第23卷 第17期
岩石力学与工程学报 23(17)：2998～3002
2004年9月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Sept .，2004
2003年3月10日收到初稿，2003年5月8日收到修改稿。
作者 崔红军 简介：男，39岁，1999年于武汉大学土木工程系获岩土工程专业硕士学位，现任讲师，主要从事岩土工程方面的教学与科研工作。E-mail ：Hjcui2000@163 。
崔红军1 吕小林2 王孝明3
(1武汉大学土木建筑工程学院 武汉 430072) (2武山铜矿 瑞昌 332204) (3武汉钢铁(集团)公司技术改造部 武汉 430080)
摘要 软土地基处理方法很多，不同方法的处理效果、费用、工期相差悬殊，往往不能兼顾。结合排水板(排水砂井)的逐级加荷法费用省、效果好，但工期较长。武山铜矿新尾矿库堆石坝施工中使用较大的单 层荷载，以湖积软土地基孔隙水压力测试为主，结合其他测试方法控制堆载进度，既保证了地基稳定性，又使工期较短，达到了兼顾地基处理效果、工期和费用的目的，可供类似工程借鉴。 关键词 岩土工程，湖积软土，堆石坝，分级加荷，稳定性测试 厂房屋顶光伏发电分类号 TU 47 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)17-2998-05
REINFORCEMENT METHOD OF LACUSTRINE SOFT SOIL FOUNDATION
Cui Hongjun 1，Lu Xiaolin 2，Wang Xiaoming 3
(1College of Civil and Construction Engineering ，Wuhan University ， Wuhan 430072 China )
碳素消字灵(2Wushan Copper-Mine ， Ruichang 332204
China )
(3Technology Reform Department ，Wuhan Steel and Iron Company ， Wuhan 430080
China )
Abstract There are many engineering methods to reinforce soft soil foundation. For different method
s ，the effect ，cost and construction period may be very different ，and it is difficult to consider all the aspects well. The step-loading method combined with draining-board has advantages of low cost and good result to soft soils ，but the construction period is quite long. In the engineering of rockfill dam for new tailing storage of Wushan copper-mine ，a large single layer loading method was used to reinforce the lacustrine soft soil foundation. The data of pore water pressure of foundation together with other parameters were used to control the loading speed. The stability of foundation was kept and the construction period was shortened. With the presented method ，the cost ，effect and construction period can be well considered simultaneously.
Key words geotechnical engineering ，lacustrine soft soil ，rockfill dam ，step-loading ，stability measurement
