淤泥質(zhì)軟基堤壩閉氣土方快速固結(jié)試驗(yàn)及施工工藝探討

徐森朋，潘 崇

（1.永嘉縣水利局，浙江 永嘉 325100；2.永嘉縣建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 永嘉 325100）

1 問題的提出

多數(shù)沿海堤壩工程需要在軟基及超軟基上建造，主要包含地基的快速處理、壩體的快速堆積以及閉氣土方快速形成這3 個(gè)方面的工作[1-3]。閉氣土方是堤壩工程的重要組成部分，一是起到防滲作用，二是起到支撐作用。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：大量的堤壩出現(xiàn)毀堤、決堤的主要原因在于閉氣土方孔隙大、防滲性差、工后沉降變形過大，因此閉氣土方施工質(zhì)量的好壞關(guān)系著堤壩工程的長期安全與穩(wěn)定[4-7]。由于近海堤基淤泥土含水率高、承載力差、土性極差，一般的工程設(shè)備無法在上面行走，因此，在修建沿海堤壩時(shí)，首先需對(duì)泥土進(jìn)行固化處理。當(dāng)前最常用的固化施工方法是將淤泥挖出，在陸地上進(jìn)行固化后，再回填至施工區(qū)域，這種方法處理量小，施工效率低下，固結(jié)時(shí)間長，工程成本太高，一旦遇到遠(yuǎn)距離大面積的固化回填時(shí)根本無法實(shí)現(xiàn)。因此，有必要對(duì)淤泥質(zhì)堤壩軟基閉氣土方快速固結(jié)施工工藝進(jìn)行研究[8-11]。

文章以室內(nèi)快速固結(jié)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程施工工藝，對(duì)淤泥質(zhì)堤壩軟基閉氣土方快速固結(jié)施工方案進(jìn)行探討分析，以期能為沿海堤壩閉氣土方工程施工提供借鑒。

2 工程概況

溫州藍(lán)色海灣生態(tài)建設(shè)項(xiàng)目海岸帶生態(tài)建設(shè)狀元南片堤壩閉氣軟基處理工程，上部為淤泥質(zhì)土和黏性土，下部為黏性土和砂土，堤基底主要為風(fēng)化片麻巖。淤泥質(zhì)土的平均含水率為60.70%，天然濕密度和干密度分別為1.81，1.12 g/cm3，液限值W1為45，塑限值Wp為22，塑性指數(shù)Ip為23，液性指數(shù)為1.68，最優(yōu)含水率為22.30%，最大干密度為1.67 g/cm3，小于0.05 mm 粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68.50%。設(shè)計(jì)要求地基承載力＞800 kPa，淤泥質(zhì)土固化處理深度約為5 m，總固化體積約為140 000 m3。

3 室內(nèi)試驗(yàn)

3.1 主要試驗(yàn)材料

原料土：取自該河堤工程現(xiàn)場(chǎng)上部的淤泥質(zhì)土，取樣深度約為3 m，取回的土樣需要經(jīng)過烘干、粉碎、磨粉以及過篩等多個(gè)工序，然后放在防潮密閉桶內(nèi)備用。

水泥（C）：選取P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為348 m2/kg，密度為3.07 g/cm3，MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.60%，SO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.95%，平均燒失量為2.80%。

垃圾飛灰（F）：取自珠海某垃圾焚燒廠，灰白色，比表面積為9.4 cm2/g，密度為2.96 g/cm3，鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）的質(zhì)量濃度分別為20.5，6.8，3.0，2.8，73.2 mg/kg。

3.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》進(jìn)行固化試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)。相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)顯示，水泥土的固化劑摻量一般介于10%～20%，考慮到本次加固工程方量較大，如果使用純水泥，工程造價(jià)較高。為降低工程造價(jià)，本次工程擬采用水泥+垃圾飛灰對(duì)淤泥質(zhì)土進(jìn)行固化處理。水泥（C）+飛灰（F）的摻量設(shè)置為加固土樣質(zhì)量（（C+F）/S）的8%、12%、16%和20%，粉煤灰在固化劑中的占比（F/（C+F））分別為20%、30%、40%和50%，水灰比（W/（C+F））設(shè)計(jì)為0.45、0.50、0.55 和0.60 四種（W 為水的用量），進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表

3.3 試驗(yàn)步驟

（1）將處理后的淤泥質(zhì)土樣、水泥（C）、飛灰（F）和水（W）按配比放入攪拌桶中進(jìn)行電動(dòng)攪拌，攪拌方式為：慢攪60 s，快攪120 s，暫停30 s（將桶壁和攪拌葉上的粘連土刮下），然后再快攪120 s。

（2）將試樣制成80 mm×39.1 mm（高×直徑）的圓柱形試件，并用保鮮膜包裹試件，以防水分蒸發(fā)。

（3）將制作好的試件放到標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，時(shí)間為28 d。

（4）養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到28 d 后，將試件取出放置在全自動(dòng)三軸儀上，進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)加載速率為0.4 mm/min。

