海底淤泥固化土的工程特性

朱耀庭 ，高燕希

（1.長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410114；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，許多沿海地區(qū)特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的可利用土地資源越來越少，從北到南的主要沿海城市都在規(guī)劃或?qū)嵤┨詈９こ?，而實施填海工程最常用的工法之一包括土工織物充填袋（被），目前這些土工織物充填袋（被）的充填材料多為砂性土。由于可供開采利用的砂性土資源在不斷地減少，該工法的材料成本也在不斷增加，基于這一考慮，提出了水泥攪拌土作為填充材料的設(shè)想，來替代目前在水上圍埝工程中大量采用的砂性土。在實施填海工程的地區(qū)通常擁有大量的海底淤泥土，現(xiàn)實中這些土可能用于吹填造陸，也可能在疏浚過程中被當(dāng)作廢物拋撒到大海中，污染了海洋環(huán)境。如果將這些淤泥直接利用起來，并運用到就近的相關(guān)工程當(dāng)中則具有更大的意義[1]。

海底淤泥的加固或固化目前已成為沿海地區(qū)建設(shè)工程領(lǐng)域較為熱門的話題之一。本文闡述的是在海底淤泥中添加一定的固化劑使其轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙涮畹牟牧?，作為海底淤泥利用的又一研究方向?/p>

1 海底淤泥土的基本情況

天津港位于渤海灣西部，所轄地區(qū)全部為淤泥質(zhì)土海岸，現(xiàn)新港高程系統(tǒng)-13 m以上主要為淤泥質(zhì)軟土，按地質(zhì)歷史劃分這一層土屬第四紀(jì)“全新世”，土層形成時間很短，而表層下一定深度更是近年自然回淤形成，在天津港及周邊，這一層土的厚度最大將近20 m，最小的也有12～13 m[2]。

根據(jù)多年來對天津港地區(qū)軟土的研究成果，海底表層淤泥土中所含黏土礦物以蒙脫石為主，非黏土礦物中主要為石英、方解石、長石，土顆粒形狀不規(guī)則，但厚度較均勻，呈片狀，且顆粒間形成架空結(jié)構(gòu)，孔隙比較大。軟土（±0～-10 m）的超固結(jié)比（OCR）比值大約為0.8左右，屬于未完全固結(jié)型軟土，具有高壓縮性、低強度等特點。

2 試驗研究方案

本次試驗研究選擇了天津東疆保稅港區(qū)附近的海底淤泥作為研究對象，這些土本身的滲透性差、結(jié)構(gòu)強度相當(dāng)?shù)停庥^表現(xiàn)為黏稠狀，直接作為充填材料灌裝入充填袋中是不可能的。但如果適當(dāng)增加一些強度和穩(wěn)定性，并采用適宜的設(shè)備進(jìn)行充灌整平，應(yīng)該是具有可行性的。

水泥作為一種常用的建筑材料在軟土地基加固工程中的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及，如水泥攪拌樁、高壓旋噴樁、CFG樁等等。由于這些工法對水泥土的強度要求較高，因此水泥的摻入量也比較高，在有些工程中的摻量甚至高達(dá)25%以上（水泥與被加固原土質(zhì)量的百分比）。而作為充填材料的淤泥固化土的強度要求不需很高，因此水泥的摻量也不必太高。初步試驗研究的成果表明，一般摻入量在6%～10%時即可滿足使用要求。

鑒于依托工程的施工條件等多方面的原因，我們對課題研究成果提出了以下幾項原則：

1）由于充填袋的體積比較大，最大的可達(dá)50 m×30 m×0.5 m，1個袋盡可能在1個潮水周期內(nèi)充灌完成，必須有較高的作業(yè)效率；

2）海上圍埝施工工期較長，屬水上作業(yè)，有一定的水深，具有作業(yè)區(qū)面積?。ù献鳂I(yè)）、作業(yè)時間短（風(fēng)潮影響）等特點，要求施工工藝盡量簡單，便于操作；

3）最大限度就地取材的原則（一般建筑材料的運輸、儲存不方便）；

4）與砂性土充填袋相比工程上具有一定的優(yōu)勢；

5）盡量減少對環(huán)境的影響（僅水泥1種外購材料）。

研究采用室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方式進(jìn)行。

3 室內(nèi)試驗研究

3.1 水泥摻量的初步確定

大量的室內(nèi)試驗結(jié)果表明，在水泥摻量為6%的情況下，固化土強度雖然比原淤泥土有較大的改善，但其強度還較低；當(dāng)水泥摻量超過7%以后，固化土的成形狀態(tài)有了進(jìn)一步提高，1 d齡期的強度足以滿足施工時充填袋上的荷載要求，且固化土已具有較好穩(wěn)定度的形態(tài)。考慮到現(xiàn)場施工同時存在水泥產(chǎn)量損耗以及均勻性差于室內(nèi)試驗等因素，建議依托工程現(xiàn)場施工采用水泥摻量為8%。實踐表明，8%左右的水泥摻量對固化土的充灌過程、模袋的穩(wěn)定性和上1層模袋充灌前所需達(dá)到的強度等都有較好保證。

3.2 室內(nèi)試驗方法

在研究初期，主要沿用傳統(tǒng)的水泥土試驗研究方法，對被研究的對象主要進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗和含水量、密度試驗，經(jīng)過多組不同參數(shù)的試驗后，我們了解到，研究對象的工程特性更接近黏土的性質(zhì)，因此參照黏土的方式來評價固化土的強度等特性可能更為合適。主要原因在于，傳統(tǒng)意義上的水泥土的破壞形式主要表現(xiàn)為脆性破壞，塑性變形量一般不大，而研究對象的破壞一般都有較大的塑性變形量，表現(xiàn)為塑性破壞特征。因此在試驗后期，側(cè)重對研究對象開展了剪切試驗、固結(jié)試驗、滲透試驗等。

