淤泥固化技術(shù)在深厚淤泥地基處理中的應(yīng)用

黃朝煊

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江杭州310002)

0 引 言

淤泥固化技術(shù)源自日本、美國等國家，所采用固化劑一般為復(fù)合型固化材料，固化劑可使淤泥土顆粒、水產(chǎn)生水化作用，其中的MgO、CaO、Al2O3等活性物質(zhì)能更充分的水化、水解反應(yīng)，生成更多的膠凝物質(zhì)，這些膠凝物質(zhì)會凝結(jié)、包裹淤泥中的細小顆粒，使之團粒化，形成一個由水化膠凝物為主的骨架結(jié)構(gòu)，從而能增加土體的強度和穩(wěn)定性。黃英豪等[1]對淤泥固化后的土體的壓縮特性等進行了室內(nèi)試驗研究；王東星等[2]對大摻量粉煤灰淤泥固化土的強度與耐久性進行了研究研究，為工程應(yīng)用積累了一定的室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)資料；鄭旭衛(wèi)[3]對灘涂淤泥固化土特性進行正交試驗研究；薛穎慎[4]對濱海淤泥固化填筑路基技術(shù)的應(yīng)用進行了研究；陸建陽[5]對寧波淤泥質(zhì)土的固化進行深入研究，通過室內(nèi)正交試驗分析其最優(yōu)固化劑配比，為工程實際應(yīng)用提供參考。

表1 交叉段地基土層物理力學(xué)指標建議值

目前，工程實際應(yīng)用中已有不少回填工程和路基工程采用淤泥固化技術(shù)，其中一些軟基處理工程為了優(yōu)化工程投資，其地基處理仍采用塑料排水板處理，黃朝煊等[6，7，8]對塑料排水板處理地基的固結(jié)理論進行了深入研究，并給出了便于工程實際應(yīng)用的計算理論。本文對某大型圍墾工程的海堤與跨海大橋交叉段地基進行淤泥固化處理設(shè)計、施工經(jīng)驗進行了總結(jié)分析，為相關(guān)工程設(shè)計提供參考。

1 工程概況

浙江省某圍墾工程圍區(qū)面積1 750萬m2，海堤總長15.95 km。主要任務(wù)是通過科學(xué)利用灘涂資源，增加土地面積，同時提高區(qū)域御潮能力，圍區(qū)用于農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)和發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖。浙江省某沿海高速工程路線全長54.509 km，其中寧海段線路長為19.874 km。兩工程在平面布置上存在局部交叉，大橋橋墩布置在堤身范圍，由于海堤沉降大，對橋墩樁基礎(chǔ)存在負摩阻力等不利影響，進而影響橋墩橫向變位。經(jīng)過多方深入研究論證[9，10]，建議海堤先施工并采用可靠的結(jié)構(gòu)形式，以控制海堤的沉降和位移影響，其中地基土物理力學(xué)指標見表1。

為了減小海堤對橋墩的不利影響，對海堤與橋梁正交處300 m范圍采用樁基框架肋板結(jié)構(gòu)海堤，并對海堤地基土深10 m內(nèi)淤泥質(zhì)土進行滿堂固化處理，淤泥固化采用雙軸攪拌固化，攪拌樁單樁直徑1.0 m，中間間距0.8 m，其中淤泥攪拌固化布置如圖1所示。

2 固化劑摻量及配比對淤泥固化土力學(xué)指標的影響

通過現(xiàn)場及室內(nèi)試驗，對固化劑配比成分(水泥、粉煤灰、石膏、石灰、減水劑以及三乙醇胺等)進行了正交試驗。

2.1 水泥

水泥摻量分別選取10%、12%、14%、16%、18%、20%(按質(zhì)量比)，其固化土7、28 d的無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量之間的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，淤泥固化土無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻入量的增加而提高，強度增長幾乎呈線性關(guān)系。

