新型固化法處理疏浚淤泥土的試驗(yàn)研究

魏雁冰，陳對(duì)航

(1.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽宏志建設(shè)工程有限 責(zé)任公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

中小河流疏浚和清淤工程是河道綜合治理的主要工程措施之一。帶水作業(yè)疏浚時(shí)多采用絞吸挖泥船對(duì)河道進(jìn)行疏挖，并通過預(yù)先鋪設(shè)的管道將疏浚淤泥土輸送至規(guī)劃排泥場(chǎng)進(jìn)行堆置固結(jié)。疏浚淤泥在排泥場(chǎng)堆置放一段時(shí)間后，經(jīng)自重排水固結(jié)后，土體形成了一定的承載力，但是其仍然表現(xiàn)為高壓縮性、高含水率、高孔隙比、低滲透性和低強(qiáng)度等工程特性。針對(duì)其這些特性，采用引進(jìn)芬蘭最新研制的固化設(shè)備對(duì)排泥場(chǎng)進(jìn)行固化處理，提出了一種固化處理排泥場(chǎng)的新方法。通過室內(nèi)固化劑的試配確定了較為經(jīng)濟(jì)適用的固化劑配比，并利用新型固化設(shè)備開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)過程中采用自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固化劑的精確配比，固化劑由連接管通過ALLU攪拌頭輸送至淤泥土中，整個(gè)過程中基本無粉塵污染，加固后經(jīng)檢測(cè)地基承載力得到顯著增強(qiáng)，此方法在類似排泥場(chǎng)的就地加固方面具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。

1 排泥場(chǎng)概況

某城市河流在河道綜合治理施工中，使用絞吸船清淤疏浚并將泥土由管道輸送至規(guī)劃排泥場(chǎng)。河道治理工程結(jié)束后，排泥場(chǎng)中淤泥深度約為1.50～3.00 m不等，占用大面積土地。政府規(guī)劃部門擬對(duì)排泥場(chǎng)土地進(jìn)行利用開發(fā)，因此需對(duì)排泥場(chǎng)地基進(jìn)行加固處理。

1.1 疏浚淤泥土基本特性研究

選定城市規(guī)劃中擬做為地面停車場(chǎng)的現(xiàn)狀排泥場(chǎng)做為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)，試驗(yàn)區(qū)面積約0.10 hm2(即1 000 m2)。試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查勘，經(jīng)淺層開挖后發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地地下水位約為地面以下0.50 m，下部淤泥沉積土呈灰黑色。其淤泥深度約為1.50～3.00 m，雖然淤泥土已晾曬并自重固結(jié)約1 a時(shí)間，但排泥場(chǎng)表層僅形成厚度約10 cm的薄狀硬殼層，無法滿足基建施工時(shí)人員和機(jī)械的承載力要求。通過取樣并做室內(nèi)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其天然含水率為71.20%、大于其液限。通過顆粒分析試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地內(nèi)淤泥土主要由細(xì)粒土組成，其中粒徑<5.00×10-3mm的粘粒含量約為26.50%，所有粒組的粒徑<7.50×10-2mm的粘粒含量約為87.40%，淤泥土基本物理指標(biāo)如表1所示。同時(shí)在試驗(yàn)區(qū)開展了現(xiàn)場(chǎng)十字板剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)淤泥土全深度范圍內(nèi)不排水剪強(qiáng)度均<4 kPa，強(qiáng)度極低。

表1 處理前淤泥土物理性質(zhì)指標(biāo)表

1.2 室內(nèi)固化劑配合比試驗(yàn)

固化劑的主要成分通常為石灰、粉煤灰及水泥等材料。本次試驗(yàn)選擇最為常見且適用的粉煤灰及水泥兩種材料做為固化材料。固化劑由不同固化材料或不同摻量進(jìn)行室內(nèi)配比，使用分別調(diào)配后的不同固化劑對(duì)淤泥土進(jìn)行固化，固化土經(jīng)養(yǎng)護(hù)14 d后，測(cè)定其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，以研究不同固化劑材料及其配比對(duì)與固化土強(qiáng)度的相互關(guān)系。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所用試驗(yàn)土樣的壓實(shí)度均已達(dá)到其最大壓實(shí)度，各固化材料的摻量百分比均根據(jù)濕土總重量計(jì)算。

