軟土、淤泥、塘處理技術研究與應用

陳佳培 任 磊 何 倩

(南京市水利建筑工程有限公司，江蘇 南京 210000)

軟土、淤泥處理問題一直是我國新區(qū)建設、河道治理的重要難題,淤泥具有含水率高、有機質含量高、力學物理性能差等特點，施工場地無法進行施工機械行走。在新區(qū)地塊開發(fā)建設、河道治理施工過程中，需對淤泥區(qū)域進行挖除，采用回填土進行換填或者進行拋石擠淤。但是淤泥開挖、置換具有工程量大、占用場地多、環(huán)保要求嚴、造價高等缺點。因此，采用固化劑對淤泥進行固化處理，研究以節(jié)能、降耗為指導的淤泥固化技術，改善場地現(xiàn)狀，提高場地地基承載力，保證大型機械設備安全通行、施工道路及臨時設施妥善布置，對新區(qū)、新城鎮(zhèn)在地塊開發(fā)、河道治理等方面具有重要意義。

1 工程概況

南京江北新區(qū)中心區(qū)地下空間一期建設工程包含12個地塊，規(guī)劃建設地下停車場、設備用房、地下室人防工程、道路工程、雨污水工程、管廊工程、過境隧道工程、地鐵配套工程，以及其他市政空間及服務設施等。本區(qū)段為啟動區(qū)二區(qū)1段(10號、13號、16號地塊)，場地面積約54000m2，場地總延米為1100m，地塊高程6.5～7.8m，場地內普遍存在淤泥、蘆葦蕩及水塘(見圖1)。根據(jù)工程地質勘察報告，查獲本工程地質條件(見表1～表3)。

圖1 場地內淤泥、軟土及水塘現(xiàn)狀

表1 巖土體工程特性

表2 室內土工試驗物理性質指標

表3 承載力特征值

2 淤泥處理方案比選

2.1 物理法、換填法、固化法比選

2.1.1 物理脫水固結

脫水固結是指采用自然風干，即將泥漿攤鋪開，通過蒸發(fā)、滲漓、自然晾曬和溢流等方式實現(xiàn)脫水。自然脫水需要征用晾曬場所，脫水速度較慢，且受天氣氣候影響，容易影響施工工期，不適合大批量泥漿的處理。

物理脫水固結技術只是將孔隙水部分或全部脫出，并沒有除去其中污染物質，也就是說處理后仍具有污染性。因此，對于有高含水率的泥漿，采用物理脫水固結后，仍應考慮采取措施防止二次污染，且脫水時間較慢，遇水后會二次泥化。

2.1.2 換填法

換填法是將基礎地面以下一定范圍內的軟弱土挖去，然后回填強度高、壓縮性較低，并且沒有侵蝕性的材料的方法。常用換填材料有砂、砂石、建渣等。換填法需將軟弱土全部挖出、外運，再外購合格換填材料攤鋪、壓實。采用砂、砂石，成本高。采用建渣，一是場地換填范圍大、深度深，無充足料源；二是回填建渣后對打樁成孔不利；三是成本較高。

2.1.3 化學固化技術

化學固化技術是向泥漿中添加固化材料，通過攪拌混合、養(yǎng)護，使淤泥、水、固化材料之間發(fā)生一系列的水解和水化反應，使得松軟無強度的淤泥變成具備一定力學性能的固化土。

化學固化技術的原理是：固化材料通過一系列的水解、水化反應，在淤泥顆粒表面產(chǎn)生膠凝物質(水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等)，形成不可逆轉的結凝硬化殼，使淤泥顆粒具備一定的水穩(wěn)定性和強度穩(wěn)定性。另外，具有膠凝性質的水化產(chǎn)物在淤泥顆粒之間形成了網(wǎng)狀結構，即構成了淤泥的骨架，結晶類的水化產(chǎn)物則填充網(wǎng)狀結構的孔隙，使淤泥內部變得致密，硬化后淤泥便具備了一定的結構強度。顯然，化學固化處理通過固化材料的吸水作用可有效降低淤泥的含水率，另外，包裹著淤泥顆粒的凝結硬化殼可有效降低其中污染物質的活性，從而起到一定的“減污”作用。