圖2 水泥摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度影響

灘涂淤泥固化土強度與水泥摻量呈正相關(guān)關(guān)系，其主要原因是發(fā)生了水化反應(yīng)、離子交換作用、火山灰反應(yīng)和碳酸化作用等化學(xué)反應(yīng)。離子交換作用是水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2中的鈣離子Ca2+與淤泥土體內(nèi)的鈉離子Na+、鉀離子K+發(fā)生當(dāng)量交換，使得土顆粒變大，進而形成團粒結(jié)構(gòu)；火山灰作用是土體中活性Al2O3與SiO2和石灰產(chǎn)生反應(yīng)，形成含水的鋁酸鈣和硅酸鈣并逐漸硬化；碳酸化作用是石灰在水化作用下生成的氫氧化鈣Ca(OH)2與空氣中二氧化碳CO2反應(yīng)生成強度較高的碳酸鈣。

水泥在水化反應(yīng)作用過程中生成的C-S-H凝膠，該凝膠具有凝固作用，并具有很高的強度，可以在淤泥土顆粒之間構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，進而保證了土體整體強度。

2.2 粉煤灰

粉煤灰摻量分別取0、3%、6%、9%、12%、15%(按質(zhì)量比)，粉煤灰的作用基本同水泥，也屬于膠凝劑的一種，其固化土7、28 d的無側(cè)限抗壓強度隨粉煤灰摻量之間的關(guān)系曲線如圖3所示。粉煤灰對早期固化土強度的影響不明顯，而對其后期強度較顯著。這是由于粉煤灰中的活性SiO2與AlO3和水泥水化生成物Ca(OH)2產(chǎn)生火山灰反應(yīng)，形成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣，使土體顆粒膠凝。

圖3 粉煤灰摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度影響

2.3 石膏

石膏摻量分別取0、2%、3%、4%、5%、6%(按質(zhì)量比)，其固化土7、28 d的無側(cè)限抗壓強度隨石膏摻量之間的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖4可知，石膏摻量存在合適的摻量值，當(dāng)石膏摻量小于或大于該臨界摻量時，其固化土的抗剪強度均要小于合適摻量時的抗剪強度值。由于石膏與水泥水化產(chǎn)物中的水化鋁酸鈣作用產(chǎn)生鈣礬石，鈣礬石有體積膨脹的特點，能夠有效填充孔隙，提高固化土密實度，增加強度；但是摻量過多會降低固化土的強度，這是由于鈣礬石不具備C-S-H凝膠所具有的膠結(jié)作用，只有充填孔隙的作用，進而石膏摻量過多時將反而坡壞土顆粒之間已有的聯(lián)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而降低固化土強度。

圖4 石膏摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度影響

2.4 石灰

石灰摻量分別取0、2%、3%、4%、5%以及6%(按質(zhì)量比)，其固化土7、28 d的無側(cè)限抗壓強度隨石灰摻量之間的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，石灰摻量也存在合適的摻量，摻入石灰的主要作用是增加離子交換、火山灰作用與碳酸化作用。但是當(dāng)石灰摻量較大時，土體中沒有足夠活性的氧化鋁和氧化硅與石灰發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使固化土內(nèi)穩(wěn)定礦物相對減少，降低固化土的強度。

圖5 石灰摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度影響

2.5 減水劑

減水劑摻量分別取0、1%、1.5%、2%、2.5%、3%(按質(zhì)量比)，其固化土7、28 d的無側(cè)限抗壓強度隨減水劑摻量之間的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖6可知，減水劑摻量也存在合適的摻量；由于減水劑由表面活性劑構(gòu)成，而表面活性劑的分子是由憎水基團和親水基團組成。當(dāng)加入適量的減水劑時，表面活性劑能夠降低水泥顆粒和水之間的表面能，使水泥顆粒更容易均勻分散，擴大水泥顆粒反應(yīng)面積，增大水泥水化的空間，促進水泥的水化反應(yīng)。

圖6 減水劑摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度影響

表3 淤泥固化前、后土體物理力學(xué)指標對比

2.6 三乙醇胺

三乙醇胺摻量分別取0、0.02%、0.05%、0.08%、0.10%以及0.12%(按質(zhì)量比)，其固化土7、28 d的無側(cè)限抗壓強度隨三乙醇胺摻量之間的關(guān)系曲線如圖8所示。三乙醇胺屬于非離子型表面活性劑，乳化能力強，溶于水后可以降低溶液界面的張力，使得水與水泥顆粒更充分地接觸，可以加速水泥的水化反應(yīng)，但不改變水泥的水化產(chǎn)物，具有催化水泥水化的作用。