1 引 言
软土地基的工程性质很差，但软土具有土体强度随固结过程逐步增加的特性，因此，若工程允许有较大的变形量和一定的工期，可以利用软土的这种工程特性，取得较好的经济效益。为了加快地基的固结，施荷前通常先在地基中设置排水砂井或塑料排水板，使地基由一维固结变为三维固结，且最
大排水距离大大减少。施荷时采用逐级加荷的方法，通过测试地基的孔隙水压力变化和(或)水平向、
短期负荷预测铅直向变形，控制每级荷载的量级与相邻两次加荷的间隔时间，使总荷载总是小于逐步增长的地基强度，则可确保工程安全。据文献资料介绍，软土上的逐级加荷法可用于大面积场地堆载预压[1，2]
和高速公
路路堤堆筑[3
～6]
等类工程。
武山铜矿新尾矿库堆石坝拟建在湖底新近沉积软土之上，工期要求短，每层堆筑荷载量、总荷载
第23卷 第17期 崔红军等. 湖积软土地基的处理方法 • 2999 •
量均较大，与以往工程有所不同。为确保地基稳定性，同时尽量加快施工进度，工程中进行了地基孔隙水压力、地表总沉降、深层沉降、地基水平位移等4项测试，根据测试资料确定地基稳定性，控制施工进度，取得了很好的效果。
2 地基处理设计
武山铜矿新尾矿库1#
尾矿坝的初级堆石坝坝长约280 m ，底宽47 m ，堆坝起始标高为13.3 m ，设计坝顶高程为23 m ，加上地基沉降，实际坝高大于11 m ，总荷载量约220 kPa 。 2.1 地基土性质参数
据工程地质勘察资料来看，坝底土层为新近沉积的淤泥～淤泥质土，厚度为8～12 m ，其浅层为软塑～流塑状态的淤泥，含水量=w 80.3%，渗透系数=v k 1.14×10－5
cm/s ，k h = 1.28×10－5
cm/s ，压缩系数a v = 1.96 MPa －
1，a h = 2.66 MPa －
1，孔隙比e =
2.229，地基承载力为50 kPa ；随着深度增加，土体逐步过渡为可塑～硬塑状态的淤泥质土，含水量
挤压件
w = 35.09%，渗透系数k = 1.6×10
－7
cm/s ，压缩系
数a 1-2 = 0.76 MPa －
1，孔隙比e = 0.981。地基土状态逐步过渡，其物理性质、渗透、变形性质指标介于上述2组数据之间。进行地基处理设计时，对上述2组参数都进行验算。 2.2 排水板布设计算
在地基中插入塑料排水板，土体受荷后会发生向着排水板的水平向排水固结和向地表的竖向排水固结，由于竖向固结最大排水距离比水平向最大排水距离大得多，因此计算地基固结度时忽略竖向固结对总固结度的影响，则某级荷载施加后的地基固结度为[7]
)
(8h h h e
1n F T z U U −−=≈ (1)
式中：t d C T 2
e h
h =
为水平向固结的时间因数；=)(n F 2
22241
3)ln(1n n n n n −−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−；w h h h )1(γa e k C +=为水平向固结系数；t 为施荷后时间；n 为
井径比，n = d e / d w ，d e
为排水板排水范围等效圆直径，d w 为排水板等效圆直径，π
)
(2w δα
+=b d ，其中，b ，δ为排水板的宽度和厚度，α为经验系数。
规范规定[8]，α取为0.75～1.0，按照常规排水
板(100 mm ×3 mm)计算，d w = 50～66 mm ，但有关专家根据工程实践总结[9]，d w 可取为70 mm 。
将式(1)转换，则地基达到某固结度所需时间为
)1ln()(8h 2
e
h
z U t d n F c −=− (2) 由式(2)算得，取排水板间距为1 500 mm(d e =
1 575 mm)时，某级荷载施加之后，按照2组土体性
质参数，地基固结度达80%所需时间分别为0.86和
32.1 d 。由于地基的性质参数介于2组参数之间，因此，某级荷载下，地基达80%固结度所需时间应为
15 d 左右。经综合分析，为确保地基稳定性，塑料排水板的平面布置取间距为1.5 m 的正三角形排列
(见图1，2)，点距为1.5 m ，排距为1.3 m 。每一层堆筑的控制时间初步确定为15 d ，堆筑期间同步进行地基稳定性测试，根据测试资料反映的地基固结情况，再对堆筑间隔时间进行调整。
图1 排水板平面布置示意图
Fig.1 Schematic diagram of plane arrangement of drain board
