tài)①；②孔隙比大、壓縮性高。孔隙比e≥1.0，平均壓縮系數(shù)α為3～5×10-4kPa-1；③土顆粒小、流變性大。小于0.005mm的顆?？蛇_100%以上[6]，流變性方面，靈敏度非常高，可達10以上，原狀土可直立，但晃動后會化成泥漿②；④抗剪強度低。不排水強度為10～20kPa，標準貫入擊數(shù)小于5，地基承載力小于100kPa，極端不排水強度小于10kPa；⑤滲透性差。通常滲透系數(shù)k≤1×10-8m/s,平均在1×10-8～1×10-10m/s之間，此類土構(gòu)成的地基沉降往往持續(xù)幾十年，甚至上百年也不能達到穩(wěn)定狀態(tài)[1]。

本文將這些特征概括為“三高與兩低”，即“高含水率、高壓縮性、高流變性”與“低強度、低滲透性”。

1.2 淤泥（質(zhì)）土的分布

淤泥（質(zhì)）土廣泛分布在我國的沿海地區(qū)以及內(nèi)陸地區(qū)，各省市區(qū)都存在小范圍的淤泥質(zhì)土，如表1所示。

表1 淤泥（質(zhì)）土在中國的分布

2 案例概況與沉降分析

2.1 案例概況

案例系某一正在使用的營銷中心，主體建筑的售樓處面積約為1000m2，分為兩層結(jié)構(gòu)；四周為配套的附屬設(shè)施，如樣板房、水池、綠化帶、走廊、雕塑等，占地面積約為3000m2。

房屋竣工三個月之后，配套工程產(chǎn)生明顯沉降，嚴重影響到營銷中心的正常使用。當時采用填充與墊高的維修方法（將面層掀起，填充碎石、黃砂等材料），但使用約三個月后又產(chǎn)生了與上次同樣的情況，連續(xù)發(fā)生此情況達三次（每次間隔約三個月，三次的維修方法也相同）。根據(jù)沉降實測報告，沉降的三次平均數(shù)值分別為82mm、67mm、54mm，如圖1、圖2所示。

圖1 外走廊處沉降約150mm

圖2 水池邊緣沉降約130mm

2.2 沉降原因分析

2.2.1 沉降三階段的概念分析

沉降主要發(fā)生在土壤結(jié)構(gòu)中，一般分為三部分：瞬始、固結(jié)、蠕變。表達為式（1）：

式中：St為總沉降量；Sd為瞬始沉降，系土剪切應(yīng)變形成；Sc為固結(jié)沉降，系土孔隙水在排出后及消散的過程中其骨架產(chǎn)生變形而形成；Ss為蠕變沉降，系孔隙水在消散后及骨架本身的蠕動變化而形成。

三部分按發(fā)生的時間順序，可劃分為三階段：一階段表現(xiàn)的主要形式為瞬始沉降，時間發(fā)生在建設(shè)開始至完成；二階段表現(xiàn)的主要形式為固結(jié)沉降，時間發(fā)生在建設(shè)完工后1～多年間；三階段表現(xiàn)的形式為蠕變沉降，時間發(fā)生在建設(shè)多年后，最長時間可達千年[1]。

沉降與時間呈非線性的正相關(guān)性?？傮w規(guī)律為先快后慢，反映在坐標軸（時間為橫軸，沉降為縱軸）第一象限內(nèi)為凸型曲線，起點位于坐標軸零點，終端無限接近于某一個與水平軸平行的一條直線或到達此直線。

2.2.2 沉降的定性分析

售樓處結(jié)構(gòu)：采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用直徑400mm預(yù)應(yīng)力管樁，深度達35m，穿透淤泥層到達⑤1層黏土層；地面結(jié)構(gòu)采用梁式筏板，梁斷面300x400mm、板厚200mm；外墻采用幕墻，內(nèi)墻采用普通加氣混凝土塊填充。

地質(zhì)情況：約60m深度范圍以內(nèi)分為4個大層與11個亞層，分別是素填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土（3亞層）、黏土（6亞層），詳見表2。初步推斷其中的淤泥質(zhì)土是造成不斷下沉的主因。

其中，第②1層淤泥質(zhì)土的含水率為43.0%，大于其液限值39.8%（呈液態(tài)狀），在外力作用下很容易發(fā)生變形，從而形成下沉的現(xiàn)象以及自身排水后的下沉；第②2層、第④層淤泥質(zhì)土類同。各土層的巖土特征及基本物理力學(xué)參數(shù)詳見表2。

