鐵路工程中淤泥原位固化技術(shù)應(yīng)用研究

楊 松

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

1 引言

目前，地表0.5～3 m厚淺層流塑狀淤泥地基處理方法主要以拋石擠淤、挖除換填等傳統(tǒng)方法為主。拋石擠淤措施需要大量片石，且缺少檢驗驗收標(biāo)準(zhǔn)；挖除換填措施開挖后淤泥需外運丟棄，城市道路運輸環(huán)保要求亦相對較高。綜合考慮到棄土征地、土方運輸以及環(huán)保等因素，淤泥原位固化更具有社會經(jīng)濟效益優(yōu)勢[1]。

1906年，美國人對改良土進行了初次嘗試，開展了在土體中加入水泥、瀝青以及其他化學(xué)制品以提高土體工程性質(zhì)的相關(guān)研究[2]。到20世紀(jì)70年代，改良土技術(shù)才得到普遍認(rèn)同，并被多個國家廣泛應(yīng)用于機場和道路工程中[3]。我國鐵路部門一般將改良土定義為:在土體中摻入石灰、水泥、粉煤灰、固化劑等材料進行處理，提高了工程性能指標(biāo)的本體[4]。陳達等[5]通過試驗研究指出不同性質(zhì)水泥具有不同優(yōu)良特性，可以為淤泥固化改良時水泥種類的選擇提供幫助。劉海濤[6]提出將固化垃圾土用于路基填筑，取得了較好效果。Chen等[7]使用堿活化礦渣對含鉻元素淤泥進行固化處理，獲得了較好使用效果，并分析了作用機理。王波等[8]分析了水泥、生石灰及粉煤灰等不同固化劑及摻量對濱海沉積淤泥固化后壓縮特性的影響。Tang等[9]研究了在粉煤灰中摻入少量的水泥對淤泥固化效果的影響。1997年，鐵道科學(xué)研究院對石灰改良土和石灰粉煤灰改良土分別進行了靜力與動力特性研究，并將試驗結(jié)果與素土進行對比[10]。宋金良等[11]開展海洋軟土不同加載速率動三軸試驗，研究土體變形程度、剛度等的變化。郭林等[12]研究了圍壓和循環(huán)次數(shù)對軟黏土滯回圈及變形特征的影響規(guī)律。

2 工程概況

改建鐵路石龍集裝箱辦理站工程位于東莞市石龍鎮(zhèn)。本地區(qū)氣候溫暖濕潤、雨量充沛。項目場區(qū)內(nèi)分布大量水塘，塘底為淤泥、淤泥質(zhì)黏土，分布厚度范圍為0.5～3 m，淤泥呈灰黑色，天然含水率較高(50%以上)，最高可超過65%，呈流塑狀。場坪填筑施工圖設(shè)計階段對淺層淤泥軟土地基處理主要采用摻和無機改良劑進行原地改良加固處理，以節(jié)省投資、加快施工進度。

3 固化劑配比優(yōu)選

通過開展單因子試驗，研究固化成型含水率、液態(tài)固化劑投加量及其稀釋比等參數(shù)，基于不同齡期樣品無側(cè)限抗壓強度進行初步篩選，為復(fù)合優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進而基于響應(yīng)面曲線法進行配比優(yōu)化，最終確定適合集裝箱辦理站工程現(xiàn)場實際需要的固化劑配比。

3.1 單摻液態(tài)固化劑-制樣含水率

液態(tài)固化劑稀釋比為1∶10，投加量為1∶50，水泥投加量為20%，考察制樣淤泥含水率為20%、25%、30%、35%的固化樣品強度隨時間的變化情況，如圖1所示。

圖1 單摻液態(tài)固化劑制樣的淤泥含水率與強度關(guān)系

結(jié)果顯示，較低的含水率下，制樣淤泥的試樣脫模成型效果較好，其中在25%含水率時，能兼顧制樣成型效果和強度。因此，后續(xù)樣品制備均在此含水率下進行。