图2 地层、排水板剖面布置图 Fig.2 Profile of foundation soil and drain board
3 施工方法
由于湖底表层软弱淤泥承载不了排水板插板机的重量，设计中采用了围堰(堆石坝)施工的方法，围堰平面位置见图3。尾矿坝外侧本来就设计有截
• 3000 • 岩石力学与工程学报 2004年
图3 堆石坝平面布置示意图
Fig.3 Schematic diagram of rockfill dam site
污堤，故使其承担双重功能，施工期作为外围堰。
内、外围堰初期施工后，坝底采用抽淤填土法初步加固场地，即用泥浆泵抽走湖底流态淤泥，再填上一层粘性土以保证场地强度能满足施工要求。粘性土上铺一层粗～中砂，作为水平向排水通道。砂层铺设后用插板机按设计参数插入排水板，排水板露出地表约20 cm，折转埋入砂层，再盖上一层600 g/m2的无纺土工布以保护砂层(见图2)。在设计中，截污堤与堆石坝之间布置有截污沟，施工期作为集水沟，故该处排淤后未作回填。
坝体采用分层碾压法填筑。考虑到工期紧迫，而块石材料较易达到设计要求的密实度，每层填筑厚度选取为0.8～1.2 m(约20 kPa)。因荷载量较大，施工中密切关注地基稳定性测试资料，根据测试资料确定进一步施工方案。
4 施工期地基稳定性测试
由于湖底淤泥质土层厚度不等，强度差异大，且单层荷载比一般工程大，为确保工程的安全，按设计要求，施工过程中同步进行4项测试：地基孔隙水压力测试、地基水平位移测试、地表总沉降测试和深层沉降测试。测试点位置见图3。
测试间隔时间根据坝体堆筑进度和地基稳定性确定，堆筑进度较慢时，每4～5 d测试一次；堆筑进度较快时，每3 d测试一次；在地基超静孔隙水压力较大，地基出现临界稳定状态时，每天都进行孔隙水压力测试。测试资料及时整理，成果反馈给监理和施工人员，作为控制施工进度、合理安排工序的依据。典型孔隙水压力测试曲线见图4～6。孔隙水压力时程曲线反映了地基孔隙水压力随堆载的增加及堆载后的消散情况，再综合分析其他3项测试资料，作为控制堆载进度主要依据。
图4 坝轴线地基孔隙水压力时程曲线Fig.4 Pore water pressure-time curves in foundation of rockfill dam
图5 坝外地基孔隙水压力时程曲线
Fig.5 Pore water pressure-time curves in foundation outside rockfill dam
由于施工期降雨频繁，降雨影响石料的开采和运输，很多时候块石供应不上，影响工程进度。在天气连续晴好时，施工队伍为了抢进度，块石进场量会突然大增。同一层位用较快的速度完成是可行的，但在进行新一层的堆筑之前，要分析地基孔隙水压力的变化，看地基在前一级荷载下是否完成了
第23卷第17期崔红军等. 湖积软土地基的处理方法
• 3001 •
图6 截污堤地基孔隙水压力时程曲线
Fig.6 Pore water pressure-time curves in foundation of
sewage-disposal levee
适当的固结、强度是否得到了足够的增加，以此来判断何时可以开始施工。比如，由于前一阶段堆筑过程中，坝轴线2#点的孔隙水压力一直随堆载上升，但间隔期消散很慢(见图4)，到2002年10月中旬，该处孔隙水压力已达到控制堆载量的临界值[10](附加应力的1/2)，该测试资料及时反馈给监理和施工人员后，作出了暂停施工的决策，待地基固结稳定后，再进一步加荷，从而保证了工程的安全。
5 测试成果分析
5.1孔隙水压力测试成果分析
分析堆载过程中地基孔隙水压力测试资料(见图4～6)，可得出如下几点规律：
(1) 坝体之下的可压缩土层中，孔隙水压力随着荷载的增加→间歇→增加→间歇过程，出现上升→消散
→上升→消散的变化规律，但各处孔隙水压力的上升幅度与消散速度有所不同(见图4)，说明地基即使受荷相同，固结过程也并不一致。
(2) 虽然堆石坝外土层中最大水平向位移近300 mm(见图7)，但该处地基中的孔隙水压力几乎不随堆坝过程发生变化(见图5)，说明在进行排水固结的地基处理时，逐步固结的坝底土层承担了绝大部分的荷载，附加应力几乎不向外扩散。