化學固化處理后的泥漿具有強度可控、施工簡便迅速等優(yōu)點，適合大批量泥漿的固化處理。用固化技術處理廢棄泥漿使其變?yōu)樵偕Y源在國外已得到廣泛的應用，技術比較成熟。

綜合多方面因素，采用固化方案進行施工，施工簡易，施工成本較為經(jīng)濟，能實現(xiàn)泥漿快速降水，固化后的泥漿滿足清潔外運和資源化利用要求。

2.2 固結材料比選

2.2.1 生石灰固結

a.作用機理。生石灰與原泥拌和后，生石灰吸收土體中的水分消解成氫氧化鈣即熟石灰，同時反應中釋放出大量的熱，體積增大1～2.5倍。生石灰與水的化學反應，放出大量的熱量，可蒸發(fā)部分水分，同時生石灰與水反應產(chǎn)生氫氧化鈣后會繼續(xù)與原泥中其他物質發(fā)生進一步反應，增加固體物總量，進而增加處理后泥漿的含固量，起到降水效果。

b.優(yōu)勢。通過與水接觸散熱蒸發(fā)水分，能夠快速實現(xiàn)降水，能有效抑制淤泥中的微生物。

c.劣勢。生石灰干化的泥漿對水的親水性較好，固化后的泥漿遇水會膨脹，增加泥漿的外運體積，固化體遇水會二次成泥，摻量大，成本高，固結后的泥漿呈堿性，不利于植被生長。石灰在施工過程中容易產(chǎn)生揚塵等二次污染。

2.2.2 水泥固結

a.作用機理。水泥與原泥拌和后，水泥和泥漿里的水分發(fā)生化學水化反應，體積增大，發(fā)出熱量，使水體脫水擠壓固結。水泥的水化反應產(chǎn)物中具有膠凝物質的水化物，對土粒顆粒產(chǎn)生膠化作用。水泥水化反應的凝結及硬化作用也提高了土體強度。

b.優(yōu)勢。水泥通過吸水固結將泥漿進行膠結，形成的膠結體有良好的耐久性和強度。

c.劣勢。水泥遇水膠結成團，無法對泥漿充分固結，固結效果較差，且摻量較大，成本高。

2.2.3 HAS固化劑

a.作用機理。HAS固化劑及其系列產(chǎn)品是以工業(yè)廢渣為主要原材料生產(chǎn)的一種新型水硬性硅鋁基灰渣膠凝材料。該系列產(chǎn)品能有效固結土壤、淤泥、尾砂、粉煤灰等各種細顆粒，具有早期強度高，后期強度穩(wěn)定發(fā)展、無“倒縮”等特點，通過同相類同相固結，使固結體具有良好的耐水性和水穩(wěn)性。

b.優(yōu)勢。與傳統(tǒng)的固化方式如水泥、石灰固化等相比，在同等條件下，同齡期固化體的強度得到了很大的提高，且抗?jié)B、抗凍、防腐蝕性能更好，摻量更低。

固化后的泥漿相比固化前的體積降低30%?？梢詼p少外運的土方量，節(jié)約外運成本。

經(jīng)固化劑固化的泥漿，其強度和水穩(wěn)定性能均有較大幅度的提高，遇水不會二次成泥，固化土可以作為回填土料再利用，這是區(qū)別于石灰固化泥漿二次成泥的最大優(yōu)勢。

HAS固化劑用于固化泥漿，由于摻量低，施工簡易，使固結土更均勻，可以提高施工效率，避免泥漿直接外運需專用堆場的處置費用，大幅度降低綜合施工成本。并且通過HAS固化劑進行改性處理后，可有效降低土壤中的有毒有害物質及金屬浸出，能有效避免對環(huán)境造成二次污染。