表2 地基土層特征及力學(xué)參數(shù)（單位：fak（kPa））

表2中素填土、粉質(zhì)黏土與淤泥質(zhì)土的承載力特征值非常低，只有50～60kPa，在外荷載作用下，此部分土很容易產(chǎn)生下沉的現(xiàn)象，分析如圖3所示。

圖3 下沉原因分析示意圖

2.2.3 沉降的定量分析

根據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范[8]5.3.5，從理論方面進行沉降計算。地基內(nèi)的應(yīng)力分布可采用各向同性均質(zhì)線性變形體理論，最終沉降量可按式（2）計算：

其中，S為地基最終沉降量；S＇為按分層總和法計算出的沉降量；ψs為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，根據(jù)當?shù)爻两涤^測資料及經(jīng)驗確定。

按地質(zhì)勘探參數(shù)與式（2）對地基沉降進行計算，得出一年內(nèi)的沉降量為230mm，據(jù)觀測在約10個月內(nèi)三次累計總沉降量約為200mm,兩者數(shù)值比較接近。

式（2）計算得出的沉降量主要是由上部6層土引起，具體數(shù)量為：①1素填土5.8%、①2粉質(zhì)黏土15.6%、②1淤泥質(zhì)土35.2%、②2淤泥質(zhì)土26.6%、④淤泥質(zhì)土14.8%、⑤1黏土2.0%（圖4）。而第⑦1—⑦2層土由于其深度、含水率、承載力等原因，沉降基本穩(wěn)定。

圖4 六層土沉降所占比率圖

基于定性與定量分析認為沉降的主因是上部6層土，因此治理沉降的措施也集中在此部分。

2.2.4 沉降固結(jié)度分析

以均布荷載作用的固結(jié)考慮，根據(jù)太沙基單向固結(jié)理論，進行垂直固結(jié)度計算，按式（3）進行：

式中：Ut為固結(jié)度，，Cν為堅向固結(jié)系數(shù)（根據(jù)實驗測出），H為單面排水土層厚度（雙面排水時按50%取值）。根據(jù)式（3）計算得出地基平均固結(jié)度，繪制平均固結(jié)度-時間曲線，如圖5所示。

圖5 地基固結(jié)度累計值與時間曲線圖

建筑物使用近10個月，三次累計沉降量約為200mm，對應(yīng)平均固結(jié)度約為20%，1年時的平均固結(jié)度達到26%左右，完成達到接近100%的固結(jié)度需要約60年。

2.2.5 沉降的數(shù)量分析

目前尚無法精確計算淤泥、淤泥質(zhì)土的沉降量與時間之間的相關(guān)性，但可以采取經(jīng)驗法進行發(fā)展趨勢的定量估算。計算的方法有“雙曲線式”與“指數(shù)曲線式”。

（1）“雙曲線式”沉降計算

計算模型表達為式（4）：

式中：St為在時間（從施工期一半起算）的實測沉降量，S為待定的地基最終沉降量，a為經(jīng)驗參數(shù)。

增量值計算：根據(jù)式（4）計算得出一年內(nèi)沉降約230mm，隨著時間的推后增量值逐漸減少，使用10年后初步達到穩(wěn)定，60年以后基本穩(wěn)定。繪制沉降增量值與時間曲線圖，如圖6所示。

圖6 雙曲線式沉降“增量”值曲線圖（mm）

累計量計算：同樣采用“雙曲線式”與式（4）計算得出累計量，隨著時間的推后增量值逐漸增大，使用10年后初步達到穩(wěn)定（累計沉降量達571mm），60年以后基本穩(wěn)定 （累計沉降量達846mm）。繪制沉降增量值-時間曲線圖，如圖7所示。

圖7 雙曲線式沉降“累計”值曲線圖（mm）

（2）“指數(shù)曲線式”沉降計算

計算模型表達為式（5）：

式中：e為自然指數(shù)，a為經(jīng)驗參數(shù)。利用實測的s-t曲線資料，可求得地基最終沉降量s值，并可推算任意時間t的沉降量st。

增量值計算：根據(jù)式（5）計算得出一年內(nèi)沉降約221mm，隨著時間的推后增量值逐漸減少，使用10年后初步達到穩(wěn)定，60年以后基本穩(wěn)定。繪制沉降增量值與時間曲線圖，如圖8所示。