3.2 液態(tài)固化劑-復(fù)合水泥投加量

選用上述較成型含水率25%制樣，采用相同液態(tài)固化劑，復(fù)合水泥投加量為0%、15%、20%、30%時，淤泥固化土強度隨時間變化情況如圖2所示，其中YT為原狀淤泥土未作處理的對照組?？梢钥闯觯c原淤泥土相比，當(dāng)使用水泥復(fù)合液態(tài)固化劑時，強度隨著水泥投加量的增加而增加?；诔杀炯笆褂昧靠紤]，水泥投加量應(yīng)該在20%以上可滿足強度需要。

圖2 不同水泥投加量與強度關(guān)系

3.3 液態(tài)固化劑-稀釋比和投加量

水泥投加量為20%、制樣含水率為25%時，考察不同稀釋比在1∶20、1∶30下，液態(tài)固化劑投加量與強度隨時間的變化關(guān)系如圖3所示。通過結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，液態(tài)固化劑摻加總量與固化效果呈正相關(guān)；當(dāng)液態(tài)固化劑摻加總量一定時，投加量與稀釋比成反比關(guān)系，推薦使用低稀釋比，減少稀釋用水。液態(tài)固化劑稀釋比在1∶30左右固化效果較好，在該稀釋比下，投加量1∶20固化效果顯著。

圖3 不同稀釋比下液態(tài)固化劑投加量與強度關(guān)系

3.4 基于響應(yīng)面曲線法的配比優(yōu)化結(jié)果與分析

響應(yīng)面法是一種能夠同時考慮數(shù)個影響因素來尋求最優(yōu)響應(yīng)值的數(shù)學(xué)手段。它不僅可以建立影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，還可由此關(guān)系考察不同影響因素之間的交互作用規(guī)律?；谶@一優(yōu)勢，本文采用響應(yīng)面法用于固化劑配比優(yōu)化篩選。

3.4.1 方案設(shè)計

以不同齡期試樣的無側(cè)限抗壓強度為因變量，自變量分別為液態(tài)固化劑投加量(%DS絕干淤泥)(X1)、液態(tài)固化劑稀釋比、水泥投加量(%DS絕干淤泥)，三者對應(yīng)的編碼值分別為X1、X2、X3。 并以+1、0、-1分別代表自變量的高、中、低三因素水平。對上述固化樣品達到不同齡期(7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、360 d)開展強度試驗，本文以齡期達到7 d為例進行研究。試驗設(shè)計因素編碼及水平如表1所示，方案優(yōu)化結(jié)果如表2所示。

表1 試驗設(shè)計因素編碼及水平

表2 投加量優(yōu)化方案強度結(jié)果

3.4.2 數(shù)據(jù)分析

進行不同齡期強度模型方差分析發(fā)現(xiàn)，二次方模型的F概率值最小，其方差平方和與均方差較為合理，因此該模型綜合效果較好，可作為推薦模型。通過表面響應(yīng)曲線可分析各參數(shù)間的相互關(guān)系，以液態(tài)固化劑稀釋比為例，如圖4所示。

圖4 7 d齡期下液態(tài)固化劑稀釋比及投加量與強度關(guān)系

3.4.3 優(yōu)化分析

對響應(yīng)面優(yōu)化結(jié)果進行回歸分析，則不同齡期的固化試樣強度二次回歸方程為:

式中:Y為無側(cè)限抗壓強度(kPa)；X1、X2、X3分別為液態(tài)固化劑投加量、液態(tài)固化劑稀釋比、水泥投加量編碼值。

可根據(jù)式(1)對不同齡期固化試樣強度進行預(yù)測。當(dāng)以上各參數(shù)在上述試驗設(shè)定范圍內(nèi)，即液態(tài)固化劑投加量、液態(tài)固化劑稀釋比和水泥投加量最佳值為20%、1∶20和30%條件下，第7天最大無側(cè)限抗壓強度為809 kPa。采用以上優(yōu)化參數(shù)進行3組驗證試驗，得到第7天抗壓強度均值為795 kPa，與預(yù)測值吻合良好，證明此預(yù)測方法具有可靠性。

