淤泥、淤泥质土地基的特征与处理研究——以浙江宁波某项目沉降的治理过程为例

张振海

（上海新荣阳投资控股集团，上海 200082）

0 引言

基础是建筑工程中最重要的组成部分之一，与建筑物的安全和质量息息相关，其成本约占总成本的20%左右，而其中的淤泥与淤泥质土基础在成本、安全、质量方面的影响则更加突出。涉及淤泥与淤泥质土基础的典型建筑物案例如日本关西机场，在28年间下沉13.1m，并且仍以0.06m/年的速度下沉；又如比萨斜塔在840年间下沉3.0m，后经加固才回归至安全状态；还有上海展览中心在46年间下沉1.9m，造成许多使用功能的障碍[1]。

因此研究淤泥与淤泥质土的特征与规律，将有助于保障建筑工程的安全与质量。目前的研究大多集中在事前防范方面，如黄克豪等[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]研究了淤泥治理的应用，李赛等[5]研究了淤泥的强度。但是在事后的淤泥基础上进行纠正与补救的研究相对不足，基于此研究现状，本文以实际工程为例，分析其沉降发生的过程与治理的措施，并从理论上剖析淤泥的特征，进而总结得出治理的方法与规律，从而为实践应用提供参考。

1 淤泥特征与区域分布

1.1 淤泥（质）土的特征

淤泥与淤泥质土是第四纪后期在静水或非常缓慢的流水环境中沉积，并经生物化学作用而形成的，其天然含水量大于液限值，天然孔隙比e≥1.0。两者又以天然孔隙比进行区分：1.0≤e＜1.5定义为淤泥质土，e≥1.5定义为淤泥。

淤泥、淤泥质土相比于其他的岩土具有独特的特征：①天然含水率高。含水率ω＞液限ωL，呈流塑状态①；②孔隙比大、压缩性高。孔隙比e≥1.0，平均压缩系数α为3～5×10-4kPa-1；③土颗粒小、流变性大。小于0.005mm的颗粒可达100%以上[6]，流变性方面，灵敏度非常高，可达10以上，原状土可直立，但晃动后会化成泥浆②；④抗剪强度低。不排水强度为10～20kPa，标准贯入击数小于5，地基承载力小于100kPa，极端不排水强度小于10kPa；⑤渗透性差。通常渗透系数k≤1×10-8m/s,平均在1×10-8～1×10-10m/s之间，此类土构成的地基沉降往往持续几十年，甚至上百年也不能达到稳定状态[1]。

本文将这些特征概括为“三高与两低”，即“高含水率、高压缩性、高流变性”与“低强度、低渗透性”。

1.2 淤泥（质）土的分布

淤泥（质）土广泛分布在我国的沿海地区以及内陆地区，各省市区都存在小范围的淤泥质土，如表1所示。

表1 淤泥（质）土在中国的分布

2 案例概况与沉降分析

2.1 案例概况

案例系某一正在使用的营销中心，主体建筑的售楼处面积约为1000m2，分为两层结构；四周为配套的附属设施，如样板房、水池、绿化带、走廊、雕塑等，占地面积约为3000m2。

房屋竣工三个月之后，配套工程产生明显沉降，严重影响到营销中心的正常使用。当时采用填充与垫高的维修方法（将面层掀起，填充碎石、黄砂等材料），但使用约三个月后又产生了与上次同样的情况，连续发生此情况达三次（每次间隔约三个月，三次的维修方法也相同）。根据沉降实测报告，沉降的三次平均数值分别为82mm、67mm、54mm，如图1、图2所示。

图1 外走廊处沉降约150mm

图2 水池边缘沉降约130mm

2.2 沉降原因分析

2.2.1 沉降三阶段的概念分析

沉降主要发生在土壤结构中，一般分为三部分：瞬始、固结、蠕变。表达为式（1）：

式中：St为总沉降量；Sd为瞬始沉降，系土剪切应变形成；Sc为固结沉降，系土孔隙水在排出后及消散的过程中其骨架产生变形而形成；Ss为蠕变沉降，系孔隙水在消散后及骨架本身的蠕动变化而形成。