圖8 指數(shù)曲線式沉降“增量”值曲線圖（mm）

累計量計算：同樣采用“指數(shù)曲線式”與式（5）計算得出累計量，隨著時間的推后增量值逐漸增大，使用10年后初步達到穩(wěn)定（累計沉降量達538mm），60年以后基本穩(wěn)定（累計沉降量達833mm）。繪制沉降增量值-時間曲線圖，如圖9所示。

圖9 指數(shù)曲線式沉降“累計”值曲線圖（mm）

（3）兩種方法比較

增量值：雙曲線式計算得出1年內(nèi)沉降量為230mm，而指數(shù)曲線式為221mm；使用10年后前者是12mm，后者是11mm；使用60年后前者是2mm,后者是1.8mm。

累計值：雙曲線式計算得出1年內(nèi)沉降量為230mm，而指數(shù)曲線式為221mm；使用10年后前者是571mm，后者是549mm；使用60年后前者是846mm,后者是833mm。

總體上兩者非常接近。參考其他淤泥質(zhì)土的沉降，如上海市城區(qū)地面從1920年至1991年共71年間沉降量達1.8m[1]，以上海市城區(qū)地面沉降為參照，本案例中附屬物的沉降計算值相對偏小。而案例中的建筑物售樓處由于采用了樁基礎(chǔ)，避免了沉降的問題。

針對淤泥、淤泥質(zhì)土宜優(yōu)先采用事先進行治理與防范的辦法，但該案例工程在沒有處理淤泥質(zhì)土的情況下就進行附屬物建設(shè)，造成不斷沉降的現(xiàn)象，因此需要對其進行彌補性的治理，保障其正常的使用。

3 治理方案遴選的過程

（1）基本原則。維修方案要解決的根本問題是下沉問題，以及在技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性之間選擇一個合適的平衡點，力求以技術(shù)上最可行、經(jīng)濟上最節(jié)約的方法解決沉降問題。

（2）可行性原則。要徹底解決問題，需遴選出一個經(jīng)濟上相對合理，技術(shù)上可操作，性價比最高的最可行方案（即“非至善之策，卻是現(xiàn)實之策”）。

（3）遴選方案。基于保障現(xiàn)有售樓處的白天正常營業(yè)為原則，只能選擇在晚上進行施工維修。針對此情況，維修前制定了三個方案，逐步選擇與變通。這些方案各具特色與優(yōu)缺點，通過對比選擇其中最適合的一個方案進行實施。

3.1 方案一：預(yù)制小型樁基礎(chǔ)

首先考慮采用樁基方案，即用樁基與上部蓋板進行受力的體系，如圖10所示。

圖10 方案一示意圖

（1）技術(shù)與經(jīng)濟分析。小型打樁機將0.3x0.3m小方樁打入到第⑤1層黏土層，長度約30m，此層土的承載力特征值為150kPa，樁的受力類型為摩擦端承樁。方樁為支撐體系，方樁間隔為2m，樁之間用0.3x0.3圈梁連結(jié)，最上面現(xiàn)澆混凝土130mm的頂板，概算費用約100萬元。

（2）可行性。此方案可以徹底解決售樓處配套工程的下沉問題，但也存在明顯的缺點，打樁的機器體形相對較大，停在售樓處嚴重影響售樓處的形象。其次是在打樁的過程中會產(chǎn)生擠土效應(yīng)，影響售樓處的樁基安全。此方案經(jīng)評估后予以否決。

3.2 方案二：水泥土圍合擋墻

其次考慮水泥攪拌樁擋墻方案，如圖11所示。

圖11 方案二示意圖

（1）技術(shù)與經(jīng)濟分析。用小型攪拌機在售樓中心四周進行攪拌，擋墻深度約20m，形成一個圍合結(jié)構(gòu)，在圍合結(jié)構(gòu)內(nèi)再進行表層換填式的三合土處理。按水泥摻入量15%形成水泥土擋墻，寬度約2m左右，深度為20m，費用概算約50萬元。

（2）可行性。此方案能部分解決售樓處四周的下沉問題，優(yōu)點是施工的機器小，經(jīng)濟費用低。但也存在缺陷，即不能徹底解決圍合范圍內(nèi)的土自身沉降問題，只能相對減緩下沉量。

3.3 方案三：全部水泥攪拌改良土

考慮水泥攪拌改良外圍全部的土，提高淤泥質(zhì)土的力學(xué)性能，如圖12所示。

圖12 方案三示意圖

（1）技術(shù)與經(jīng)濟分析。用小型攪拌機在售樓處四周區(qū)域內(nèi)進行攪拌，深度約20m，平面間距約2m，形成一個固態(tài)土支撐體系，可極大增加此部分土的承載力，減小進一步沉降的數(shù)量。費用概算約150萬元。