2.2.4 經(jīng)濟成本比較

參考航道疏浚技術交通行業(yè)重點實驗室關于固化材料配比試驗結果分析：當淤泥初始含水率在60%～70%時，單摻水泥的處理效果好于生石灰，且水泥的摻灰比7%為比較合適的值，而根據(jù)單摻生石灰的淤泥含水率變化規(guī)律，生石灰摻量為12%較適宜。根據(jù)葛洲壩地下空間泥漿現(xiàn)場取樣實驗室試驗數(shù)據(jù)對比分析，HAS固化劑摻量5%可以滿足固化外運要求。

根據(jù)地勘報告：雜填土重度為18.3kN/m3，素填土重度為18.8kN/m3，淤泥質粉質黏土重度為18.0kN/m3。經(jīng)換算，雜填土密度為1.865t/m，素填土密度為1.916t/m3，淤泥質粉質黏土密度為1.835t/m3。

現(xiàn)暫以濕密度1.835t/m3計算每方淤泥各固結材料成本。

固化劑用量：5%×1835kg=91.75kg；

水泥用量：7%×1835kg=128.45kg；

生石灰用量：12%×1835kg=220.2kg。

參照南京市場造價通網(wǎng)，水泥價格為510元/t，生石灰價格為310元/t，固化劑價格680元/t，因此各固結材料成本為：

固化劑：0.09175×680=62.39元/m3；

水泥：0.12845×510=65.51元/m3；

生石灰：0.2202×310=68.26元/m3。

3 HAS固化劑試驗研究分析

本工程在10號地塊西側定山大街西路泥塘處進行試驗，通過配比試驗，確定最佳配比為5%。泥漿固化后，土的物理性能和力學指標等均有效提高，48h后固化劑改良淤泥的改性土符合回填土要求，從而使淤泥質軟土變成良好的基床填土。根據(jù)現(xiàn)場試驗泥漿含水率變化，泥漿土經(jīng)現(xiàn)場拌和后悶料3～4天便可進行基床填筑施工(見圖2)。

圖2 HAS固化劑試驗機械拌和

4 淤泥處理深度確定

根據(jù)總體規(guī)劃，地下連續(xù)墻施工道路、三軸攪拌樁施工平臺下鋪設300mm厚C30混凝土，內含HRB400級φ14@300雙層雙向鋼筋。根據(jù)施工規(guī)劃，確定設備選型及材料自重(見表4)。

表4 設備及材料自重

由表4可知，最大自重為300t的履帶吊吊裝鋼筋籠行走過程，視吊車與吊物為整體，故最大自重=3792.6+980=4772.6kN。

在機械行走過程中，根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB 50007—2011)，考慮受力方式為軸心受壓。鋼筋籠豎起時，吊車及吊物整體重量為4772.6kN。吊車兩個履帶尺寸為6.89m(長)×1.16m(寬)。應力分配到兩條履帶上，不平均分配系數(shù)取1.2，則履帶傳遞到混凝土硬化層表面的壓應力為

σ=1.2×4772.6/(6.89×1.16×2)=

358.28kPa<[fc]=14.3MPa

滿足要求。

混凝土擴散角按45°考慮，傳遞到混凝土硬化層下地基應力為

σ=358.28×6.89×1.16/[(6.89+0.3×2)×

(1.16+0.3×2)]+0.3×24=224.42kPa

根據(jù)該區(qū)域的勘察資料，固化土層下為淤泥質土層，該層的承載力特征值為60kPa。以固化后表層土的目標承載力特征值224.42kPa為前提，計算軟弱下臥層的承載力(見表5)。

表5 淤泥質土的標準承載力要求

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，為保證固化表層承載力達到224.42kPa承載力的要求，經(jīng)對固化層以下軟弱下臥層承載力的校核驗算：最小固化深度為1.8m，結合現(xiàn)場試驗段試驗數(shù)據(jù)及固化處理施工經(jīng)驗，為保證固化土層壓實度，固化處理后最小厚度為2.0m。