3.3 室內(nèi)試驗結(jié)果

3.3.1 固化土的物理特性

雖然固化攪拌土的形成原理與普通的水泥攪拌樁土相比基本一致，但由于其水泥摻入量較低，且在摻入時一般需加入一定量的水，因此其含水量明顯較原土大，密度明顯較原土小，孔隙比較原土增加許多，且具有良好的保水性等特點。固化土的液限含水量、塑限含水量較原土更大，試驗研究情況如表1所示。

表1 固化土的物理性質(zhì)指標(biāo)

3.3.2 固化土的力學(xué)特性

在剪切強度方面，固化土更多地具有“老黏土”的一些特性。經(jīng)過對多組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，其28 d齡期的黏聚力多在（58±30）kPa 范圍內(nèi)，內(nèi)摩擦角在 29°±10°范圍內(nèi)，試驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 固化土直剪試驗情況（28 d）kPa

在壓縮特性方面，固化土的固結(jié)e-P曲線不同于常規(guī)土樣的“雙曲線”型曲線，一般在150～200 kPa的荷重下，固結(jié)曲線出現(xiàn)明顯向下的拐點，如圖1所示。按照GB50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》4.2.5的規(guī)定，固化土可以定為中壓縮性土。

圖1 固化土的典型e-P曲線

4 現(xiàn)場試驗研究

4.1 表觀特征

根據(jù)施工現(xiàn)場取土試驗情況看，現(xiàn)場攪拌土一般在24 h以內(nèi)即可形成一定的強度，并使攪拌土成為塊狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。這種塊狀結(jié)構(gòu)具有一定的黏結(jié)強度，并能承受一定的垂直荷重，在一定時間內(nèi)的較小波浪力作用下，仍可保持良好的完整性。圖3為充填袋破損后滾落在埝體旁的攪拌土塊[3]。

由于攪拌土在充灌入袋以后，除少量水分通過模袋析出外，大部分水分仍保持在土體中，因此，這種土的普遍特征是孔隙發(fā)達(dá)。從現(xiàn)場取土的照片中可以看出，土的孔隙較多，呈明顯的蜂窩狀（圖4）。

攪拌土經(jīng)攪拌后，初始時含水量較大，具有良好的流動性，便于充灌入袋，且很容易整平或做成某種模型。圖5為圍埝建設(shè)時的大型水泥攪拌土充填袋碼放情況。

圖2 攪拌土24 h以后的狀態(tài)

圖3 滾落在圍埝旁的固化土塊體

圖4 鉆探取土土樣的狀態(tài)

圖5 逐層碼放的水泥攪拌土充填袋

4.2 強度特征

依托工程施工過程中，對擬充灌的固化土進(jìn)行了取樣和室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，試驗結(jié)果表明，現(xiàn)場固化土的強度較室內(nèi)試驗的有所降低[4]，現(xiàn)場固化土的無側(cè)限抗壓強度一般也可以達(dá)到0.10～0.14 MPa（如圖6所示）。雖然固化土的強度比室內(nèi)試驗預(yù)期結(jié)果有一定的減小，但固化土與模袋已基本形成了一個整體，因此具備了一定的抗波浪能力（主要是沖刷、卷起以及袋間滑動等）。

圖6 現(xiàn)場8%摻量條件下的固化土強度（含水量65%～120%）

在進(jìn)行固化土的現(xiàn)場檢測時，主要通過原位測試手段進(jìn)行。在圍埝形成后，分別進(jìn)行了8個鉆孔的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，試驗結(jié)果表明標(biāo)貫擊數(shù)平均在6.1左右；同時，對現(xiàn)場的取芯進(jìn)行了微型貫入試驗，試驗結(jié)果表明現(xiàn)場固化土的貫入阻力在0.8 MPa左右?，F(xiàn)場檢測時也發(fā)現(xiàn)，長齡期的固化土強度明顯高于短齡期的強度，說明固化土的強度隨著齡期的增加不斷增長。

5 結(jié)論

通過對天津港海底淤泥的系統(tǒng)固化研究，認(rèn)為：

1）海底淤泥加工后形成的固化土作為海上圍埝的模袋充填物是完全可行的，為相關(guān)建設(shè)部門今后選擇海上圍埝形式提供了一個新的途徑。

2）模袋固化土以水泥作為固化劑，外加材料較少，且水泥摻量很低，項目建設(shè)過程中對周邊環(huán)境影響較小，符合環(huán)境保護(hù)要求和當(dāng)今發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求。

3）與原地基土相比，固化土作為一種介于黏土和水泥攪拌土性質(zhì)之間的土，具有較高的抗剪強度，與模袋共同作用具有良好的整體性，對圍埝的穩(wěn)定性有積極作用。

4）在天津港及周邊的應(yīng)用情況表明，以淤泥固化土作為充填材料對降低工程造價、節(jié)約資源等方面均具有重要意義。

[1]楊京方，季宏民，武霄.沿海潮差帶黏性土地基上的一種新型圍埝結(jié)構(gòu)[J].中國港灣建設(shè)，2009（3）：30-33.

[2]朱耀庭.模袋固化土工程特性研究報告[R].天津港灣工程研究所，2006.

[3]朱耀庭.模袋固化土海上圍埝施工工藝研究[R].天津港灣工程研究所，2006.

[4]闞衛(wèi)明.天津港北大防波堤西內(nèi)堤（一期）現(xiàn)場觀測分析[R].天津港灣工程研究所，2006.