（2）可行性。此方案能徹底解決售樓處配套工程的下沉問題，優(yōu)點是施工的機器小，施工方便。

3.4 方案選擇

最終以方案三作為該工程的最優(yōu)選擇，使得售樓處在白天可正常進行接待工作，晚上工程人員可進行施工，如圖13、圖14所示。

圖13 夜晚小型機器施工

圖14 白天停工（鋼筋配置）

4 淤泥基礎(chǔ)處理

4.1 處理目的

針對淤泥（質(zhì)）土的“三高兩低”特征，對地基在一定范圍內(nèi)的淤泥（質(zhì)）土采取處理措施，達到克服其弱點的目的。主要包括：（1）降低土的含水率，降低土的變形量；（2）降低土的壓縮性，減小地基的變形量；（3）改善土的受力特性，防止土體液化與流變；（4）提高土的抗剪強度，提高地基承載力；（5）改善土的滲透性，減少滲流量，防止地基滲透破壞。

經(jīng)過處理的淤泥（質(zhì)）土，需達到滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的要求。而案例中的治理正是降低了“含水率、壓縮率、流變性”（采用水泥攪拌土，將三者進行了改良），提高了“強度”，從而達到了治理的目的。

4.2 補救方法

針對類似工程，在沒有及時處理淤泥、淤泥質(zhì)土后就進行了建筑物的施工，而在后期出現(xiàn)與案例的類似問題，如沉降、傾斜，則需要在后期進行補救處理，補救措施可采用以下3種方法。

4.2.1 組合樁受力與樁間軟土固化

采用“預(yù)制管樁”+“高壓旋噴樁”剛?cè)嵝詷督M合的處理方案，管樁穿透軟土層進入下部較好地層1m深度以上，在高壓旋噴樁內(nèi)插管樁之間空隙區(qū)域攪拌處理樁間土。兩種樁型配合使用可有效控制后期沉降，施工設(shè)備簡便，操作簡單。上海某物流倉庫軟土地基沉降加固[9]就采用了此方法，治理效果明顯。

4.2.2 托換（樁）法

托換法：①補救性托換。如加拿大特朗斯康谷倉倒塌后，用深入基層的基礎(chǔ)托換原來的基礎(chǔ)，將其重新扶正；②維持性托換。形成樹根樁，加固維持原有結(jié)構(gòu)體系，如蘇州虎丘斜塔采用基礎(chǔ)部位注漿形成類似樹根樁的形式，加強維持原來的受力體系。

4.2.3 化學(xué)加固法

將化學(xué)漿液注入到地基中，使其與地基中淤泥或淤泥質(zhì)土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，膠結(jié)成新的堅硬物質(zhì)，從而提高地基強度，消除液化并減少沉降量。常用的材料有水泥漿液、水玻璃為主劑的漿液，丙烯酰胺為主的漿液，紙漿廢液為主的漿液等。目前施工中主要以水泥漿液為主，其他三種不常用。本案例選用水泥漿液處理。

5 淤泥基礎(chǔ)防范的方法

事后處理只能起到補救作用，針對淤泥與淤泥質(zhì)土更應(yīng)該采用事前防范與治理。治理淤泥、淤泥質(zhì)土有多種方法，但根據(jù)加固的方法，可以分為四個類型：置換法、加密法、膠結(jié)法、加筋法，四個分類中又可根據(jù)工藝再分出子類。

5.1 置換法

置換回填法從理論上判斷是最簡便的辦法，即將基礎(chǔ)中淤泥與淤泥質(zhì)土挖出，再分層換填強度大、壓縮性小、性能穩(wěn)定的材料，并壓實至要求的密實度，作為地基的持力層。

填充材料：砂石是常用的換填材料，最容易施工；灰土、水泥土或三合土是次優(yōu)選擇；建筑碎磚、混凝土等廢料的利用也是很普遍的做法；生活垃圾焚燒爐渣、礦渣也可以進行回填。

5.2 加密（排水）法

加密的方法類似于普通黏土的機械壓實法或強夯法，但淤泥、淤泥質(zhì)土不能用機械壓實法或強夯法進行治理，否則會變?yōu)閺椈赏?。加密只能針對其特性進行排水，方法有以下幾種：