硬化層下采用HAS固化劑處理軟土，擴散角按30°考慮，傳遞到原始地面地基應力為

σ=224.42×6.89×1.16/[(6.89+0.3×2+2.0

×1.73×1.4)×(1.16+0.3×2+2.0×1.73×

1.4)]+0.3×24+2.0×14=57.22kPa<60kPa

滿足要求。

5 HAS固化處理施工方法

5.1 施工準備

淤泥固化施工前，進行現(xiàn)場踏勘，復核雜填土、素填土、淤泥、水塘等軟土區(qū)域，確定處理范圍?，F(xiàn)場存在水塘，淤泥處理前需先將水抽排。水泵選用7.5kW清水泵及7.5kW泥漿泵，通過消防水帶就近將水排入已建排水溝中?，F(xiàn)場水塘處存在較多蘆葦，施工前先予以清除，植被清理完成后，將蘆葦塘中帶根淤泥及帶腐淤泥清除干凈。

同時對場地內雜填土、素填土、淤泥質粉質黏土等進行承載力檢測，作為固化劑投加量及固化深度復核依據(jù)。在場地軟土區(qū)域內進行軟土取樣，檢測含水率、濕密度等參數(shù)，復核固化劑投加配合比。

5.2 投料拌和

檢測完成后進行投料拌和，由于處理深度較深，若一次性全部處理后期無法進行壓實回填，回填壓實度、承載力無法保證。故需分層處理，處理層厚為40cm/層。以二區(qū)1段(10號、13號、16號地塊)為例，擬將場地劃分為33個40m×44m區(qū)域，先施工東西兩側再施工中間部位。為加快施工，南北相向施工。

圖3 投料拌和流程(尺寸單位：m)

由于軟弱土層需分層固化，在施工過程中1～11號、23～33號底部留40cm厚軟弱土層，上部采用推土機及挖機將淤泥轉至中間區(qū)域(12～22號)，待底部40cm處理完成后再層層進行轉移、投料、拌和。處理過程中需采用臺階法斜坡搭接，形成均勻過渡。

采用人工與機械配合投料，按照確定的配合比直接將固化劑均勻攤鋪在待拌和的淤泥的表面，采用挖掘機拌和，拌和2～3遍，至較均勻為止。

5.3 悶料

悶料期間做好防雨措施，防止拌和料因雨導致含水率增大，不利于回填碾壓。

5.4 攤鋪回填

攤鋪集中進行，攤鋪均勻后的混合料應根據(jù)含水率變化情況選擇合適的碾壓時機，防止水分過度蒸發(fā)或降雨損失。

采用18t壓路機碾壓固化后混合料。

5.5 養(yǎng)護

混合料經(jīng)拌和、壓實后，養(yǎng)護期間要保持穩(wěn)定土層表面經(jīng)常濕潤，應限制重型機械進場。養(yǎng)護完成后，進行地基承載力復檢，合格后進行道路、加工場地等后續(xù)施工。

6 結 語

通過本工程實踐表明，HAS固化劑僅需小塊場地，在施工場地受限時具有突出優(yōu)勢，環(huán)保效益、經(jīng)濟效益及社會效益等優(yōu)勢巨大。

a.環(huán)保效益方面。采用生石灰處理泥漿使泥漿呈堿性，泥漿外運堆棄會影響植被的生長。HAS固化劑本身為低堿低鈣環(huán)保材料，固結后的泥漿可用作綠化用土，并能有效固結泥漿中的重金屬，防止重金屬浸出。

b.經(jīng)濟效益方面。生石灰固結泥漿會使泥漿體積膨脹，外運成本增加，而HAS固化劑能減少泥漿外運體積達30%，節(jié)省了外運成本。水泥、石灰固結泥漿的摻量高，HAS固化劑固化摻量綜合成本更低，大大節(jié)省了材料成本。

c.社會效益方面。本工程地處國家級新區(qū)——南京江北新區(qū)，對于泥漿的處置，HAS固化劑作為一種環(huán)保型處置材料，在解決了泥漿環(huán)保處置、清潔外運問題的同時，也為泥漿資源化利用提供了解決方案，既助力了江北新區(qū)的環(huán)保建設也為節(jié)約南京土資源起到了良好的社會效應。