真空抽吸方法處理某建筑廢棄泥漿池試驗(yàn)研究

沈華榮

（天頌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 臺(tái)州 317500）

真空抽吸方法處理某建筑廢棄泥漿池試驗(yàn)研究

沈華榮

（天頌建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 臺(tái)州 317500）

采用3種不同排水系統(tǒng)的真空預(yù)壓方法對(duì)泥漿池的處理開展了試驗(yàn)研究。分析了氣管、濾管、氣管+濾管等3種不同的真空預(yù)壓抽吸方法，對(duì)泥漿池的表面沉降、孔隙水壓力等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響。真空卸載后，通過(guò)原位十字板試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)對(duì)地基承載力進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)處理前后的土體物理力學(xué)特性變化進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，3個(gè)區(qū)塊（場(chǎng)地）的地基承載力均有顯著提高，其中以氣管+濾管結(jié)合的真空抽吸排水方法效果最優(yōu)。

廢棄泥漿；真空預(yù)壓；沉降；孔隙水壓力；地基承載力

基本建設(shè)工程施工往往會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的建筑泥漿，如橋臺(tái)、高層建筑基礎(chǔ)樁基工程所用的施工泥漿。這些泥漿主要起確?？妆诜€(wěn)定，作為輸送介質(zhì)攜帶鉆渣出孔的作用，使用完成后廢棄，基本上采用管道輸送或車運(yùn)方式集中傾倒堆放到空地貯存，按沉淀池方式處理。

建筑泥漿的排放不僅占用土地，而且會(huì)帶來(lái)諸多環(huán)境問(wèn)題。隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益推進(jìn)，建筑廢棄泥漿的處理日益引起了人們的關(guān)注。目前常用的方法有化學(xué)固化處理法［1］、化學(xué)絮凝固液分離處理法［2-4］和土地耕作處理法［5］等。這類泥漿由于形成時(shí)間短，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)了解到其工程特性表現(xiàn)為高含水率、高孔隙比、高壓縮性，以及低強(qiáng)度、低滲透性，自重條件下未完成固結(jié)，屬欠固結(jié)土，具有不穩(wěn)定性和一定的流動(dòng)性，稱為超軟土。基于建筑泥漿的這些性質(zhì)，本文提出采用就地真空吸水水土分離方式處理廢棄泥漿的新方法。通過(guò)在泥漿中插設(shè)排水通道，鋪設(shè)密封膜，接入真空泵，在泥漿中產(chǎn)生負(fù)壓，抽吸泥漿中的水分，利用大氣壓外荷產(chǎn)生擠壓作用，形成排水、密實(shí)同步疊加效能，最大限度降低泥漿含水率，并形成一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。試驗(yàn)表明：該方法能夠就地解決泥漿處理問(wèn)題，泥漿經(jīng)這樣處理后其承載力可達(dá)到40～50 kPa，可以作為建筑填料在一般公共場(chǎng)地使用，這樣既處理了廢棄污染物，又獲取了有用的建筑土料，達(dá)到綜合處理建筑泥漿的目的。

1 場(chǎng)地概況

本試驗(yàn)選定一面積約3 000 m2的泥漿池作為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)泥漿池淺層開挖初步踏勘，可見分布全區(qū)植物根系，表面長(zhǎng)滿小手指粗細(xì)的蘆葦?shù)裙嗄局参?，植物平均高度達(dá)2 m 左右。泥漿沉積土為灰黃—灰黑色，飽和，地下水位約為地表下0.5 m。試驗(yàn)區(qū)泥漿深度約為2 ～2.5 m，雖經(jīng)長(zhǎng)期晾曬，表面失水，但場(chǎng)地硬殼層厚度只有100 mm，不能滿足人員及機(jī)械的施工承載力需求。其天然含水率大于液限，由現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)得到的不排水強(qiáng)度極低，泥漿范圍內(nèi)均小于4 kPa。顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表明該泥漿土所有粒組的粒徑小于0.075 mm的黏粒含量為87.8%，其中粒徑小于0.005 mm 的黏粒含量為26.5%?；镜奈锢砹W(xué)指標(biāo)見圖1、表1。

從常規(guī)土工試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，試驗(yàn)區(qū)泥漿土與附近海底吹填淤泥的顆粒級(jí)配、液塑限、滲透性等物理性質(zhì)均相近。而吹填淤泥采用真空抽吸水土分離方法處理取得了成功［6］，因此對(duì)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)內(nèi)的泥漿土也可以采用類似方法進(jìn)行處理。泥漿土與淤泥物理性質(zhì)對(duì)比見表2。