（1）堆載預(yù)壓法。使用材料、機具簡單，施工操作方便，但堆載預(yù)壓需要一定的時間，適合工期要求寬松的項目，同時需要大量的堆載材料；

（2）真空預(yù)壓法。真空預(yù)壓法是軟土地基處理的一種措施，最早由瑞典學(xué)者Kjellman在1952年提出[10]，近年來在陸域吹填軟土地基工程中得到了廣泛應(yīng)用[11]，隨著土工膜和豎向排水板（PVDs）的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展，也是目前海灘涂治理的主要方法；

（3）聯(lián)合排水固結(jié)法。采用真空預(yù)壓法聯(lián)合堆載預(yù)壓法的方法進行排水固結(jié)，效果更好、時間更快，是目前治理發(fā)展的趨勢；

（4）電滲法。電滲法具有使軟土快速固結(jié)，對土體擾動小以及加固效果不受土顆粒大小影響等優(yōu)點，可用于磷酸土、高嶺土、超軟土、疏浚淤泥等軟土的加固處理；

（5）拋石擠淤法。用片石投入軟土中，將淤泥擠出，以提高地基強度。此法在沿海地區(qū)的地基加固工程中應(yīng)用廣泛，如深圳前海的淤泥處理。

5.3 膠結(jié)法

（1）生物酶固結(jié)法。生物酶改良土通過它的化學(xué)作用產(chǎn)生反應(yīng)酶，這種酶可以通過離子置換作用被黏土吸附，從而使土粒吸附水的能力減弱，親水性降低，且土粒吸水膨脹的傾向得到削弱，可以形成防水土層，對水產(chǎn)生屏蔽作用。生物酶對環(huán)境無污染，經(jīng)濟成本較低，是合適的新型土固化劑[12]。

（2）化學(xué)加固法。內(nèi)容同上文所述，有機質(zhì)的淤泥、淤泥質(zhì)土可摻入添加劑，以平衡有機酸，提高水泥土強度。

（3）水泥漿液固化劑中使用添加劑。在淤泥、淤泥質(zhì)土的處理中，也可以在水泥漿中加入粉煤灰、工業(yè)鹽作為固化劑進行地基處理。如添加10%粉煤灰和3%工業(yè)鹽成樁效果更好，且止水帷幕能防范滲漏點，達到了提高水泥土強度效果[13]。

5.4 加固支撐（樁）法

加固支撐法相當于用材料形成樁的形式，即用砂、碎石、混合材料等作為載體。

（1）擠密法。擠密法有兩種類型：①砂石樁擠密。將樁套管插入淤泥或淤泥質(zhì)土中，砂石與淤泥形成復(fù)合地基，提高地基承載力與整體穩(wěn)定性。并且由砂石樁承載主要的上部荷載，且砂石樁形成排水通道，上海寶鋼項目中就曾用此法[14]；②灰土擠密樁。用石灰與黏土按體積二八或三七比例拌勻，打入淤泥或淤泥質(zhì)土中，起到加固的作用。

（2）干式振沖法。干式振沖法的砂石樁與水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）也可用于處理淤泥與淤泥質(zhì)土，原理同擠密樁。

（3）托換法（樁）。托換法有三種：①補救性托換；②預(yù)防性托換；③加強性托換。如樹根樁植入深層承載力高的土層中，形成樹根樁為主要受力的體系，起到加強地基支撐的作用。

6 結(jié)論

本文首先通過對淤泥、淤泥質(zhì)土的分析，總結(jié)出其規(guī)律與特征；然后通過具體案例得出治理淤泥、淤泥質(zhì)土的規(guī)律。淤泥、淤泥質(zhì)土工程宜進行事先防范，治理其“三高兩低”的弱點，這是治理問題的根源；而事后出現(xiàn)淤泥、淤泥質(zhì)土所產(chǎn)生的工程問題時，需要從定性與定量方面找出問題的原因所在，然后“對癥下藥”，達到治理效果；淤泥、淤泥質(zhì)土的治理，需要服務(wù)于或兼顧項目的經(jīng)營行為才具有可行性，以避免紙上談兵而無法實施。

注：

①在我國將含水量達60%的土歸為很軟的土類；淤泥極端的含水率，如墨西哥城淤泥含水率能高達到400%；

②上海與寧波一帶濱海相淤泥的靈敏度達4～10（1～2為低靈敏度、2～4為中靈敏度、4～8為高靈敏度、8～16為極靈敏性、16以上為流性）。