首先選擇以水泥一種材料做為固化劑，分析其不同摻量時(shí)對(duì)固化土強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明固化土強(qiáng)度隨著水泥摻量的增加而增長(zhǎng)，即隨著水泥摻量的增加，固化土強(qiáng)度越高且增長(zhǎng)趨勢(shì)越明顯，固化土強(qiáng)度隨著水泥摻量的變化規(guī)律如圖1所示。同時(shí)考慮到固化劑的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，選用在4%水泥摻量時(shí)，通過摻加不同含量的粉煤灰，進(jìn)一步研究固定劑量的水泥和不同摻量的粉煤灰組成的固化劑對(duì)固化土強(qiáng)度的影響，以確定既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的固化劑配合比。根據(jù)圖2的試驗(yàn)結(jié)果可知，4%水泥摻量時(shí)隨著粉煤灰摻量的增加，固化土的強(qiáng)度先提高而后降低，即4%粉煤灰摻量時(shí)固化土強(qiáng)度達(dá)到最高。因此4%水泥摻量和4%粉煤灰摻量為最優(yōu)的固化劑配比。

圖1 固化土強(qiáng)度隨著水泥摻量的變化規(guī)律圖

圖2 4%水泥量時(shí)固化土強(qiáng)度隨粉煤灰摻量變化規(guī)律圖

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地劃分

試驗(yàn)區(qū)面積共計(jì)約0.10 hm2(即1 000 m2)，呈長(zhǎng)方形，根據(jù)加固處理深度的不同，將試驗(yàn)區(qū)分為淺處理區(qū)與深處理區(qū)兩部分。設(shè)定淺處理區(qū)與深處理區(qū)兩地塊的設(shè)計(jì)承載力分別為50 kPa和80 kPa，選擇室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)最優(yōu)的固化材料配比做為固化劑，即粉煤灰和水泥兩個(gè)固化材料的摻入量均為4%。試驗(yàn)區(qū)的相關(guān)概況參數(shù)及承載力要求如表2所示。

表2 設(shè)計(jì)資料表

2.2 實(shí)施過程

首先應(yīng)盡可能地清除排泥場(chǎng)內(nèi)生長(zhǎng)的蘆葦?shù)入s草。然后依據(jù)設(shè)計(jì)采用白灰劃線，將試驗(yàn)場(chǎng)地劃分成尺寸為2.50 m×5.00 m大小的若干矩形小網(wǎng)格，以方便后期設(shè)備的打點(diǎn)攪拌施工及處理效果的對(duì)比。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選用芬蘭ALLU公司的新型設(shè)備對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行施工處理。如圖3所示，水泥及粉煤灰兩種固化材料分別儲(chǔ)存在不同的罐體內(nèi)，將發(fā)電設(shè)備及固化材料供給系統(tǒng)等進(jìn)行組裝。同時(shí)由工程機(jī)械設(shè)備連接ALLU攪拌頭，通過管道將固化材料供給系統(tǒng)與ALLU攪拌頭連接，做好正式加固處理前的準(zhǔn)備工作。

圖3 固化材料供給系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備圖

由人工在固化材料供給系統(tǒng)面板上輸入固化劑配比及劑量，待各工序準(zhǔn)備完畢后正式開始施工，施工具體步驟為：?jiǎn)吸c(diǎn)打設(shè)噴粉→小塊攪拌混合→機(jī)械預(yù)壓整平。各施工工序進(jìn)行時(shí)的具體效果如圖4～6所示，以劃分的矩形小網(wǎng)格為單元，各小網(wǎng)格依次施工，具體工序?yàn)锳LLU攪拌頭先在每個(gè)矩形小網(wǎng)格內(nèi)打設(shè)十個(gè)點(diǎn)，插入打設(shè)過程中同步噴粉，使得設(shè)定的固化劑均勻的噴射到不同深度的淤泥土中；ALLU攪拌頭能夠?qū)崿F(xiàn)噴粉與攪拌同步進(jìn)行，可以使淤泥土與固化材料進(jìn)行充分拌合均勻。整個(gè)試驗(yàn)區(qū)固化施工完畢后，待處理場(chǎng)地有一定承載力后，可利用小型機(jī)械對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行碾壓整平。施工結(jié)束后場(chǎng)地表面鋪設(shè)塑料薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，同時(shí)在試驗(yàn)區(qū)周邊開挖排水溝等輔助設(shè)施。

