疏浚泥固化處理填海筑島現(xiàn)場試驗研究

路 洋，樂紹林，陳 偉，高文波，李華威

(武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，武漢 430071)

近年來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，為了建設(shè)開放的現(xiàn)代綜合運輸體系，以港珠澳大橋為代表的“橋、島、隧”集群工程將更多的列入?yún)^(qū)域發(fā)展規(guī)劃，包括深中通道、大連灣跨海交通工程以及渤海灣大橋等。在“橋、島、隧”連通中，人工島起著海上橋梁和海底隧道轉(zhuǎn)換的重要作用。人工島的建設(shè)通常包括填砂法和吹填淤泥法，填砂法成本高；吹填淤泥法后期地基處理周期長，且難有效減小差異沉降[1]。近年來，淤泥的固化處理技術(shù)日益發(fā)展，將淤泥與固化材料混合反應(yīng)后能夠明顯降低淤泥的含水率，提高土體強度，而且整體性和均勻性好，能最大化減少地基差異沉降，使得淤泥固化土成為良好的土工材料[2-7]。利用海底隧道開挖的淤泥固化處理填筑人工島，不僅可以避免淤泥外拋對海洋環(huán)境的影響，也充分利用了自然資源，符合可持續(xù)發(fā)展的理念[8-9]。

朱偉等[10]在深圳鹽田港進(jìn)行了海洋疏浚泥的固化填海現(xiàn)場試驗，采用反轉(zhuǎn)出料式混凝土攪拌機對疏浚泥和普通硅酸鹽水泥進(jìn)行攪拌混合，再以傾倒的方式進(jìn)行水下回填，通過現(xiàn)場取樣和靜力觸探測試對回填地基的處理效果進(jìn)行了檢驗。但是，這種傾倒的處理方式無法滿足海上大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的回填施工。張春雷等[11]自制了較大型的淤泥固化處理設(shè)備，并在無錫五里湖進(jìn)行了清淤底泥的固化筑堤現(xiàn)場試驗。試驗采用雙軸攪拌機進(jìn)行混合攪拌，并使用了自主研發(fā)的復(fù)合型固化材料，固化處理效率達(dá)到60 m3/h，最后使用挖機對堤體進(jìn)行了分層填筑。但是，檢測結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了由于混合效果差而導(dǎo)致填筑堤體性質(zhì)差異大以及干縮產(chǎn)生的裂縫問題。目前，國內(nèi)尚無淤泥固化土遠(yuǎn)距離泵送水下澆筑進(jìn)行填海筑島的研究，本文基于前期室內(nèi)試驗的成果，在大連港大窯灣進(jìn)行了疏浚泥固化土泵送澆筑工藝的現(xiàn)場試驗，并對成型地基的效果進(jìn)行了現(xiàn)場檢測和評價。

1 現(xiàn)場試驗概況

現(xiàn)場試驗位于大連港大窯灣港區(qū)，該場區(qū)為早期疏浚吹填的納泥區(qū)，地基承載力分布不均，介于50～80 kPa不等，圍堰由拋石填筑而成，寬度為25 m，表層鋪有礫石和砂，可以滿足現(xiàn)場試驗設(shè)備安裝要求。試驗場主要分為4個區(qū)域，包括臨時碼頭區(qū)、淤泥存儲區(qū)、設(shè)備區(qū)以及澆筑區(qū)。儲存區(qū)基坑尺寸為55 m×20 m×4 m，澆筑區(qū)4個澆筑基坑呈L形分布，尺寸均為20 m×20 m×4 m，按坡比1:1放坡開挖。為了保證試驗過程中原泥含水率的穩(wěn)定性，儲泥基坑和澆筑基坑的四周以及底部均鋪設(shè)了土工布和防滲膜，澆筑基坑在試驗前用潛水泵抽滿海水，澆筑過程中海水隨著固化土的填筑，從預(yù)設(shè)的排水溝排除?，F(xiàn)場試驗的平面布置圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場試驗平面布置圖Fig.1 Layout plan of the field test

試驗用泥取自大連灣甘井子航道某區(qū)域，抓斗船取泥后由駁船運至試驗場的臨時碼頭區(qū)，再由長臂反鏟挖機卸泥、裝車后傾倒至淤泥儲存區(qū)；淤泥由挖機給料，稱重計量后通過皮帶機輸送至混凝土強制式雙軸攪拌機，通過管道添加固化材料漿液和海水，完成強制拌和；新拌固化土通過高壓活塞泵和管道輸送至澆筑區(qū)完成水下澆筑。整個現(xiàn)場試驗完成固化土水下澆筑方量4 000 m3，泵送距離超過300 m，系統(tǒng)處理能力達(dá)到100 m3/h?，F(xiàn)場試驗工藝流程如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場試驗工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of the field test