（5）試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)得到的不同試驗(yàn)組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化劑摻量的關(guān)系見圖1。從圖1（a）可知：當(dāng)水灰比為0.45 和0.50 時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨著固化劑摻量的增加呈動(dòng)態(tài)變化特征；當(dāng)水灰比為0.55 和0.60時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加呈逐漸增大的變化特征。這是因?yàn)楫?dāng)水灰比較小時(shí)，水泥和飛灰的水解和水化反應(yīng)不充分，導(dǎo)致部分土顆粒出現(xiàn)團(tuán)?；?，土顆粒之間的膠結(jié)聯(lián)結(jié)力降低，未反應(yīng)的水泥和飛灰只能起到物理擴(kuò)散和填充孔隙的作用，對(duì)于提高土體自身強(qiáng)度的作用有限，因而很可能出現(xiàn)固化劑摻量越多，強(qiáng)度反而越低的現(xiàn)象。

從圖1（b）中可以看到：當(dāng)固化劑摻量一定時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨飛灰摻量的增加而逐漸降低；當(dāng)飛灰摻量一定時(shí)，固化土強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加而逐漸增大。飛灰作為一種廉價(jià)材料，具有一定的活性，在水化產(chǎn)物Ca（OH）2的激發(fā)下消耗部分水分，另一方面，飛灰摻量增加，意味著水泥用量減少，水化產(chǎn)物也隨之減少，填充于土顆粒之間的鈣礬石、C-S-H 凝膠等晶體和膠凝物質(zhì)減少，因而強(qiáng)度隨著飛灰摻量增加而降低。因此應(yīng)該根據(jù)堤基承載力設(shè)計(jì)要求，適當(dāng)調(diào)整水灰比和飛灰摻量。當(dāng)水灰比為0.55，固化劑摻量為20%，飛灰占比為30%時(shí)，固化土的強(qiáng)度最大，這說明在使用混合固化劑進(jìn)行淤泥固化時(shí)，針對(duì)不同的混合固化劑配比，存在一個(gè)最佳水灰比，同時(shí)在充分考慮經(jīng)濟(jì)性和施工可行性的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整固化劑摻量和水灰比，既節(jié)省工程投資，又可達(dá)到較高加固土強(qiáng)度的效果。

圖1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖

4 現(xiàn)場(chǎng)施工

4.1 施工方案選取

（1）原地閉氣土方中噴攪固結(jié)劑施工法：利用螺旋式淤泥固化機(jī)在淤泥軟基上行走及施工。螺旋式淤泥固化機(jī)自帶攪拌系統(tǒng)，攪拌系統(tǒng)通過高壓輸送系統(tǒng)與固化材料儲(chǔ)存罐相連，高壓輸送系統(tǒng)將固化材料輸送至攪拌系統(tǒng)，然后進(jìn)行高壓旋噴攪拌和強(qiáng)制式攪拌，使淤泥質(zhì)軟基與固化材料充分拌和。固化材料通過物理和化學(xué)作用，使淤泥顆粒接觸面相互黏合，同時(shí)水化反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)促進(jìn)土顆粒膠結(jié)，從而實(shí)現(xiàn)淤泥質(zhì)軟基的快速固結(jié)。施工現(xiàn)場(chǎng)布置見圖2。

圖2 原地閉氣土方中噴攪固結(jié)劑施工法現(xiàn)場(chǎng)布置圖

（2）管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法：利用活塞式土方輸送船自配抓斗將淤泥質(zhì)土抓取到集料斗內(nèi)，摻入固化材料并拌和，再通過輸送管將摻拌過后的土方連續(xù)不斷均勻地輸送至壩體上，并通過縱橫布料、薄層輪加、分層加高，調(diào)整修坡的施工方式實(shí)現(xiàn)淤泥質(zhì)軟土在堤壩上的快速固結(jié)。施工現(xiàn)場(chǎng)布置見圖3。

圖3 管道輸送摻拌固結(jié)劑施工現(xiàn)場(chǎng)布置圖

方案對(duì)比：原地閉氣土方中噴攪固結(jié)劑施工法適用于軟基處理深度≤8 m，淤泥含水率＞50%，固化后基礎(chǔ)承載力＜20 t 的軟基工程；管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法適用于含水率＞40%的軟黏狀泥土，且不受軟基處理深度和處理后承載力的限制，同時(shí)管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法可以將吸取的土方進(jìn)行脫水處理后，按照實(shí)驗(yàn)室配比進(jìn)行精準(zhǔn)固化施工，既能實(shí)現(xiàn)長距離的運(yùn)輸需求，又可以解決固結(jié)劑的摻拌難題，固結(jié)效率更高，固化效果更好。因此，本工程選擇管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法進(jìn)行閉氣土方的固化施工。