圖1 試驗(yàn)前場(chǎng)地十字板剪切強(qiáng)度

表1 處理前泥漿土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表2 泥漿土和海底淤泥物理性質(zhì)比較

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

就地真空吸水抽吸水土分離是通過(guò)在泥漿中插設(shè)塑料排水板作為豎向排水通道，然后地表布置水平向?yàn)V管或者氣管與排水板相連，鋪設(shè)密封膜封閉后接入真空抽吸裝置（射流泵），形成負(fù)壓，負(fù)壓沿塑料排水板向下傳遞，進(jìn)而向土中傳遞。在負(fù)壓作用下，孔隙水滲流到排水通道排出，降低了泥漿含水率，使泥漿土得到排水固結(jié)［7-8］。泥漿經(jīng)這樣處理后其承載力預(yù)計(jì)可以達(dá)到40～50 kPa，可以作為建筑地基或填料，從而達(dá)到綜合處理建筑泥漿的目的。真空抽吸水土分離方法見圖2。

圖2 真空抽吸水土分離剖面圖

將泥漿池分為3個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊1 000 m2，采用3種不同排水系統(tǒng)的真空抽吸方法進(jìn)行處理，探索建筑泥漿技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)快速、環(huán)境污染最小的處理技術(shù)方法。具體試驗(yàn)分區(qū)實(shí)施方案如下：

分區(qū)A：濾管+排水板+覆膜，簡(jiǎn)稱濾管區(qū)。B型排水板間距0.8 m，正方形布置。該區(qū)的濾管布設(shè)方法與常規(guī)真空預(yù)壓施工方法一致［9］。

分區(qū)B：氣管+排水板+覆膜，簡(jiǎn)稱氣管區(qū)。B型排水板間距 0.8 m，正方形布置。該區(qū)氣管采用前期研究的氣管直吸方法布設(shè)［10］，在排水板頂部插入帶有出水口的塑料板帽。板帽為敞口內(nèi)收間距形式，便于排水板插入。板帽通過(guò)PE專用快速氣動(dòng)接頭和PU專用氣管相連，氣管內(nèi)徑8 mm。每排氣管用主管串聯(lián)后連接到真空泵，開啟真空泵可以直接抽吸泥漿中孔隙水。該連接方法我們稱為氣管直吸法，連接效果見圖3。

圖3 排水板、板帽、接頭、氣管抽吸系統(tǒng)

分區(qū)C：濾管+氣管+排水板+鋪膜，二次抽吸模式，簡(jiǎn)稱氣濾區(qū)。采用B型塑料排水板，正方形布置，每部分排水板間距均為0.8 m。其中第1部分排水板采用濾管連接；第2部分排水板用氣管連接，采用氣管直吸方法。兩部分抽吸系統(tǒng)相互獨(dú)立。覆膜后氣管部分先真空抽氣，根據(jù)場(chǎng)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，1～2個(gè)月后開啟濾管部分真空抽氣；二次抽吸系統(tǒng)布置圖見圖4。

圖4 分區(qū)C二次抽吸系統(tǒng)布置示意圖

三個(gè)分區(qū)的排水板的插設(shè)深度根據(jù)泥漿池的深度而定，濾管區(qū)因位于泥漿池邊緣位置，深度較淺，經(jīng)探桿試探該區(qū)平均深度約為2 m；氣管區(qū)和氣濾區(qū)的泥漿平均深度約為2.5 m。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

每個(gè)區(qū)塊布置一臺(tái)7.5 kW的射流泵，做好維護(hù)工作，并對(duì)各區(qū)塊進(jìn)行了膜下真空度、地表沉降、土體中孔隙水壓力等監(jiān)測(cè)。抽真空歷時(shí)90 d，抽真空過(guò)程中3個(gè)區(qū)塊膜下真空度基本一致，均穩(wěn)定在80 kPa以上。

3.1 地表沉降

地表沉降能夠直觀地反應(yīng)真空預(yù)壓的處理效果。3個(gè)區(qū)塊真空預(yù)壓過(guò)程中的總沉降為濾管區(qū)256 mm、氣管區(qū)341 mm、汽濾區(qū)420 mm。沉降速率初期可達(dá)10～20 mm/d，70 d 后平均沉降速率已低于2 mm/d，趨于穩(wěn)定。各分區(qū)表面的沉降歷時(shí)曲線見圖5。

圖5 各分區(qū)表面沉降時(shí)程曲線

從沉降時(shí)程曲線看，氣管區(qū)沉降量明顯大于濾管區(qū)沉降量，這是由于氣管直吸系統(tǒng)排水板芯通過(guò)板帽、氣管與真空泵直接相連，泵與排水板之間是密封直通的，真空傳遞幾乎沒有損失。而濾管系統(tǒng)排水板芯要透過(guò)板芯外面包裹的濾布、濾管外面包裹的濾布、濾管與真空泵相連，泵與排水板之間多了2層濾布，真空傳遞有一定損失，影響了處理效果。