圖7 三乙醇胺摻量對固化土無側(cè)限抗壓強度影響

3 淤泥攪拌固化施工及固化土檢測

本工程海堤基礎(chǔ)先采用固化劑滿堂固化處理，為提高固化施工效率，采用雙軸攪拌固化，單根攪拌樁直徑100 cm，樁間中心間距80 cm，樁長10 m。淤泥固化施工采用濕噴法攪拌施工，選用雙頭攪拌機施工，攪拌樁截面為“∞”字形，攪拌速度<60 cm/min，根據(jù)成樁抗壓強度(28 d)要求達到fc>1.0 MPa，固化劑摻入量為15%。

固化土28 d后的鉆心取樣見圖8，經(jīng)過無側(cè)限抗壓試驗檢測，其取樣實測強度一般在1.1～1.5 MPa左右，滿足設(shè)計要求，其中現(xiàn)場抽檢成果見表2。

圖8 淤泥固化后取芯

取樣深度/m芯樣長度/m采取率/%無側(cè)限抗壓強度/MPa芯樣描述1.01.0851.1攪拌均勻,含灰量高,呈柱狀,局部塊狀4.01.0911.3攪拌均勻,含灰量高,呈柱狀,局部塊狀9.01.0961.5攪拌均勻,含灰量較高,呈柱狀,局部塊狀

現(xiàn)場檢測結(jié)論為：實際攪拌樁樁長達到設(shè)計要求，整體噴漿基本均勻，無斷漿現(xiàn)象，樁體能去除完整的柱狀芯樣，芯樣完整且連續(xù)，主要呈柱狀或短柱狀，局部松散塊狀或片狀，樁身上、中、下段強度均滿足設(shè)計要求，所取芯樣的柱狀加塊狀取芯率大于80%。 其中淤泥固化前、后土體物理力學(xué)指標變化對比見表3，由表3可知，固化土的含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)明顯降低，抗剪強度、壓縮模量顯著提高。

室內(nèi)多種試樣的試驗檢測成果見表4。根據(jù)現(xiàn)場及室內(nèi)試驗成果，通過統(tǒng)計相關(guān)分析，得出的固化土強度類比預(yù)測公式

(1)

式中，R為固化劑摻量的質(zhì)量百分比；qcu(R，T)為摻量R在齡期T時的固化土無側(cè)限抗壓強度，kPa；qcu(R1，28)為已知某一摻量R1的固化土齡期28d時的固化土無側(cè)限抗壓強度，kPa；wL為土體的液限，%。

表4 固化土室內(nèi)多種試樣檢測成果

根據(jù)式(1)可由某一固化劑摻入比下28 d齡期的固化土無側(cè)限抗壓強度來預(yù)測任意摻入比下任意齡期時的強度，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

4 結(jié)論與建議

依托于浙江省某圍墾工程海堤地基淤泥土固化技術(shù)應(yīng)用，對淤泥固化技術(shù)中固化劑成分配比、固化劑摻量以及施工中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)等進行了分析總結(jié)，主要結(jié)論和建議如下：

(1) 分別基于現(xiàn)場正交試驗和室內(nèi)平行試驗研究，對固化劑中主要配方如：水泥、粉煤灰、石膏、石灰、減水劑以及三乙醇胺等合適摻量進行了試驗研究，繪制了各配方摻量(質(zhì)量比)對淤泥固化土無側(cè)限抗壓強度的敏感關(guān)系曲線，認為水泥、粉煤灰的摻量與固化土無側(cè)限抗壓強度之間呈正相關(guān)關(guān)系，而石膏、石灰和減水劑等摻量存在最優(yōu)摻量值。

(2) 根據(jù)現(xiàn)場正交試驗和室內(nèi)試驗資料，利用統(tǒng)計分析法，給出了固化土強度類比預(yù)測公式，即可由某一固化劑摻入比下28 d齡期的固化土無側(cè)限抗壓強度來預(yù)測任意摻入比下任意齡期時的強度，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

(3) 同一固化劑摻量下，隨著不同地區(qū)水文地質(zhì)條件差異，其28 d齡期的無側(cè)限抗壓強度不同，建議根據(jù)室內(nèi)平行試驗和現(xiàn)場試樁試驗成果綜合確定合適的固化劑摻量及配比，并采用合適的施工設(shè)備和工藝，以保證固化土強度達到設(shè)計要求。