吹填海泥摻水泥充灌模袋筑堤試驗

吳月龍，朱方方，陳東東，張 紅

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京210029;2.南京瑞迪建設科技有限公司，江蘇 南京210029)

近年來，灘涂開發(fā)圍海造陸工程[1－3]發(fā)展方興未艾，其中圍堤建設是圍海造陸中的必須步驟。目前國內(nèi)常采用模袋砂構(gòu)筑圍堤，但是隨著砂源的緊缺及在江河口、湖泊的綜合治理和港口航道的疏浚工程中清淤產(chǎn)生大量的疏浚淤泥棄置等問題。在此背景下，模袋充淤筑堤技術(shù)[4－6]應運而生，該技術(shù)一方面解決了砂源短缺的難題，另一方面更好的解決了港口航道的疏浚淤泥的棄置;但是疏浚或者吹填產(chǎn)生的淤泥具有高含水率、高液限、高壓縮性、低強度、透水性差等特點，如何將模袋充填的淤泥快速固結(jié)硬化以達到滿足工程建設的需要是一項急需解決的問題。

運用固化方法處理疏浚海底淤泥是模袋筑堤技術(shù)[7－9]的一種，在我國起步較晚，仍處在探索階段，目前研究主要集中在固化材料及固化機理等方面。一方面通過室內(nèi)試驗研究淤泥固化土強度、變形及滲透性等特性[10－11]，并以強度作為固化效果評價標準研究新型固化劑;另一方面研究其加固機理[12－14]同樣是通過室內(nèi)試驗運用圖像分析法、物相分析法以及孔隙結(jié)構(gòu)分析法等圍繞固化材料的反應、水化產(chǎn)物的種類、形態(tài)、數(shù)量及其對土的加固作用等方面開展。關(guān)于固化土模袋筑堤試驗的現(xiàn)場實際筑堤效果研究[15－16]也有一些，但并不多。

本次研究首先通過對不同泥漿比重、不同水泥摻入比下模袋的排水特性以及摻固化劑海泥的無側(cè)限抗壓強度進行分析，選定充填泥漿的比重、固化劑(水泥)的摻量;其次，進行現(xiàn)場試驗，對試驗過程中的堤身各層模袋沉降、邊樁側(cè)向位移、袋內(nèi)孔隙水壓力進行監(jiān)測，對堤身各層袋內(nèi)固化海泥進行了十字板抗剪強度檢測。

1 試驗段概況

本次模袋筑堤現(xiàn)場試驗工程位于蒼南縣江南海涂圍墾區(qū)內(nèi)，江南海涂圍墾位于蒼南縣東海岸，東臨東海，南接琵琶山和巴艚港，北瀕鰲江，西連東塘標準堤(見圖1)。1#隔堤場地較平整，已整體鋪設一層40 m～60 m寬砂被，砂被頂高程約為2.00 m。本試驗段為1#隔堤最西側(cè)向東25 m段，作為砂被外側(cè)鎮(zhèn)壓棱體。

本試驗段從改變?yōu)┩坑倌嗤临|(zhì)物理化學性質(zhì)角度出發(fā)，通過在充灌淤泥中摻入固化劑水泥產(chǎn)生物理的化學的反應，使得淤泥土粒粗化，提高其滲透性，改善其物理力學特性，利用聯(lián)體充填管袋袋體的尺寸效應，加快淤泥固結(jié)，達到淤泥填筑分倉隔堤的目的。

1.1 隔堤形式

隔堤的高度為1.5 m，頂寬為1 m，本試驗根據(jù)模袋的容許抗拉強度、單個模袋的極限充填高度確定模袋淤泥隔堤采用聯(lián)體式充填管袋，單個充泥模袋的直徑為1.2 m ～1.5 m、每層充填高度20 cm ～30 cm、充填的層數(shù)6層，頂層采用1個整體性模袋，向下依次每層多一個模袋，具體斷面形式見圖2所示。

