盾構渣土固化處理后作為路基填料的綜合評價研究

武興

摘要：針對隧道盾構施工渣土含水率高，飽和度高，液塑限高，天然含水率較大等復雜特點，通過室內試驗，研究不同的水泥含量以及固化后的含水率情況下，水泥作為固化劑改良淤泥渣土的工程特性。結果表明，加固化劑后土的級配發生了變化，合理的水泥含量以及最佳的含水率，使其CBR承載比與回彈模量有明顯的提高;浸水后改良土的承載比CBR值會明顯降低;壓實度越低，浸水后，土體吸水率越大，越容易發生松散破壞，降低土體強度。合理的水泥含量，最佳的含水率以及較大的壓實度有助于提高路基的承載能力以及抗變形能力。

關鍵詞：水泥? 淤泥? 盾構渣土? 最佳含水率? 回彈模量? CBR

隨著近年來福州地鐵的大量建設，城市的交通情況有了明顯的改善，然而地鐵施工產生的渣土也是成倍的增長，渣土不僅占用土地，降低土壤質量，同時淤泥渣土中的有害細菌微生物還會滲透進土壤中，造成水源的污染。另外，堆積的淤泥所散發的腐殖質氣味，在溫度以及水的作用下，會產生源源不斷的臭味，產生大氣的污染，其次，渣土占用空間大，堆放無序，甚至侵占了城市的各個角落，惡化城市環境衛生，與城市的美化理念格格不入。基于此種狀況，盾構渣土的改良處理有著非常巨大的實用性價值。目前盾構土的改良方式有很多種，包括物理和化學方法。物理的改良方式主要是改變土的級配，包括摻入砂礫以及其他最優土再加入膠結顆粒的方式，化學方法有摻加粉煤灰、生石灰、熟石灰、水泥、瀝青、柏油等方式，此外還可加入爐渣、碎磚、石粉、或加入少量泥炭增加連接力等。本文針對水泥改良盾構渣土進行研究，通過擊實試驗確定最佳含水率，通過承載比試驗以及土的回彈模量試驗，得到在不同的水泥含量狀況下，浸水后，土的CBR值以及回彈模量，來評價改良土的工程特性。

盾構渣土處理的一般流程為：將盾構施工運出的渣土中的石塊、砂石與泥漿在水的沖擊下進行振動分離，分離出的大塊砂石通過傳送設備集中堆積，同時對分離出的細沙和泥漿混合料進行絞籠分離，將細沙排出，對分離出的泥漿通過導流槽或管進行一次絮凝處理，將絮凝處理后的泥漿在泥漿池中經沉淀分離出泥漿和清水，清水排進清水池作為施工的循環用水，泥漿泵入凹凸型泥漿輸送管進行二次絮凝處理，將二次絮凝處理后的泥漿送入帶式壓濾機中經壓濾得出干泥餅。然后在泥餅中加入水泥等固化劑，以此來改良渣土的工程特性。

1.盾構淤泥渣土性質

1.1顆粒分析試驗

土的級配對于土的擊實效果有著主要影響，級配良好的土可以得到更大的最大干密度，土粒的周圍有結合水膜，黏粒越多的土其吸水率越高，同時結合水膜的存在會減小土粒之間的咬合力，減小其抗剪強度，使土更容易破壞。表1為盾構原狀淤泥土的顆粒分析結果，采用篩分法與移液管法進行測定。

由表中分析可知，土里主要分布于粉粒0.002-0.075mm范圍內，含量達到72%，其次小于0.002mm，含量22.4%。可以得出土的吸水能力強。

1.2物理性質實驗

盾構淤泥土具有高孔隙比，密度小，顆粒細小，但由于存在一定的連接，土場處于軟塑狀態，但是一經擾動結構就會遭到破壞，福建省淤泥質土，有機質含量比較高，親水性強。工程性質復雜。物理性質實驗結果見表2.

從表2可以看出，盾構土的液限為59，塑性指數21.6，屬于高液限土，含水率與飽和度高，力學性能復雜。需要進行改良方可用于公路路基的填筑施工。

2.實驗方案

根據《公路無機結合料穩定材料試驗規程》結合《公路土工試驗規程》，建立試驗方案，對比實際工程經驗，考慮經濟適用性情況。本文采用4%水泥含量摻量進行試驗。

2.1改良土物理性質

2.1.1顆粒分析試驗

摻加4%水泥作為固化劑后，進行攪拌，盾構渣土成塊狀，經過碾壓粉碎，使土顆粒粉散開來，進行篩分與顆粒分析試驗。試驗結果如表3所示，粉粒與黏粒含量有所增加，為水泥顆粒。

改良前后顆粒組成并無太大的變化，可以得出結論，水泥改良盾構沙土，不是通過改變土的顆粒級配來改良土的性能。

2.1.2物理性質實驗

改良土后物理性質有了極大的改善，具體實驗結果如下表4所示。

根據現有研究成果，土的可塑性與土中的礦物成分有關系，同時也與同種溶液的化學成分PH值有關同。親水性礦物增多則可塑性加強，由大多數次生物礦組成的黏粒通常帶有負電，由陽離子構成反粒子層，高價離子易于被土粒表面靜電吸附，擴散層較薄，結合水的數量減小。盾構土中加入水泥改變了粒度組成，增加了可塑性粒徑含量，同時Ca含量增加減少可塑性。由此可知水泥中的陽離子減小了盾構土的可塑性。