2 試驗材料與方法

試驗用泥的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。固化材料選用42.5普通硅酸鹽水泥和一種復(fù)合固化劑。前期室內(nèi)研究成果表明，復(fù)合固化劑的固化效果明顯優(yōu)于42.5普通硅酸鹽水泥，故以兩者作為對比材料進(jìn)行現(xiàn)場試驗。該固化劑的組成成分為工業(yè)廢渣65%～75%、偏高嶺土20%～30%、硅酸鉀5%～12%、活化劑0.3%～1%。

表1 試驗用泥物理性質(zhì)分析Tab.1 Physical properties of the soil

前期室內(nèi)試驗成果表明，固化材料的摻量和固化土的含水率是影響固化土成型強度的主要因素。固化材料的摻量越高，固化土的強度越高，固化土的含水率越高，固化土的強度越低[12-15]。而固化土的含水率又是影響固化土流動性能的主要因素，含水率越高，固化土流動性越好，泵送性能也越好。為了順利泵送，試驗前期進(jìn)行了不同含水率固化土的泵送性能試驗。試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 固化土泵送性能試驗Fig.3 Pumping performance test of the solidified soil

從結(jié)果中可看出，固化土泵送性能受其含水率影響較大，含水率越低，活塞泵對固化土的吸入率越低，泵送壓力也越大，直接導(dǎo)致泵送效率降低。尤其是含水率低于85%后，泵送效率降低明顯。而當(dāng)固化土的含水率高于95%時，泵送效率達(dá)到100 m3/h，再增加含水率泵送效率增加不明顯，而且施工為了保證強度要求會增加固化材料的摻量。因此，固化土泵送適宜的含水率為95%。

為保證澆筑后地基承載力要求又便于施工過程中的遠(yuǎn)距離泵送，4個澆筑基坑使用不同的方法進(jìn)行現(xiàn)場水下澆筑。其中1#澆筑基坑采取分層澆筑，沿水深方向?qū)仓臃譃榈讓?、中層以及面層，考慮到承載力的分布規(guī)律，固化劑的摻量從底層到面層依次增加。其他澆筑基坑采用同一摻量整體澆筑。澆筑方法如表2所示。澆筑后的地基進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分不同齡期進(jìn)行現(xiàn)場檢測。檢測內(nèi)容包括開挖取樣試驗、靜力觸探試驗以及平板載荷試驗。其中，開挖取樣按照不同點位和不同深度進(jìn)行多點取樣，現(xiàn)場取樣后用塑料袋密封帶回實驗室，制樣后測試無側(cè)限抗壓強度，試驗方法按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)[16]進(jìn)行，制樣尺寸為Φ39.1 mm×80 mm；靜力觸探試驗使用CLD-3型靜力觸探-十字板剪切兩用儀，方法參考《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)[17]。平板載荷使用0.5 m2的方形承壓板，尺寸為70 cm×70 cm，試驗方法參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007-2011)[18]。

表2 現(xiàn)場試驗分區(qū)澆筑方法Tab.2 Different filling methods of the field test zone

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓強度

試驗數(shù)據(jù)采用正態(tài)分布進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析，并按照《巖土工程勘察規(guī)范》中有關(guān)巖土工程分析評價的方法進(jìn)行修正，計算其標(biāo)準(zhǔn)值。巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值是巖土工程設(shè)計的基本代表值，是巖土參數(shù)的可靠性估值。對巖土設(shè)計參數(shù)的估計，實質(zhì)上是對總體平均值作置信區(qū)間估計。巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值按下列公式進(jìn)行確定。

(1)

Φk=γs×Φm

(2)

式中：n為樣本數(shù)量；δ為變異系數(shù)；γs為統(tǒng)計修正系數(shù)；Φk為巖土參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；Φm為巖土參數(shù)平均值。

表3 28 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果Tab.3 Test results of 28 d unconfined compressible strength

現(xiàn)場試驗中，澆筑固化土采用開挖取樣，每個點位均為8組，分別測試其28 d無側(cè)限抗壓強度后再進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析?，F(xiàn)場固化土28 d無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如表3所示。

從試驗結(jié)果可以看出，1#澆筑區(qū)由于不同摻量分層澆筑，所以整體上變異系數(shù)最大。此外，由于現(xiàn)場試驗存在均勻性差異以及取樣過程中的擾動，都造成取樣檢測結(jié)果低于室內(nèi)試驗指標(biāo)，試驗分別統(tǒng)計了相同固化材料摻量和相同固化土含水率條件下，室內(nèi)制樣-室內(nèi)養(yǎng)護(hù)、現(xiàn)場澆筑管口取樣-室內(nèi)養(yǎng)護(hù)、現(xiàn)場澆筑-現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)取樣3種不同條件的固化土無側(cè)限抗壓強度，三者比值為1.8:1.56:1.0。前兩者的差別主要源于攪拌的均勻性，而第三者則是自然環(huán)境下的折損。所以，現(xiàn)場施工一定要最大化的提高淤泥與固化材料的攪拌均勻程度，同時考慮自然環(huán)境下的折損，本次現(xiàn)場試驗的折損率達(dá)到室內(nèi)試驗的55%。