圖1 依托工程示意圖

圖2 隔堤斷面形式示意圖

1.2 充灌材料

海底淤泥漿黏粒含量高、顆粒細、含水率高、孔隙比大、壓縮性大、滲透性能差，充灌后排水速度慢，不易固結(jié)(見表1)。若泥漿中摻入一定量的水泥，則水泥與淤泥漿之間將產(chǎn)生十分復雜的物理化學反應，生成水化硅酸鈣、氫氧化鈣、水化鋁酸鈣、水化鐵酸鈣等化合物，同時其凝膠將土顆粒膠接起來，并逐漸填充土顆粒間的大空隙。隨著土體自由水減少，形成水泥土的團粒結(jié)構(gòu)，可改善淤泥土的物理力學性質(zhì)。

表1 海底淤泥粒徑級配 單位:%

1.3 土工模袋選擇

土工模袋的袋布選擇在考慮保土性、透水性、耐久性及滿足抗拉強度等因素基礎(chǔ)上，同時考慮摻入固化劑后模袋化學穩(wěn)定性。通過必選采用200 g/m2聚丙烯編織布作為充填模袋。

2 泥漿比重及水泥摻量的確定

2.1 模袋排水特性研究

試驗選擇海底淤泥漿的比重為1.2與1.3進行兩組試驗，分別在水泥摻入質(zhì)量比為1%、3%、5%、7%下測定其排水特性，試驗結(jié)果見圖3。

由圖3可看出:(1)在充灌量相當?shù)那疤嵯拢嗤幙棽寄４鼉?nèi)灌泥漿比重1.2的模袋出水量較大;(2)泥漿比重一定時，水泥摻入比越大，模袋的出水體積越小;(3)水泥摻量為5%和7%的模袋排水主要在前期，中后期幾乎不出水。

結(jié)果表明水泥固化劑與水及土顆粒反應充分，土顆粒被粗化，不易堵塞有效孔徑較大的編織模袋;水泥摻入比相同時，充灌泥漿比重為1.2的模袋出水量大些，故選擇泥漿比重較小的即1.2比重的泥漿較利于土的固結(jié)與排水。

圖3 袋出水體積與水泥摻量隨時間變化關(guān)系曲線

2.2 固化土強度特性研究

選取比重1.2的泥漿，并在其中加入1%、3%、5%、7%的水泥固化劑現(xiàn)場制樣，并測定其不同齡期的無側(cè)限抗壓強度值。由于水泥摻量為1%、3%的試樣未成形，圖4僅給出了5%、7%摻量下試驗所得固化土的7 d、14 d、28 d三個不同齡期的無側(cè)限抗壓強度值。結(jié)果顯示隨著水泥摻入比的增大、齡期的延長，無側(cè)限抗壓強度越大，固化效果越明顯。由于水泥摻入比越大，模袋的排水特性越差，同時綜合考慮施工過程中的經(jīng)濟性，在現(xiàn)場試驗過程中采用的水泥摻入比為5%。

圖4 不同摻入比試樣各齡期無側(cè)限抗壓強度值

3 現(xiàn)場筑堤試驗研究

3.1 施工工藝流程

根據(jù)設計及試驗段工程地質(zhì)情況選用現(xiàn)場灘涂的淤泥作為充填材料，采用泰興泥漿泵及水泵(槍)進行淤泥分層充灌筑堤，具體施工工藝流程及現(xiàn)場施工情況見圖5。

圖5 施工工藝流程圖

3.2 監(jiān)檢測數(shù)據(jù)分析

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對現(xiàn)場沉降、側(cè)向位移及孔壓監(jiān)測數(shù)據(jù)整理成果見圖6～圖8。

由圖6～圖8可知，本試驗段前期沉降速率較快，后期趨于穩(wěn)定，可以看出充灌后淤泥固化較快，這也印證了現(xiàn)場施工情況及十字板檢測結(jié)果;而側(cè)向位移變化曲線與沉降曲線較為相似，同樣是前期變化較大，20 d左右即進入穩(wěn)定階段;試驗段施工期間，孔壓的變化較大，不太穩(wěn)定，但隨著時間的延續(xù)孔壓逐漸消散，表明模袋內(nèi)土體有一定程度的固結(jié)，孔壓消散速度很快。