2.2盾構改良土的擊實試驗

本次試驗采用重型擊實試驗，具體實驗方法見JTG E40-2007土的擊實試驗。通過對不同含水率的改良土進行擊實試驗，得出了改良前最大干密度1.484g/cm，最佳含水率26.5%。改良后盾構土最大干密度1.534g/cm，最佳含水率22.7%。同時改良前最佳含水率曲線不明顯。實驗結果見圖1，表5所示。

由上可知改良后土的最大干密度有所提升，土的最佳含水率有所減小。水泥的摻入，不僅降低了土的吸水能力減小了路基干燥的時間，同時令土更加的密實，還可以與水反應成為膠結物將分散的土顆粒連接在一起，增強了土的強度。

2.3盾構改良土的承載比試驗

為了更好的了解改良土的力學特性，在最佳含水率的情況下用不同的壓實度，進行土的承載比試驗。試驗結果如圖2，表6所示。

承載比是由美國加州公路局首先提出的，在我國的柔性路面設計中，雖然以路基土和路面材料的回彈模量作為設計參數，但是在路面施工規范中CBR仍是一項重要的力學指標。CBR是指試料貫入量達到2.5mm時，單位壓力對標準碎石壓入相同貫入量時標準荷載強度的比值。從圖上可以明顯看出，隨著壓實度的增加，土的承載比逐漸增大，直到壓實度達到接近100%，這時土的干密度達到最大。同時改良后的土承載比有明顯提高，在沒有改良前承載比在11.0，改良后承載比增加到19.0。可以得出水泥作為改良的固化劑擁有明顯作用。改良后的渣土已經可以用于道路94區路基用土。水泥作成分一般為硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣，與水反應生成了一部分凝膠，還有氫氧化鈣，這些土體形成了一定的空間網狀結構，將土顆粒包裹于其中，加強了土體的整體性，同時一部分物質硬化形成鈣礬石，與土粒之間產生咬合，進一步提高土的強度。不考慮經濟因素可以適當增加水泥含量，借以提高承載力。

2.4盾構改良土的吸水量及膨脹量

改良前盾構土與改良后盾構土分別制備30擊，50擊，98擊的試樣各3個，對應于承載比的3個壓實度，實驗結果如表7所示。

膨脹量與吸水率可以更加直觀地觀測到土體泡水后后體積的變化，反映出了土在浸泡之后，土顆粒的分散狀況，從側面顯示出了土的強度降低情況。從上表可以看出，改良后的土在泡水后，膨脹量與吸水量都要小于未改良土，說明水泥可以提高路基土的工程性能。

2.5盾構改良土的回彈模量試驗

分別制備30擊，50擊，98擊的試樣各3個，對應于承載比的3個壓實度，實驗結果如表8所示。

回彈模量是指路基，路面及筑路材料在荷載作用下產生的應力與其相應的回彈應變的比值。土基回彈模量表示土基在彈性變形階段，在垂直荷載作用下，抵抗豎向變形的能力。如果垂直荷載為定值，土基回彈模量值愈大則產生的垂直位移就愈小;如果豎向位移是定回彈模量值愈大，則土基承受外荷載作用的能力就愈大，因此，路面設計中采用回彈模量作為土基抗壓強度的指標。可以看出，改良后的土的回彈模量，明顯得到了提高，已經可以作為次干路的路基填料使用。

3.結論

通過實驗可以得知，在盾構渣土中加入水泥固化劑可以明顯的改善盾構渣土的工程特性。使其承載能力得到大幅度提升。在一定的范圍內，隨著水泥摻量的增大，其最大干密度增大，最佳含水率減小。隨著壓實度的增大，改良渣土的承載比以及回彈模量隨之增大，抗變型能力明顯增強。盾構渣土的液塑限在加入水泥后明顯的減小，其可塑性得到增強，土體內的粘聚力，內摩擦角隨之增大。不過在浸水后其承載比會有所下降。綜上所訴盾構渣土固化處理后可以作為低等級公路路基填料。

參考文獻

[1]郭國和.水泥改良高液限土工程特性試驗研究[J]上海：同濟大學，2014，（1）：92-95.

[2]盧秋香.高液限土改良試驗研究[J]廈門：中鐵二十二局集團第三工程有限公司，2016，（21）：189-190

[3]JTG 3430-2020 公路土工試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2007.

[4]JTG E51-2009 公路工程無機結合料穩定材料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2010

[5]楊斌.水泥土強度規律研究[D].上海：上海交通大學，2009

[6]李志彥.水泥土強度工程性能試驗研究[D].北京：中國地質大學，2008

[7]楊廣慶，等.高速公路路基填料承載比影響因素研究[J].巖土工程學報，2006，28（1）：97-100

[8]朱志鐸，等CBR試驗影響因素及在工程中應注意的幾個問題[J].巖石力學，2006，27（9）：1593-1596