將濾管+氣管區(qū)和氣管區(qū)相比較，在抽真空的前45 d，兩區(qū)的沉降曲線基本一致。但 45 d 后，氣濾區(qū)停止氣管抽吸，開啟濾管抽吸，之后其沉降量明顯超過(guò)氣管區(qū)沉降量，說(shuō)明二次抽吸系統(tǒng)即第二部分濾管及其下的排水板發(fā)揮作用且超過(guò)了單一氣管抽吸系統(tǒng)。

地基的最終沉降量可根據(jù)實(shí)測(cè)沉降資料按下列公式推算［9］：

式中：St為t時(shí)間的實(shí)測(cè)沉降量，cm；

S0為開始時(shí)的實(shí)測(cè)沉降量，cm；

t為真空抽吸時(shí)間，d；

S為最終沉降量，cm；

a、b為待定系數(shù)，可根據(jù)實(shí)測(cè)資料確定。

地基的應(yīng)變固結(jié)度可根據(jù)實(shí)測(cè)沉降資料按下式推算：

式中：Ut為t時(shí)間地基應(yīng)變固結(jié)度，%。

Ut由上述方法計(jì)算得3個(gè)分區(qū)泥漿應(yīng)變固結(jié)度以及工后剩余沉降量見表3。

表3 各分區(qū)泥漿土固結(jié)度

由表3可知，各分區(qū)的固結(jié)程度不一，其中以采用二次抽吸模式的分區(qū)C的固結(jié)效果最好，達(dá)到了84.6%。分區(qū)B的固結(jié)度也達(dá)到了80.4%，而分區(qū)A的固結(jié)度僅有75.5%，說(shuō)明采用氣管排水系統(tǒng)的加固效果優(yōu)于傳統(tǒng)的濾管加固效果。

3.2 孔隙水壓力消散

根據(jù)有效應(yīng)力原理，排水固結(jié)就是土中超靜孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增長(zhǎng)的過(guò)程。對(duì)于真空抽吸方法來(lái)說(shuō)，就是土中孔隙水壓力負(fù)向增長(zhǎng)形成有效應(yīng)力增長(zhǎng)的過(guò)程。本次試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)了泥漿土中孔隙水壓力的變化，1.2 m 深度處各區(qū)超靜孔隙水壓力消散（負(fù)壓增長(zhǎng)）結(jié)果見圖6。

圖6 各分區(qū)超靜孔隙水壓力消散時(shí)程曲線

由圖6可知，在真空抽吸作用下，泥漿土中負(fù)向孔隙水壓力增長(zhǎng)明顯，氣管區(qū)比濾管區(qū)的負(fù)向孔隙水壓力增長(zhǎng)更大。氣濾區(qū)與氣管區(qū)在抽真空期間的前 45 d 孔隙水壓力曲線基本重合，但在 45 d后，氣濾區(qū)停止氣管抽吸開啟濾管抽吸，負(fù)向孔隙水壓力增長(zhǎng)明顯超過(guò)單一氣管區(qū)。

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知?dú)鉃V區(qū)的處理效果最好，其原因是：由于泥漿土呈流動(dòng)狀，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的真空抽吸之后，泥漿中部分細(xì)小土顆粒也會(huì)向排水板處集聚導(dǎo)致排水板淤堵。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，淤堵使排水板濾膜的滲透系數(shù)降低到原來(lái)的1/12［11］，這直接導(dǎo)致排水板的排水功能嚴(yán)重下降。這時(shí)開啟第二部分未受淤堵的濾管排水板可以起到新打設(shè)排水板的排水效果。即氣濾區(qū)的二次抽吸系統(tǒng)可以使排水板的淤堵影響降到最低。

4 處理效果檢測(cè)

處理結(jié)束后，在各分區(qū)分別做了原位十字板剪切試驗(yàn)、載荷板試驗(yàn)，并同時(shí)取土進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，以進(jìn)一步了解泥漿池的處理效果。

4.1 十字板剪切試驗(yàn)

各分區(qū)的十字板剪切強(qiáng)度均有顯著提高，其中氣濾區(qū)的表層十字板強(qiáng)度更是達(dá)到了23.5 kPa，從各分區(qū)同一深度處的十字板剪切強(qiáng)度來(lái)看，均是氣濾區(qū)最高，氣管區(qū)次之。濾管區(qū)2.2 m深度的十字板剪切強(qiáng)度達(dá)30.5 kPa，這是由于此深度已經(jīng)到達(dá)原狀土的原因。處理后各分區(qū)的十字板強(qiáng)度見圖7。

