絮凝增滲真空預壓現場處理鉆孔灌注樁泥漿試驗研究

崔允亮， 潘方然， 趙攀， 張兵兵， 馬群超

（1.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058；2.浙大城市學院土木工程系，杭州 310015；3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，杭州 311122）

0 引言

在我國城市化進程不斷加快的過程中，不斷開展的基礎建設工程往往會產生大量的工程廢棄泥漿［1，2］，如鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等護壁泥漿。這些工程廢棄泥漿存在著含水率高、強度低、呈流動狀態(tài)等特點［3］，而面對這樣的工程廢棄泥漿，國內外目前的處理方法往往是固液分離和外摻固化劑固化兩種，固液分離方法又包括靜置分離和物理技術分離，常見的物理靜置分離有機械脫水式固液分離以及真空預壓處理如圖1所示。

圖1 廢棄泥漿處理方法

近些年地基處理的過程中多采用排水固結的方法，傳統(tǒng)的排水固結通過設置砂井等排水體來進行軟土地基的排水固結加固。近些年隨著大量的吹填土地基的處理需要以及材料技術的發(fā)展，真空預壓技術取得了突破性的進展［4，5］。

真空預壓法是通過向泥漿中插入排水板等豎向排水通道，豎向排水通道連接排水管道，然后上覆真空膜進行持續(xù)抽真空，使土體承受負壓，利用負壓進行土體加固的方法。

真空預壓法進行廢棄泥漿處理的機理可以歸納為3部分：一是分級預壓延長排水時間［6-8］；二是絮凝后形成大顆粒減少淤堵［9，10］；三是外摻固化劑處理可以進行化學固化［11］。針對藥劑處理的三方面機理，國內外學者進行了各種試驗研究。趙森等［12］采用真空預壓聯(lián)合混合絮凝劑加固處理廢棄泥漿，混合絮凝劑為聚丙烯酰胺與氫氧化鈣的混合物，有效提高吹填土的加固效果，且絮凝劑的最佳摻量為1.5%。武亞軍等［13，14］利用聚丙烯酰胺聯(lián)合真空預壓處理淤泥，通過添加聚丙烯酰胺促進土顆粒聚合，提高淤泥處理效率。

傳統(tǒng)的真空預壓，在持續(xù)抽水的過程中，自淤泥表面向下存在著直徑隨深度減少的致密“土柱”［15］，“土柱”區(qū)域滲透系數明顯降低［16，17］，極大的影響了排水效率。為了增大真空預壓前期泥漿的滲透系數，一些學者開始采用低滲油氣田領域內的“增滲技術”［18，19］，通過在泥漿中摻入增滲材料，改善泥漿性質。武亞軍［20，21］通過在工程泥漿中外摻 Fecl3、生石灰等材料，對真空預壓聯(lián)合外摻增滲劑的處理效果進行了研究，其中試驗研究表明生石灰對真空預壓的處理有增滲作用。

研究為了進一步提升真空預壓的出水效率，增加抽水過程中泥漿的滲透性選用絮凝劑為陰離子聚丙烯酰胺（APAM），泥漿增滲劑為生石灰，通過室內沉降柱試驗對絮凝劑和增滲劑的最佳摻量配比進行篩選，隨后通過開展室內模型試驗和工程現場試驗對真空效果進行驗證，得到理想的真空預壓聯(lián)合絮凝劑的工程泥漿處理方法。

1 藥劑篩選

1.1 泥漿性質

鉆孔灌注狀泥漿來自于浙江省溫州市一鉆孔灌注樁的施工現場，從鉆孔灌注樁廢漿池中抽取，通過室內試驗可得廢棄泥漿基本物理性質見表1。

表1 試驗土樣的基本參數

1.2 藥劑篩選

試驗選用的絮凝藥劑為有機絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺（APAM），選用的增滲劑為生石灰，通過沉降柱試驗來進行最優(yōu)劑量的篩選。在試驗過程中加速泥漿顆粒成團，加速碰撞，增大顆粒間孔隙，實現快速泥水分離。