4.2 施工工藝流程

管道輸送摻拌固結(jié)劑施工工藝流程見圖4。首先，將600 m3/h 活塞式輸泥船移動(dòng)到施工區(qū)域，將所有輸送管路連接好，為了讓輸送管路浮在水面，在輸送管路外面套上一層圓型空心的泡沫浮子，以便于輸送管路移位和檢修，同時(shí)在輸送管路出口約20 m 處搭設(shè)一個(gè)工作平臺(tái)，工作平臺(tái)上設(shè)置一套移動(dòng)錨機(jī)和布料操作系統(tǒng)，以方便工作人員進(jìn)行裝料、卸料等操作。其次，將需要加固的土層吸取到集料斗進(jìn)行脫水處理，并按實(shí)驗(yàn)室最佳配比：水膠比0.55，固化劑摻量20%，飛灰占比30%進(jìn)行拌和，施工配比在拌和過程中要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)淤泥質(zhì)土含水率情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，再利用輸送管路將拌合好的泥漿輸送至堤壩壩體上。閉氣土方施工應(yīng)遵循“縱橫布料、薄層輪加、分層加高，調(diào)整修坡”的施工原則，每一層厚度應(yīng)控制在0.3～0.5 m，層與層之間的施工間隔時(shí)間應(yīng)大于15 d，以確保填筑土體安全穩(wěn)定；由于固化淤泥本身強(qiáng)度較低，下級(jí)邊坡坡度盡量放緩，控制在1:12～1:16，上級(jí)邊坡坡度應(yīng)控制在1:30 左右，并留足沉降固結(jié)預(yù)留量，等待固結(jié)一段時(shí)間后，再采用挖機(jī)將邊坡修整至設(shè)計(jì)坡度；分段填筑時(shí)，兩相鄰段的結(jié)合邊坡不宜陡于1:30，嚴(yán)禁閉氣土方與石塊、石渣混雜，以免給堤壩留下潛在的滲流通道。

圖4 管道輸送摻拌固結(jié)劑施工工藝流程圖

4.3 固結(jié)施工效果

對(duì)海涂泥固化土有害物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)可知：工程現(xiàn)場(chǎng)淤泥質(zhì)土經(jīng)固化施工后的多氯聯(lián)苯質(zhì)量濃度低于0.2×10-6mg/kg，汞、鎘、鉛、鉻、砷、銅、鋅的質(zhì)量濃度分別為0.150，0.097，18.000，20.800，6.100，32.200，75.300 mg/kg，六六六（六氯環(huán)己烷）、滴滴涕（雙對(duì)氯苯基三氯乙烷）均小于0.005 mg/kg。由此可見，采用實(shí)驗(yàn)室最佳配比方式，經(jīng)管道輸送摻拌固結(jié)劑施工之后的固化淤泥對(duì)海水的防滲效果較好，各項(xiàng)有害物質(zhì)含量均比較低，重金屬和有害物質(zhì)均得到有效阻隔、包裹與固化。

為了對(duì)固結(jié)施工效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)固化后閉氣土方強(qiáng)度進(jìn)行鉆孔取芯強(qiáng)度試驗(yàn)（見圖5）。由圖5 可知：固化土的強(qiáng)度隨著齡期的增長逐漸增大，水泥+飛灰固化淤泥的早期強(qiáng)度增長較快，后期強(qiáng)度增長較慢，強(qiáng)度從6 d 時(shí)的0.57 MPa 增加至62 d 時(shí)的1.28 MPa，滿足堤壩基礎(chǔ)強(qiáng)度和承載力設(shè)計(jì)要求。

圖5 鉆孔取芯強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果圖

5 結(jié) 論

本文針對(duì)淤泥質(zhì)堤壩軟基閉氣土方快速固結(jié)問題開展了室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)施工工藝探討，得出如下結(jié)論：

（1）當(dāng)水灰比≤0.50 時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨著固化劑摻量的增加呈動(dòng)態(tài)變化特性，當(dāng)水灰比＞0.50 時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加逐漸增大；當(dāng)固化劑摻量一定時(shí)，固化土的強(qiáng)度隨飛灰摻量的增加而逐漸降低；當(dāng)飛灰摻量一定時(shí)，固化土強(qiáng)度隨固化劑摻量的增加而逐漸增大。根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果確定的最佳固結(jié)配比為：水膠比0.55，固化劑摻量20%，飛灰占比30%。

（2）介紹原地閉氣土方中噴攪固結(jié)劑施工法和管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法，對(duì)比分析2 種施工方法的適用性，最終決定現(xiàn)場(chǎng)選用管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法進(jìn)行閉氣土方的固化施工，并對(duì)該方法的施工工藝流程進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)分析。

（3）對(duì)固化后的淤泥質(zhì)土進(jìn)行有害物質(zhì)檢測(cè)和鉆孔取芯強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明：固化淤泥對(duì)海水的防滲效果較好，重金屬和有害物質(zhì)均得到有效阻隔、包裹與固化，固化土強(qiáng)度和承載力滿足設(shè)計(jì)要求。