湖相淤泥极限承载力的影响分析

许振华，张春虎，王晓军

(1.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038；2. 江西理工大学，江西赣州 341000)

湖相淤泥承载力极限值反映了湖相淤泥自身承受上部荷载的能力，对于不同含水率条件下的湖相淤泥而言，其承载力极限值随着含水率的不同而不同[1-2]。在湖相淤泥剥离的工程应用上，往往为了减少工程投资，尽可能采用灵活环保的方式进行湖泥剥离，孙盛湘等[3-5]针对湖相淤泥剥离做了大量研究与测试工作，但均因投资大，环保措施低而未付诸实施。本文拟在研究结论的基础上，以某铜矿的湖相淤泥采用4 m3挖掘机配39 t 铰接卡车将固结后的湖泥运至排土场为工程背景， 开展基于湖相淤泥剥离的极限承载力研究。由于整个剥离作业过程，挖掘机及铰接卡车均需在湖相淤泥表面作业，按照4 m3挖掘机设备许用要求，4 m3挖掘机最大对地压力为100 kPa，39 t 铰卡满载时最大对地压力为174 kPa。因此， 需要湖相淤泥自身的承载力极限值达到174 kPa 以上，才能保证湖相淤泥剥离工作的安全顺利进行。

基于上述认识，本文为了得到该承载力条件下湖相淤泥的相关参数，特开展不同含水率湖相淤泥承载力极限值计算分析研究。

1 湖相淤泥极限承载力影响分析模型

土体的承载力极限值一般采用载荷试验得到。在已知土体c、φ 值的情况下，可以按以下经验公式计算地基承载力极限值：

式中：c为土体粘聚力；q为地基范围内的表土压力；B为基础的宽度；γ 为土体的容重；Nc、Nq、Nγ为承载力影响系数。

基于上述原理，本文采用SIGMA/W 通过应变控制模拟，进行湖相淤泥土体极限承载力的计算分析，其计算模型如图1 所示。

图1 湖相淤泥极限承载力计算模型

不同含水率条件下，湖相淤泥重塑土的孔隙比、压缩系数、压缩模量、凝聚力及内摩擦角等指标均发生不同程度的变化， 计算所采用的湖相淤泥重塑土参数如表1 所示。

表1 湖相淤泥重塑土相关物理力学参数

2 结果分析

2.1 含水率与湖相淤泥极限承载力的关系

经计算，湖相淤泥极限承载力随含水率的变化如图2 所示。

图2 极限承载力随含水率的变化

研究结果表明： 极限承载力随着含水率的增大而呈指数减小，在含水率21.56%处，其极限承载力为175 kPa，与采坑湖相淤泥区边坡取样得到的承载力极限值相近（见表2）。 根据现场采坑湖相淤泥区边坡实践，该区域湖相淤泥因上部长时间堆载固结，土层承载力较高，已满足边坡机械作业条件。 因此，可以将极限承载力为175 kPa，作为原始湖相淤泥固结完成，满足开挖条件的依据。

表2 采坑湖相淤泥区边坡土样力学指标

3.2 孔隙比、压缩模量与极限承载力的关系

经计算，湖相淤泥极限承载力与孔隙比、压缩模量的关系如图3、图4 所示。 计算分析结果表明：湖相淤泥极限承力随着孔隙比的增大呈现明显的指数减小。 当极限承载力为175 kPa 时，其对应的孔隙比为0.677；湖相淤泥极限承力与压缩模量呈线性关系，极限承载力随着压缩模量的增大而增大。 当极限承载力为175 kPa 时，其对应的压缩模量为5.777 MPa。

图3 湖相淤泥极限承载力随孔隙比的变

图4 湖相淤泥极限承载力随压缩模量的变化

3.3 凝聚力、内摩擦角与极限承载力的关系

经计算，湖相淤泥极限承载力与凝聚力、内摩擦角的关系如图5、图6 所示，计算分析结果表明：湖相淤泥极限承力与凝聚力呈线性关系，极限承载力随着凝聚力的增大而增大。当极限承载力为175 kPa时，其对应的凝聚力为22.17 kPa。 湖相淤泥极限承力与内摩擦角呈线性关系， 极限承载力随着内摩擦角的增大而增大。 当极限承载力为175 kPa 时，其对应的内摩擦角为16.30°。

图5 湖相淤泥极限承载力随凝聚力的变化

图6 湖相淤泥极限承载力随内摩擦角的变化

4 结论

通过SIGMA/W 计算得到， 当含水率达到21.56%时，对应的湖相淤泥极限承载力为175 kPa，孔隙比为0.667，压缩模量为5.777 MPa，内摩擦角为16.30°，凝聚力为22.17 kPa。 以上参数将视为原始湖相淤泥固结完成的依据，满足常规机械剥离条件。 同时，参照现状历史堆载湖相淤泥边坡取样结果， 也基本取得了一致的结论， 研究结论对采用常规设备进行湖相淤泥剥离提供了理论指导依据。