3.2 靜力觸探試驗

試驗分別在澆筑養(yǎng)護(hù)后14 d、28 d，在現(xiàn)場進(jìn)行靜力觸探試驗。試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 靜力觸探實驗結(jié)果Fig.4 Test results of the static penetration圖5 平板載荷試驗結(jié)果Fig.5 Test results of the plate load

從圖4可以看出，養(yǎng)護(hù)28 d的固化土承載力比14 d承載力具有明顯的提高趨勢，且各澆筑區(qū)養(yǎng)護(hù)28 d的比貫入阻力均超過1.5 MPa。其中，1#澆筑區(qū)增長幅度為36%；2#澆筑區(qū)增長幅度為38%；3#澆筑區(qū)增長幅度為51%；4#澆筑區(qū)增長幅度為43%，增長幅度與室內(nèi)試驗增長的規(guī)律基本一致。此外，試驗過程中也發(fā)現(xiàn)，表層受溫度影響，反應(yīng)速度較中、底層慢，而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，也逐步形成強度；固化土中層的反應(yīng)速度最快，均一性更好；且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，固化土的強度均一性逐漸增加。

3.3 平板載荷試驗

澆筑地基養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行淺層平板載荷試驗，平板載荷試驗結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，各澆筑區(qū)地基承載力特征值均滿足地基承載力設(shè)計值大于120 kPa的要求。1#與3#的對比表明，在固化劑總體用量相同的條件下，單一摻量的整體澆筑效果優(yōu)于不同摻量的分層澆筑；2#與3#的對比表明，相同條件下，使用固化劑的處理效果達(dá)到使用水泥處理的1.8倍。

由于1#澆筑區(qū)采用不同固化材料摻量的分層澆筑方法，而各層間的無側(cè)限抗壓強度差別較大，無法準(zhǔn)確衡量各層對平板載荷試驗結(jié)果的影響，所以只選擇2#、3#以及4#的28 d試驗結(jié)果并對其進(jìn)行數(shù)值分析，最終得到無側(cè)限抗壓強度、比貫入阻力與地基承載力特征值之間的線性關(guān)系。無側(cè)限抗壓強度與地基承載力特征值擬合關(guān)系如圖6所示，比貫入阻力與地基承載力特征值擬合關(guān)系如圖7所示。

圖6 無側(cè)限抗壓強度與承載力關(guān)系Fig.6 Relationship between unconfined compressible strength and bearing capacity圖7 比貫入阻力與承載力關(guān)系Fig.7 Relationship between penetration resistance and bearing capacity

根據(jù)現(xiàn)場澆筑地基28 d指標(biāo)的檢測結(jié)果，對固化土的無側(cè)限抗壓強度和比貫入阻力兩者與地基承載力特征值的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值擬合，可以得到經(jīng)驗公式fak=1.49quk(R2=0.916)以及fak=0.20Ps+43.38(R2=0.983)，再考慮到現(xiàn)場環(huán)境施工中固化土無側(cè)限抗壓強度55%的折損，可以通過調(diào)配室內(nèi)試驗中固化土無側(cè)限抗壓強度來控制地基的承載力，由固化土的目標(biāo)強度來確定固化材料的摻量。采用疏浚泥固化處理遠(yuǎn)程泵送水下澆筑工藝進(jìn)行填海筑島，無需再進(jìn)行地基處理，可明顯縮短施工工期，有效減小差異沉降，且在橋隧連接的跨海交通建設(shè)中，采用本工藝建設(shè)人工島，澆筑地基的初期強度有利于節(jié)省橋隧轉(zhuǎn)換通道開挖的支護(hù)費用。

4 結(jié)論

(1)驗證了疏浚泥固化處理遠(yuǎn)距離泵送工藝的可行性，檢測結(jié)果表明現(xiàn)場澆筑地基能滿足橋隧轉(zhuǎn)換用人工島的承載力要求；

(2)固化材料整體用量相當(dāng)?shù)臈l件下，單一摻量整體澆筑的方法處理效果優(yōu)于不同摻量的分層澆筑；

(3)針對海相疏浚淤泥而言，在固化劑摻量為5%左右時，澆筑固化土的無側(cè)限抗壓強度指標(biāo)、靜力觸探指標(biāo)與地基承載力特征值的關(guān)系可分別表示為fak=1.49quk(R2=0.916)以及fak=0.20Ps+43.38(R2=0.983)。