4 淤泥固化土的動力響應(yīng)驗證

4.1 動三軸試驗

本次試驗采用SDT-10微機控制電液伺服土動三軸試驗機?？紤]到淤泥土的天然結(jié)構(gòu)以及土體擾動對試驗結(jié)果的影響，試驗前對土樣進行了重塑處理。為便于制備土樣，按室內(nèi)操作經(jīng)驗，將試樣的含水率控制在最佳制樣含水率30%。試驗采用石龍鐵路集裝箱辦理站工程中水塘底部的淺層淤泥，取土深度為0.5～3.0 m。水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥，固化劑采用XY-A型液態(tài)固化劑，采用優(yōu)化后的最佳配比與淤泥進行拌和，制得動三軸試驗所需樣本，養(yǎng)護7 d、28 d、120 d后開展動三軸試驗。

4.2 不同應(yīng)力水平作用下最大應(yīng)變分析

原狀淤泥土與7 d、28 d、120 d淤泥固化土在不同應(yīng)力水平下最大應(yīng)變試驗結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，淤泥土的最大應(yīng)變隨應(yīng)力水平的增大而增大，且原狀淤泥土的最大應(yīng)變都遠(yuǎn)大于淤泥固化土，說明添加固化劑后的淤泥土具有低變形的特性，固化劑提高了淤泥土體剛度。對比不同齡期的淤泥固化土，齡期為120 d淤泥固化土的最大應(yīng)變與齡期為28 d淤泥固化土的最大應(yīng)變數(shù)值較為接近；齡期為28 d淤泥固化土的最大應(yīng)變小于7 d淤泥固化土，隨時間增長，固化劑固化效果依然顯著。

圖5 淤泥土在不同應(yīng)力水平作用下最大應(yīng)變變化曲線

4.3 不同循環(huán)次數(shù)作用下累積應(yīng)變分析

不同循環(huán)次數(shù)作用下累積應(yīng)變試驗數(shù)據(jù)設(shè)定圍壓為50 kPa，軸向荷載幅值為50 N，循環(huán)次數(shù)由100～1 000次變化的條件下，原狀淤泥土與7 d、28 d、120 d淤泥固化土的循環(huán)次數(shù)與累積應(yīng)變試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 淤泥土在不同循環(huán)次數(shù)下的累積應(yīng)變變化曲線

由圖6可以看出，在圍壓、軸向荷載幅值一定條件下，隨著循環(huán)次數(shù)的增大，淤泥土體的累積應(yīng)變也隨之增大；但固化后的淤泥土在相同條件下所產(chǎn)生的累積應(yīng)變遠(yuǎn)小于原狀淤泥土。可見添加固化劑后提高了淤泥土的剛度及動穩(wěn)定性。

綜上所述，采用本文試驗及數(shù)值優(yōu)化方法確定的固化劑種類及配比，可以滿足鐵路實際工程需要。

5 結(jié)論

(1)本課題依托于東莞石龍鐵路集裝箱辦理站路基工程地基處理，綜合采用資料調(diào)研、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗及數(shù)值分析等手段對工程淺層淤泥土原位固化處理開展研究，結(jié)合淤泥土的工程地質(zhì)特性、固化劑作用機理、固化劑配比優(yōu)化及淤泥固化土的動力特性等，基于單因子試驗和響應(yīng)面曲線法確定了本工程淤泥土的最佳固化劑材料以及最優(yōu)配合比方案，并以此配比制備樣本開展室內(nèi)動三軸試驗，驗證了方案的可靠性。將淤泥原位固化技術(shù)運用于工程實踐并取得良好應(yīng)用效果，可為同類工程提供參考。

(2)通過試驗對淤泥固化土的動力響應(yīng)進行驗證，分析了不同應(yīng)力水平作用下最大應(yīng)變及不同循環(huán)次數(shù)作用下累積應(yīng)變，進一步驗證了固化土的剛度及動穩(wěn)定性滿足工程需要。