(3) 坝底近地表处附加应力最大，但该处的孔隙水压力几乎不随堆载变化(见图4“10#点标高11.53 m”线)，分析其原因为：第1是浅表土层渗透系数大(10－5 cm/s量级)；第2是排水距离短，土体可以水平向排水，也可以铅直向上排水，因而固结、排水较快。按照计算，仅考虑水平固结的因素，渗透系数为k h= 1.28×10－5 cm/s，地基受荷后达到
图7 堆石坝旁侧地基水平位移图
Fig.7 Horizontal movement of foundation beside rockfill dam
燃烧炉80%固结度只需0.86 d，而堆载总有一个过程，且测试并不是在堆载后马上进行，因此该深度处测得的孔隙水压力几乎没有变化(超静孔隙水压力已消散)。
(4) 据截污堤地基中埋设的3组孔隙水压力计所测资料(见图6)，其地基中的孔隙水压力随着截污堤的堆高而增加(产生超静孔隙水压力)，其后随时间缓慢下降(超静孔隙水压力消散，地基固结)，但孔隙水压力几乎不随湖水位的升降发生变化。自5月7日至9月3日，湖水位上涨2.5 m(25 kPa水压力)，但孔隙水压力只在截污堤堆高时上升，其他时候不升反降；10月中旬～11月初，湖水位随长江水位下降3 m多(水压力应下降30 kPa)，但地基孔隙水压力变化未有此趋势。
5.2地基水平位移测试成果分析
为掌握坝基土层的水平位移情况，坝体堆筑前，在堆石坝内侧5个钻孔处埋设了测斜管，随着堆载进程测试地基的水平位移状况。从测试资料(图7)可知，地基水平位移从淤泥质土层底部开始向上逐渐增加，到9～11 m高程处(距原地面2～4 m)水平位移量达到最大值。沿大坝长度方向，中部水平位移量较小(100 mm左右)，向两端水平位移逐步增加，东部水平位移量最大，达到近300 mm。一方面是由于该位置土质较软(与沉降量最大相应)，另一方面是由于该处东北的突出山嘴限制了地基侧移，地基只能向另一侧位移，使总位移增大。
5.3深层沉降测试成果分析
分析坝轴线深层沉降测试资料(图8)，原地表下2～4 m深度处土层的单位厚度压缩量最大，向下随深度增加而逐步减小，与地基附加应力分布规律相应，也与水平位移测试数据相吻合(该深度处水平位移量最大)。0～2 m处测得的单位厚度压缩量较小，是由于整理场地时表层回填了一层残积粘性土(见图2)，其压缩性远比淤泥质土小，且其荷载使浅层
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图8 坝基深层沉降曲线
Fig.8 Deep settlement of rockfill dam foundation
淤泥质土预先发生部分压缩的缘故。
5.4地表总沉降测试成果分析
地表总沉降与地层分布规律及堆坝高度相应，与孔隙水压力测试规律相吻合。堆石坝之下，地表沉降随荷载的增加而增大，坝轴线部位沉降达1 000 mm以上，最大达1 412 mm(图9)，自西向东，因淤泥质土层厚度增大，总沉降逐步增加。堆石坝外的地表总沉降较小，坝体南侧为100～200 mm。北侧集水沟内的地表总沉降分为2种情况：中段地表随坝体堆载逐步下沉，总沉降为100～200 mm；而东、西两端各有一处地表有隆起现象，其过程与其北侧截污堤的堆高、下沉相对应，最大隆起量为185 mm。截污堤因自身荷载而产生了250 mm以上的沉降，由于其下没有布设排水板，故固结沉降完成速度较慢。
图9 地表总沉降曲线
Fig.9 Settlement of ground surface
6 结论
(1) 湖底淤泥～淤泥质土这种土层结构的物理、力学性质随深度而变化；由于沉积环境不同，在平面上各处的物理、力学性质也有较大差异。地基的不同部位(平面上和深度上)即使受荷相同，孔隙水压力的上升幅度与消散速度(反映地基固结的完成)也可能差异很大，因此软弱土地基上的堆载必须以地基稳定性测试资料(主要为孔隙水压力测试数据)作为施工指导，控制堆载强度与进度。
(2) 经过增加排水通道处理后的的软土地基，受荷后以竖向变形为主，虽然地基也存在一定的水平变形，但坝外地基的孔隙水压力随坝体堆荷的变化很小，因而工程设计中可考虑适当减少坝体地基两侧排水板的扩展范围。地基变形及孔隙水压力测试点的布置也可考虑多布坝内，少布坝外。
(3) 武山铜矿新尾矿库堆石坝软土地基的处理设计合理，用该处理方法控制地基稳定性效果显著，使软土上堆石坝的每层施工可以使用较大荷载量(厚1.0 m左右，荷载量约20 kPa)，这种工法工期短，施工方便，且能保证地基稳定性，可为类似工程所借鉴。
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