三部分按发生的时间顺序，可划分为三阶段：一阶段表现的主要形式为瞬始沉降，时间发生在建设开始至完成；二阶段表现的主要形式为固结沉降，时间发生在建设完工后1～多年间；三阶段表现的形式为蠕变沉降，时间发生在建设多年后，最长时间可达千年[1]。

沉降与时间呈非线性的正相关性。总体规律为先快后慢，反映在坐标轴（时间为横轴，沉降为纵轴）第一象限内为凸型曲线，起点位于坐标轴零点，终端无限接近于某一个与水平轴平行的一条直线或到达此直线。

2.2.2 沉降的定性分析

售楼处结构：采用钢筋混凝土框架结构，基础采用直径400mm预应力管桩，深度达35m，穿透淤泥层到达⑤1层黏土层；地面结构采用梁式筏板，梁断面300x400mm、板厚200mm；外墙采用幕墙，内墙采用普通加气混凝土块填充。

地质情况：约60m深度范围以内分为4个大层与11个亚层，分别是素填土、粉质黏土、淤泥质土（3亚层）、黏土（6亚层），详见表2。初步推断其中的淤泥质土是造成不断下沉的主因。

其中，第②1层淤泥质土的含水率为43.0%，大于其液限值39.8%（呈液态状），在外力作用下很容易发生变形，从而形成下沉的现象以及自身排水后的下沉；第②2层、第④层淤泥质土类同。各土层的岩土特征及基本物理力学参数详见表2。

表2 地基土层特征及力学参数（单位：fak（kPa））

表2中素填土、粉质黏土与淤泥质土的承载力特征值非常低，只有50～60kPa，在外荷载作用下，此部分土很容易产生下沉的现象，分析如图3所示。

图3 下沉原因分析示意图

2.2.3 沉降的定量分析

根据地基基础规范[8]5.3.5，从理论方面进行沉降计算。地基内的应力分布可采用各向同性均质线性变形体理论，最终沉降量可按式（2）计算：

其中，S为地基最终沉降量；S＇为按分层总和法计算出的沉降量；ψs为沉降计算经验系数，根据当地沉降观测资料及经验确定。

按地质勘探参数与式（2）对地基沉降进行计算，得出一年内的沉降量为230mm，据观测在约10个月内三次累计总沉降量约为200mm,两者数值比较接近。

式（2）计算得出的沉降量主要是由上部6层土引起，具体数量为：①1素填土5.8%、①2粉质黏土15.6%、②1淤泥质土35.2%、②2淤泥质土26.6%、④淤泥质土14.8%、⑤1黏土2.0%（图4）。而第⑦1—⑦2层土由于其深度、含水率、承载力等原因，沉降基本稳定。

图4 六层土沉降所占比率图

基于定性与定量分析认为沉降的主因是上部6层土，因此治理沉降的措施也集中在此部分。

2.2.4 沉降固结度分析

以均布荷载作用的固结考虑，根据太沙基单向固结理论，进行垂直固结度计算，按式（3）进行：

式中：Ut为固结度，，Cν为坚向固结系数（根据实验测出），H为单面排水土层厚度（双面排水时按50%取值）。根据式（3）计算得出地基平均固结度，绘制平均固结度-时间曲线，如图5所示。

图5 地基固结度累计值与时间曲线图

建筑物使用近10个月，三次累计沉降量约为200mm，对应平均固结度约为20%，1年时的平均固结度达到26%左右，完成达到接近100%的固结度需要约60年。

2.2.5 沉降的数量分析

目前尚无法精确计算淤泥、淤泥质土的沉降量与时间之间的相关性，但可以采取经验法进行发展趋势的定量估算。计算的方法有“双曲线式”与“指数曲线式”。

（1）“双曲线式”沉降计算

计算模型表达为式（4）：

式中：St为在时间（从施工期一半起算）的实测沉降量，S为待定的地基最终沉降量，a为经验参数。

增量值计算：根据式（4）计算得出一年内沉降约230mm，随着时间的推后增量值逐渐减少，使用10年后初步达到稳定，60年以后基本稳定。绘制沉降增量值与时间曲线图，如图6所示。