圖7 處理后各分區(qū)的十字板剪切強(qiáng)度

4.2 平板載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)是確定地基承載力最直接的檢測(cè)方法，處理結(jié)束后，在各分區(qū)分別做了平板載荷試驗(yàn)，載荷板面積為1 m×1 m=1 m2。3個(gè)真空抽吸處理區(qū)的載荷板試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 真空抽吸區(qū)平板載荷試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)平板載荷試驗(yàn)結(jié)果，按照規(guī)范［12］確定各分區(qū)的地基承載力特征值，分別是：濾管區(qū)51 kPa，氣管區(qū)57 kPa，氣濾區(qū)66 kPa，采用二次真空抽吸系統(tǒng)的氣濾區(qū)處理效果最優(yōu)。

4.3 取樣試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢測(cè)泥漿池的處理效果，了解處理后泥漿土的物理力學(xué)性質(zhì)變化，處理后各分區(qū)還進(jìn)行了取樣室內(nèi)試驗(yàn)。見表4。

表4 處理后泥漿土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果看，經(jīng)處理后泥漿土的含水率均有較大幅度的降低，從60%以上普遍降低到45%左右，剪切強(qiáng)度超過(guò)17 kPa，完全達(dá)到了預(yù)期要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘及取樣室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)泥漿土與超軟土具有類似的工程性質(zhì)，因此可以采用既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的真空預(yù)壓方法對(duì)泥漿池進(jìn)行處理。

2）設(shè)置了3種不同排水系統(tǒng)對(duì)泥漿池進(jìn)行了真空預(yù)壓方法處理，結(jié)果表明：氣管區(qū)處理效果優(yōu)于濾管區(qū)，其中氣濾區(qū)的氣管—濾管結(jié)合的二次抽吸方法可以在一定程度上規(guī)避排水板的淤堵，效果最優(yōu)。處理后3個(gè)區(qū)塊的地基承載力均有顯著提高，可以作為一般工程場(chǎng)地，真空預(yù)壓方法可在類似工程中推廣。

［1］ 王冀川.川東北地區(qū)鉆井廢棄泥漿固化法處理技術(shù)及運(yùn)用［J］.科技創(chuàng)業(yè)月刊，2007 （11）∶185-187.

［2］ 萬(wàn)玉綱，余學(xué)海.樁基工程泥漿水處理技術(shù)［J］.環(huán)境工程，1999（1）∶14-15.

［3］ 劉勇健，沈軍，張建龍.廢泥漿固液分離的試驗(yàn)研究［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（2）∶53-56.

［4］ 歐孝奪，曹凈，周東.廣西平果鋁尾礦泥漿化學(xué)絮凝處理試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2003（2）∶201-203.

［5］ 伍丹丹，楊旭，李穎，等.土地處理法處理鉆探泥漿的土壤特性研究［J］.污染防治技術(shù)，2006，19（3）∶3-5.

［6］ 林生法.范明橋，姜彥彬，等.氣管直吸聯(lián)合覆膜真空預(yù)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2014（7）∶34-38.

［7］ 張志允，翟國(guó)民，張明晶.堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法加固機(jī)理的比較研究［J］.巖土工程界，2002，5（11）∶24-26.

［8］ 董江平，張雄壯，洪雷，等.無(wú)砂墊層真空預(yù)壓法提高吹填淤泥地基承載力試驗(yàn)研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2010，8（4）∶131-133.

［9］ 婁炎.真空排水預(yù)壓法加固軟基技術(shù)［M］.2版.北京：人民交通出版社，2013.

［10］范明橋，趙仁忠，李杰，等.浙江玉環(huán)漩門三期圍區(qū)軟土地基處理和疏浚淤泥土處理專項(xiàng)研究［R］.南京∶南京水利科學(xué)研究院，2013.

［11］范明橋，李杰，徐鍇，等.疏浚淤泥的資源化利用關(guān)鍵技術(shù)研究［R］.南京∶南京水利科學(xué)研究院，2014.

［12］建設(shè)部綜合偵察研究設(shè)計(jì)院.GB 50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京∶中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

Experimental Study on the Treatment of a Construction Waste Slurry by the Method of Vaccum Drawing—in

SHEN Huarong

TU472.3+3

B

1008-3707（2016）08-0022-05

2016-02-01

沈華榮（1965—），男，浙江臺(tái)州人，工程師，從事建筑施工管理工作。