1.2.1 APAM摻量篩選

首先選取600萬分子量的APAM，溶于蒸餾水，充分攪拌配置成0.3%濃度的溶液，分別加入20、25、30、35、40、45ml配制好的聚丙烯酰胺溶液于盛有200ml工程廢棄泥漿的燒杯中，充分攪拌后移入5L的量筒中，做好標記，持續(xù)讀取下層絮凝泥漿液面讀數，繪制絮凝泥漿沉降讀數如圖2所示。

圖2 絮凝泥漿沉降讀數

由上圖絮凝泥漿沉降讀數圖可以看出200ml廢棄泥漿中添加25ml和35ml的0.3%APAM溶液絮凝效果最佳。

1.2.2 生石灰摻量篩選

分別添加占廢棄泥漿質量分數的0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的生石灰于盛有200ml工程廢棄泥漿的燒杯中，充分攪拌后移入5L的量筒中，做好標記，持續(xù)讀取下層泥漿液面讀數，繪制泥漿液面高度讀數如圖3所示。

1.1.2 試驗分組 （1）透析組：腹膜透析（PD）患者26例，血液透析（HD）患者23例。49例患者中，男26例，女23例。平均年齡（59.60±15.16）歲，透析齡（59.01±7.98）周。透析劑量為7～9 L/d。（2）對照組：無錫市中西醫(yī)結合醫(yī)院藥物臨床試驗中心健康受試者22例。其中，男10例，女12例。平均年齡（59.14±8.29）歲。紅細胞計數、血紅蛋白、紅細胞壓積、肌酐、尿素氮、血磷水平均正常。對照組、PD組、HD組年齡、性別一般資料比較，差異無統(tǒng)計學意義（P＞0.05），具有可比性。

圖3 泥漿液面高度讀數

由圖3中泥漿液面沉降讀數圖可知，當生石灰的添量為0.3%、0.4%時泥漿的沉降效果最好。因此選取0.4%、0.5%摻量的生石灰與25、35ml的APAM溶液兩兩組合，形成4種混合溶液如下表，分別摻入盛有200ml工程廢棄泥漿的燒杯中，攪拌均勻，做好標記，持續(xù)讀取下層絮凝泥漿液面讀數，繪制絮凝泥漿液面沉降高度讀數如圖4所示。

圖4 絮凝泥漿液面高度讀數

由圖4中絮凝泥漿液面沉降讀數可知，采用生石灰質量分數為0.5%、0.3%濃度的APAM摻量175ml/L配比的混合溶液在摻入96h時泥漿液面沉降讀數從190ml下降到110ml，在所有的沉降柱試驗中泥漿液面最低，配合絮凝效果最好，為后續(xù)的真空預壓室內模型試驗提供了生石灰和絮凝劑的最優(yōu)摻量。

2 模型試驗

通過前期沉降柱試驗可以篩選得出理想的生石灰摻量為泥漿質量分數的0.5%和APAM添加方案配比為每升泥漿添加175ml濃度為0.3%的APAM溶液。采用此絮凝劑配比進行模型試驗，模型試驗桶如圖5所示。

圖5 模型試驗裝置

模型試驗桶內裝有40L的工程廢棄泥漿，按照上述質量配比，需摻入0.3%的APAM溶液7L以及248g的生石灰，添加劑摻入后充分攪拌，插入速率排水板，進行裝置連接。

裝置連接好后進行真空抽氣，膜下真空度保持在80kPa以上持續(xù)抽水，記錄其排水量、沉降量如圖6、圖7所示。

圖6 沉降量監(jiān)測圖

圖7 排水量監(jiān)測圖

由圖5、圖6中的沉降量和排水量可以看出，該配比的絮凝劑混合液摻入后，真空預壓速率前期較快，在500min的時候，沉降量與排水量就已達到最終沉降的1/2，2000min以后，排水量和沉降量趨于穩(wěn)定，真空預壓總排水量為10.7L，總沉降量為9.7cm。添加生石灰和APAM對工程廢棄泥漿進行處理，可以在4h內結結束抽水，經含水率監(jiān)測，處理后的泥漿含水率為65%。