图6 双曲线式沉降“增量”值曲线图（mm）

累计量计算：同样采用“双曲线式”与式（4）计算得出累计量，随着时间的推后增量值逐渐增大，使用10年后初步达到稳定（累计沉降量达571mm），60年以后基本稳定 （累计沉降量达846mm）。绘制沉降增量值-时间曲线图，如图7所示。

图7 双曲线式沉降“累计”值曲线图（mm）

（2）“指数曲线式”沉降计算

计算模型表达为式（5）：

式中：e为自然指数，a为经验参数。利用实测的s-t曲线资料，可求得地基最终沉降量s值，并可推算任意时间t的沉降量st。

增量值计算：根据式（5）计算得出一年内沉降约221mm，随着时间的推后增量值逐渐减少，使用10年后初步达到稳定，60年以后基本稳定。绘制沉降增量值与时间曲线图，如图8所示。

图8 指数曲线式沉降“增量”值曲线图（mm）

累计量计算：同样采用“指数曲线式”与式（5）计算得出累计量，随着时间的推后增量值逐渐增大，使用10年后初步达到稳定（累计沉降量达538mm），60年以后基本稳定（累计沉降量达833mm）。绘制沉降增量值-时间曲线图，如图9所示。

图9 指数曲线式沉降“累计”值曲线图（mm）

（3）两种方法比较

增量值：双曲线式计算得出1年内沉降量为230mm，而指数曲线式为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。

累计值：双曲线式计算得出1年内沉降量为230mm，而指数曲线式为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。

总体上两者非常接近。参考其他淤泥质土的沉降，如上海市城区地面从1920年至1991年共71年间沉降量达1.8m[1]，以上海市城区地面沉降为参照，本案例中附属物的沉降计算值相对偏小。而案例中的建筑物售楼处由于采用了桩基础，避免了沉降的问题。

针对淤泥、淤泥质土宜优先采用事先进行治理与防范的办法，但该案例工程在没有处理淤泥质土的情况下就进行附属物建设，造成不断沉降的现象，因此需要对其进行弥补性的治理，保障其正常的使用。

3 治理方案遴选的过程

（1）基本原则。维修方案要解决的根本问题是下沉问题，以及在技术可行性、经济合理性之间选择一个合适的平衡点，力求以技术上最可行、经济上最节约的方法解决沉降问题。

（2）可行性原则。要彻底解决问题，需遴选出一个经济上相对合理，技术上可操作，性价比最高的最可行方案（即“非至善之策，却是现实之策”）。

（3）遴选方案。基于保障现有售楼处的白天正常营业为原则，只能选择在晚上进行施工维修。针对此情况，维修前制定了三个方案，逐步选择与变通。这些方案各具特色与优缺点，通过对比选择其中最适合的一个方案进行实施。

3.1 方案一：预制小型桩基础

首先考虑采用桩基方案，即用桩基与上部盖板进行受力的体系，如图10所示。

图10 方案一示意图

（1）技术与经济分析。小型打桩机将0.3x0.3m小方桩打入到第⑤1层黏土层，长度约30m，此层土的承载力特征值为150kPa，桩的受力类型为摩擦端承桩。方桩为支撑体系，方桩间隔为2m，桩之间用0.3x0.3圈梁连结，最上面现浇混凝土130mm的顶板，概算费用约100万元。

（2）可行性。此方案可以彻底解决售楼处配套工程的下沉问题，但也存在明显的缺点，打桩的机器体形相对较大，停在售楼处严重影响售楼处的形象。其次是在打桩的过程中会产生挤土效应，影响售楼处的桩基安全。此方案经评估后予以否决。

3.2 方案二：水泥土围合挡墙

其次考虑水泥搅拌桩挡墙方案，如图11所示。

图11 方案二示意图

（1）技术与经济分析。用小型搅拌机在售楼中心四周进行搅拌，挡墙深度约20m，形成一个围合结构，在围合结构内再进行表层换填式的三合土处理。按水泥掺入量15%形成水泥土挡墙，宽度约2m左右，深度为20m，费用概算约50万元。