圖6 沉降隨時間變化曲線

圖7 側(cè)向變形隨時間變化曲線

圖8 孔壓隨時間變化曲線

(2)檢測數(shù)據(jù)分析

施工完成7 d以后進行現(xiàn)場十字板抗剪強度試驗，得試驗段隔堤抗剪強度Cu按照充灌順序從第一層到第六層分別為 25.1 kPa、22.3 kPa、18.1 kPa、17.4 kPa、9.2 kPa、4.2 kPa，摻固化劑海泥聯(lián)體充填管袋填筑隔堤方案在選擇合適固化劑(水泥)及摻入量(5%)的情況下能夠快速固化使得隔堤達到一定強度和承載力。

4 結(jié)論

(1)土工模袋內(nèi)充灌摻加一定比例固化劑(水泥)的海泥筑堤技術(shù)對施工現(xiàn)場條件要求較低;施工技術(shù)主要為泥漿配置、模袋制作及分層充灌，簡單易于掌握。

(2)施工中充填泥漿的比重、水泥的摻入比在筑堤施工前需要通過模型配比試驗進行研究，以選擇合適的施工參數(shù)。

(3)采用該工法施工后能夠快速固化使得隔堤達到一定強度和承載力，且堤身沉降、側(cè)向位移、孔壓消散情況基本能夠滿足設計要求。采用吹填海泥摻水泥充灌模袋筑堤適用于對工期要求嚴格，需要快速硬化成堤的工程。

(4)由于固化劑對環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，對于該種影響有待進一步研究。

[1]裘江海.我國近代灘涂開發(fā)利用綜述[J].水利發(fā)展研究，2006，6(3):26-28.

[2]陳 君，張長寬，林 康，等.江蘇沿海灘涂資源圍墾開發(fā)利用研究[J].河海大學學報:自然科學版，2011，39(2):213-219.

[3]陳小文，劉 霞，張 蔚.珠江河口灘涂圍墾動態(tài)及其影響[J].河海大學學報:自然科學版，2011，39(1):39-43.

[4]馬 燕.大型充泥袋結(jié)構(gòu)在黃驊港一期工程引堤工程中的應用[J].港工技術(shù)，1999，(4):21-24.

[5]李寶強.土工織物充灌袋在天津港海堤建設中的研究及應用[J].中國港灣建設，2003，23(5):36-38.

[6]張鐘洲，余之林.大型土工織物袋圍海造地設計實例[J].水運工程，2005，(6):119-121.

[7]楊 智，袁 磊，李 淼，等.充泥管袋和模袋混凝土在堤防中的應用[J].水利水電科技進展，2000，20(2):44-46.

[8]張 敬，葉國良，朱耀庭.水泥固化土新材料在圍埝堤心結(jié)構(gòu)中應用研究[J].海洋工程，2007，25(3):115-121.

[9]劉成鋒，周 偉.大模袋充填固化泥用于灘海路堤堤心技術(shù)的研究[J].石油工程建設，2009，34(6):22-26.

[10]劉愛民.低摻量水泥固化土的強度影響因素分析[J].水運工程，2007，(2):24-27.

[11]繆志萍，劉漢龍.堤防水泥固化培土強度的試驗研究[J].華東船舶工業(yè)學院學報，2005，19(5):20-24.

[12]郭 印，徐日慶，邵允鋮.淤泥質(zhì)土的固化機理研究[J].浙江大學學報:工學版，2008，42(6):1071-1075.

[13]黃 新，寧建國，郭 曄，等.水泥含量對固化土結(jié)構(gòu)形成的影響研究[J].巖土工程學報，2006，28(4):436-441.

[14]郭 印.淤泥質(zhì)土的固化及力學特性的研究[D].杭州:浙江大學，2007.

[15]湯怡新，劉漢龍，朱 偉.水泥固化土工程特性試驗研究[J].巖土工程學報，2000，22(5):549-554.

[16]劉 潤，閆 ，閆澍旺，等.模袋固化土圍埝地基排水固結(jié)過程的模擬分析[J].巖土力學，2007，28(11):2409-2414.