3 現場試驗

在施工現場開挖泥漿池，作為真空預壓處理試驗場地，泥漿池具體尺寸如真空預壓泥漿池示意圖8、圖9所示。

圖8 真空預壓泥漿池側視圖（單位：m）

圖9 真空預壓泥漿池俯視圖（單位：m）

圖10 水平排水管連接

膜下裝置連接好之后，鋪設真空膜，安裝真空表，監(jiān)測膜下真空度。為方便排出的上清液進一步以上覆荷載的狀態(tài)密封壓蓋在真空膜上，將射流泵安裝在泥漿池中。此外，在泥漿池中央設置一沉降監(jiān)測點。

上述步驟安裝完成后，進行真空間歇抽水，啟動真空泵抽真空，采用間歇抽氣方式，前3d真空泵每運行2h停泵2h，第4d～第6d真空泵每運行4h停泵2h，第6d～第8d真空泵每運行10h停泵2h，第9d開始全天持續(xù)運行，直至廢棄泥漿表面沉降速率小于每天1cm。

4 數據分析

4.1 沉降量分析

真空預壓過程中每日兩次測量池中沉降監(jiān)測點的高度，繪制泥漿池表面沉降如圖11所示。

圖11 泥漿池沉降量

由圖11可知，泥漿池在真空預壓處理的20余天內，泥漿池沉降量達65cm以上，約占原始泥漿高度的1/3。此外，前兩日的泥漿沉降速率明顯更快，這是由于剛開始泥漿絮凝結構疏松多孔，團聚大顆粒沉積在底部，自由水沿孔隙排出。第9d～第10d，沉降量出現一個小型的“平臺”期，這個階段真空射流泵開始全天抽水，隨著真空預壓的時間增加，沉降量開始再次上升，但上升速率略有下降。

4.2 真空預壓出水流量

由圖12可知，真空預壓在剛開始的1d內流量達到了峰值，約為每秒250ml，這是由于剛開始真空抽水時，絮凝泥漿間孔隙較大，自由水較多。真空抽水第2d～第5d流量維持在一個較高的水平，此時APAM的絮凝作用和生石灰的增滲作用最為明顯，真空預壓第5d～第10d，隨著真空抽水時間的不斷增加，排水板附近土體滲透性降低，土柱開始形成，淤堵效應增強。到23d之后流量小于20ml每秒，停止真空預壓。

圖12 真空預壓流量

4.3 十字板剪切強度

真空預壓結束后，對泥漿池內土體進行十字板剪切試驗，得到試驗結果如表2所示。

表2 土體真空預壓十字板剪切強度

由表2中數據可知工程現場廢棄泥漿在絮凝增滲真空預壓處理后，表面十字板剪切強度為35kPa，處理后接近泥漿池底部的土體十字板剪切強度也達到了22kPa，由飽和狀態(tài)流塑性泥漿到整個泥漿池土體十字板剪切強度均達到20kPa以上，土體承載力得到了顯著提高。

5 結語

（1） 研究采用真空預壓結合絮凝劑及增滲劑，對工程現場泥漿的處理進行了真空預壓試驗，試驗后泥漿承載力顯著提高，是一種可行的工程泥漿處理方法。

（2） 研究進行沉降柱試驗，得到了生石灰作為增滲劑與聚丙烯酰胺絮凝劑的配比：生石灰質量分數為0.5%、0.3%濃度的APAM摻量為175ml/L。

（3） 研究進行了工程廢棄泥漿的真空預壓室內模型試驗和現場試驗，現場試驗采用間歇抽水的預壓方式，從真空預壓處理結果來看，處理效果良好。