圖4 單點(diǎn)打設(shè)噴粉圖

圖5 小塊攪拌混合圖

圖6 機(jī)械預(yù)壓整平圖

3 加固效果檢測(cè)

實(shí)際工程中常采用原位試驗(yàn)及室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式對(duì)地基承載力進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)區(qū)施工結(jié)束并養(yǎng)護(hù)28 d后，通過原位十字板試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)等原位檢測(cè)方法對(duì)排泥場(chǎng)的地基處理效果進(jìn)行了檢驗(yàn)，并采用鉆機(jī)取土樣開展室內(nèi)土工試驗(yàn)，進(jìn)一步了解固化土體的相關(guān)物理力學(xué)特性。

3.1 十字板剪切試驗(yàn)

分別在深處理區(qū)和淺處理區(qū)進(jìn)行十字板試驗(yàn)，結(jié)果表明固化加固后淺處理區(qū)加固深度范圍內(nèi)固化淤泥土的十字板剪切強(qiáng)度達(dá)到了150 kPa以上，深處理區(qū)處理深度范圍內(nèi)固化淤泥土的十字板剪切強(qiáng)度達(dá)到了260 kPa以上，而固化前檢測(cè)全深度范圍內(nèi)淤泥土的十字板剪切強(qiáng)度均<4 kPa，因此十字板剪切強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯，試驗(yàn)區(qū)地基承載力均明顯提高，且相比淺處理區(qū)而言深處理區(qū)的加固效果更優(yōu)。

3.2 平板載荷試驗(yàn)

分別在淺處理區(qū)和深處理區(qū)選擇一處較為有代表性的場(chǎng)地進(jìn)行平板載荷試驗(yàn)，剛開始采用的載荷板是邊長(zhǎng)為1 m正方形鋼板，但受制于試驗(yàn)設(shè)備的反重只有24 t的限制，載荷試驗(yàn)無法做到破壞值，即此時(shí)的地基承載力特征值>120 kPa。為更加準(zhǔn)確地揭示處理后的地基承載力，再次選用邊長(zhǎng)為0.50 m的正方形鋼板做為載荷板進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后整理相關(guān)數(shù)據(jù)，按照《巖土工程勘察規(guī)范》(2009年版)，確定各分區(qū)的地基承載力特征值分別是淺處理區(qū)為240 kPa、深處理區(qū)為280 kPa。同樣是深處理區(qū)的固化加固效果更優(yōu)。處理后的基地承載力均大于原設(shè)計(jì)要求，因此建議以后類似工程中可以采取固化劑減量或者部分深度處理甚至是表層處理的方法，以在滿足工程質(zhì)量要求的前提下進(jìn)一步降低成本。

3.3 室內(nèi)土工試驗(yàn)

為進(jìn)一步確定固化土的相關(guān)物理特性，在深處理區(qū)和淺處理區(qū)分別取土樣開展相關(guān)室內(nèi)土工試驗(yàn)研究。取樣深度及相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)成果的情況如表3所示。

表3 處理后淤泥土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

由表3揭示的試驗(yàn)結(jié)果可知，在深度為1.20 m同一深度處，各分區(qū)的含水量均降低至約40%，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均達(dá)到約290 kPa。以上數(shù)據(jù)表明固化加固效果極好，且在同一深度處淺處理區(qū)與深處理區(qū)的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)接近。

綜合原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)成果發(fā)現(xiàn)：使用ALLU新型固化設(shè)備加固軟基能夠顯著地提高其地基承載力。該方法是解決目前城市建設(shè)中排泥場(chǎng)占地問題的有效途徑。

4 結(jié)論及建議

①對(duì)河道疏浚排泥場(chǎng)中的淤泥土基本物理特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出采用固化法就地加固排泥場(chǎng)地基的新方法。②通過室內(nèi)固化劑配比試驗(yàn)，選擇針對(duì)淤泥土加固既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的固化劑配比。并運(yùn)用引進(jìn)芬蘭ALLU公司的新型固化設(shè)備，開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。③對(duì)固化效果進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明處理后排泥場(chǎng)的地基承載力提高顯著，且深處理區(qū)優(yōu)于淺處理區(qū)，土體含水量也由約70%降低至約40%。鑒于固化后淺處理區(qū)的地基承載力都提高至了240 kPa以上，在后續(xù)類似工程應(yīng)用中可結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)一步優(yōu)化固化劑配比及摻量，從而達(dá)到降低工程成本的目的。