（2）可行性。此方案能部分解决售楼处四周的下沉问题，优点是施工的机器小，经济费用低。但也存在缺陷，即不能彻底解决围合范围内的土自身沉降问题，只能相对减缓下沉量。

3.3 方案三：全部水泥搅拌改良土

考虑水泥搅拌改良外围全部的土，提高淤泥质土的力学性能，如图12所示。

图12 方案三示意图

（1）技术与经济分析。用小型搅拌机在售楼处四周区域内进行搅拌，深度约20m，平面间距约2m，形成一个固态土支撑体系，可极大增加此部分土的承载力，减小进一步沉降的数量。费用概算约150万元。

（2）可行性。此方案能彻底解决售楼处配套工程的下沉问题，优点是施工的机器小，施工方便。

3.4 方案选择

最终以方案三作为该工程的最优选择，使得售楼处在白天可正常进行接待工作，晚上工程人员可进行施工，如图13、图14所示。

图13 夜晚小型机器施工

图14 白天停工（钢筋配置）

4 淤泥基础处理

4.1 处理目的

针对淤泥（质）土的“三高两低”特征，对地基在一定范围内的淤泥（质）土采取处理措施，达到克服其弱点的目的。主要包括：（1）降低土的含水率，降低土的变形量；（2）降低土的压缩性，减小地基的变形量；（3）改善土的受力特性，防止土体液化与流变；（4）提高土的抗剪强度，提高地基承载力；（5）改善土的渗透性，减少渗流量，防止地基渗透破坏。

经过处理的淤泥（质）土，需达到满足地基承载力、变形和稳定性的要求。而案例中的治理正是降低了“含水率、压缩率、流变性”（采用水泥搅拌土，将三者进行了改良），提高了“强度”，从而达到了治理的目的。

4.2 补救方法

针对类似工程，在没有及时处理淤泥、淤泥质土后就进行了建筑物的施工，而在后期出现与案例的类似问题，如沉降、倾斜，则需要在后期进行补救处理，补救措施可采用以下3种方法。

4.2.1 组合桩受力与桩间软土固化

采用“预制管桩”+“高压旋喷桩”刚柔性桩组合的处理方案，管桩穿透软土层进入下部较好地层1m深度以上，在高压旋喷桩内插管桩之间空隙区域搅拌处理桩间土。两种桩型配合使用可有效控制后期沉降，施工设备简便，操作简单。上海某物流仓库软土地基沉降加固[9]就采用了此方法，治理效果明显。

4.2.2 托换（桩）法

托换法：①补救性托换。如加拿大特朗斯康谷仓倒塌后，用深入基层的基础托换原来的基础，将其重新扶正；②维持性托换。形成树根桩，加固维持原有结构体系，如苏州虎丘斜塔采用基础部位注浆形成类似树根桩的形式，加强维持原来的受力体系。

4.2.3 化学加固法

将化学浆液注入到地基中，使其与地基中淤泥或淤泥质土发生化学反应，胶结成新的坚硬物质，从而提高地基强度，消除液化并减少沉降量。常用的材料有水泥浆液、水玻璃为主剂的浆液，丙烯酰胺为主的浆液，纸浆废液为主的浆液等。目前施工中主要以水泥浆液为主，其他三种不常用。本案例选用水泥浆液处理。

5 淤泥基础防范的方法

事后处理只能起到补救作用，针对淤泥与淤泥质土更应该采用事前防范与治理。治理淤泥、淤泥质土有多种方法，但根据加固的方法，可以分为四个类型：置换法、加密法、胶结法、加筋法，四个分类中又可根据工艺再分出子类。

5.1 置换法

置换回填法从理论上判断是最简便的办法，即将基础中淤泥与淤泥质土挖出，再分层换填强度大、压缩性小、性能稳定的材料，并压实至要求的密实度，作为地基的持力层。

填充材料：砂石是常用的换填材料，最容易施工；灰土、水泥土或三合土是次优选择；建筑碎砖、混凝土等废料的利用也是很普遍的做法；生活垃圾焚烧炉渣、矿渣也可以进行回填。

5.2 加密（排水）法

加密的方法类似于普通黏土的机械压实法或强夯法，但淤泥、淤泥质土不能用机械压实法或强夯法进行治理，否则会变为弹簧土。加密只能针对其特性进行排水，方法有以下几种：

（1）堆载预压法。使用材料、机具简单，施工操作方便，但堆载预压需要一定的时间，适合工期要求宽松的项目，同时需要大量的堆载材料；

（2）真空预压法。真空预压法是软土地基处理的一种措施，最早由瑞典学者Kjellman在1952年提出[10]，近年来在陆域吹填软土地基工程中得到了广泛应用[11]，随着土工膜和竖向排水板（PVDs）的应用得到了迅速发展，也是目前海滩涂治理的主要方法；

（3）联合排水固结法。采用真空预压法联合堆载预压法的方法进行排水固结，效果更好、时间更快，是目前治理发展的趋势；

（4）电渗法。电渗法具有使软土快速固结，对土体扰动小以及加固效果不受土颗粒大小影响等优点，可用于磷酸土、高岭土、超软土、疏浚淤泥等软土的加固处理；

（5）抛石挤淤法。用片石投入软土中，将淤泥挤出，以提高地基强度。此法在沿海地区的地基加固工程中应用广泛，如深圳前海的淤泥处理。

5.3 胶结法

（1）生物酶固结法。生物酶改良土通过它的化学作用产生反应酶，这种酶可以通过离子置换作用被黏土吸附，从而使土粒吸附水的能力减弱，亲水性降低，且土粒吸水膨胀的倾向得到削弱，可以形成防水土层，对水产生屏蔽作用。生物酶对环境无污染，经济成本较低，是合适的新型土固化剂[12]。

（2）化学加固法。内容同上文所述，有机质的淤泥、淤泥质土可掺入添加剂，以平衡有机酸，提高水泥土强度。

（3）水泥浆液固化剂中使用添加剂。在淤泥、淤泥质土的处理中，也可以在水泥浆中加入粉煤灰、工业盐作为固化剂进行地基处理。如添加10%粉煤灰和3%工业盐成桩效果更好，且止水帷幕能防范渗漏点，达到了提高水泥土强度效果[13]。

5.4 加固支撑（桩）法

加固支撑法相当于用材料形成桩的形式，即用砂、碎石、混合材料等作为载体。

（1）挤密法。挤密法有两种类型：①砂石桩挤密。将桩套管插入淤泥或淤泥质土中，砂石与淤泥形成复合地基，提高地基承载力与整体稳定性。并且由砂石桩承载主要的上部荷载，且砂石桩形成排水通道，上海宝钢项目中就曾用此法[14]；②灰土挤密桩。用石灰与黏土按体积二八或三七比例拌匀，打入淤泥或淤泥质土中，起到加固的作用。

（2）干式振冲法。干式振冲法的砂石桩与水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）也可用于处理淤泥与淤泥质土，原理同挤密桩。

（3）托换法（桩）。托换法有三种：①补救性托换；②预防性托换；③加强性托换。如树根桩植入深层承载力高的土层中，形成树根桩为主要受力的体系，起到加强地基支撑的作用。

6 结论

本文首先通过对淤泥、淤泥质土的分析，总结出其规律与特征；然后通过具体案例得出治理淤泥、淤泥质土的规律。淤泥、淤泥质土工程宜进行事先防范，治理其“三高两低”的弱点，这是治理问题的根源；而事后出现淤泥、淤泥质土所产生的工程问题时，需要从定性与定量方面找出问题的原因所在，然后“对症下药”，达到治理效果；淤泥、淤泥质土的治理，需要服务于或兼顾项目的经营行为才具有可行性，以避免纸上谈兵而无法实施。

注：

①在我国将含水量达60%的土归为很软的土类；淤泥极端的含水率，如墨西哥城淤泥含水率能高达到400%；

②上海与宁波一带滨海相淤泥的灵敏度达4～10（1～2为低灵敏度、2～4为中灵敏度、4～8为高灵敏度、8～16为极灵敏性、16以上为流性）。