高含水量深厚堿渣地基處理及效果評價

陳少青 張 吉

(天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300000)

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高含水量深厚堿渣地基處理及效果評價

陳少青 張 吉

(天津市北洋水運水利勘察設計研究院有限公司，天津 300000)

介紹了堿渣的基本性質，從真空預壓法、堆載預壓法、堆載+井點降水法三方面，闡述了堿渣填埋場區的地基處理方案，并對處理效果進行了評價，為今后類似工程提供參考。

堿渣，地基，井點降水法，孔隙水壓力

0 引言

利用氨堿法制純堿，每噸純堿使用原鹽約為1.5 t，其總利用率僅29%，其余均摒棄不用。為了分解氯化氨使氨循環利用，需在系統中加入石灰乳進行蒸氨，此過程中所形成的氯化鈣、碳酸鈣、石灰石帶來的二氧化硅、碳酸鈣以及由原鹽帶來未除盡的少量雜質都從蒸餾塔底排出，每噸堿約排10 m3，其中固體廢渣約為300 kg～350 kg[1]。天津堿廠建廠多年產生了廢渣2 000萬 t以上，在臨海地區形成了多座堆放高度在10 m以上的堿渣山，天津港堿渣山是天津濱海新區核心區僅存最大的堿渣排放區，位于天津港北疆港區的中心位置。天津港堿渣山總占地面積約為169萬 m2，堿渣總量約為1 121.73萬 m3[2]。堿渣山占用了大量土地資源，且常年露天堆放極易起塵，不可避免的帶來了污染和安全問題。

為了解決堿渣堆放帶來的安全、環境以及占用土地問題，提出了以開挖納渣坑進行堿渣填墊為主、以堿渣拌制粉煤灰制工程土為輔的聯合搬遷治理方案。堿渣山場區附近開挖納渣坑4塊用于填埋堿渣，每塊面積約20萬 m2，開挖深度16 m，然后將堿渣山堆放的純堿渣運輸至此填埋。但由于堿渣含水量高、壓縮性大、抗剪強度低，填埋后的堿渣場地無法直接使用，必須進行適當的工程處理。

1 堿渣的基本性質

1.1 堿渣的化學成分

堿渣是氨堿法生產純堿過程中留下的廢渣，其化學成分取決于原料石灰石以及粗鹽的成分，堿渣的化學成分含量顯示堿渣主要由難溶的鹽類如CaCO3,CaSO4及鋁,鐵,硅的氧化物等形成堿渣的骨架，其化學含量檢測結果如表1所示[3]。

表1 堿渣的化學成分含量 %

1.2 堿渣的物理性質

堿渣具有與天然土類似的特點，堿渣由碳酸鈣等難溶鹽、含有可溶性鹽的液相、氣體組成，這正是一般土的三相性，同時屬于非連續性介質。但是堿渣也具有很多不同于一般土的性質，其比重明顯低于一般土，僅為2.34，在物理力學性能等方面有著較大差異。堿渣顆粒是由細小的顆粒團聚而成，其成分以文石為主以及Mg(OH)2,CaSO4等結晶物。通過掃描電鏡分析，堿渣由粒徑在2 μm～5 μm的顆粒團聚而成，團聚體粒徑大部分在0.01 mm～0.074 mm之間，屬于粉粒范圍。

2 堿渣填埋場區地基處理方案

本次項目堿渣填埋場區埋深達16 m，與以往淺埋堿渣地基并不相同，因而以往的工程實踐經驗并不一定適用于本項目。為保證4個堿渣納渣坑共計80萬 km2填埋場區地基處理達到預定效果，在二號納渣坑選取三塊試驗區進行預處理，以期為大面積深厚堿渣場區地基加固處理提供借鑒。各試驗加固處理區面積2 500 m2，分別采用真空預壓法、堆載預壓法以及堆載+井點降水法進行地基加固處理，三種地基處理方案交工控制標準相同，以地基變形控制為依據即按實測沉降曲線推算的固結度大于90.0%且連續5 d地表實測平均沉降速率不大于2.0 mm/d。

2.1 真空預壓法地基處理施工方案

真空預壓法地基處理首先在堿渣填埋場區地表回填50 cm素填土作為施工工作墊層并整平，然后鋪設中粗砂水平墊層400 mm，打設豎向排水板，排水板呈正方形布置，間距為1.0 m，排水板穿透堿渣進入坑底原泥面；鋪設水平濾管，安裝射流泵，并鋪設一層編織布和兩層密封膜，連接抽真空設備施加真空壓力。

2.2 堆載預壓法地基處理施工方案

堆載預壓法地基處理場地整平打設豎向排水板同真空預壓法；采用堿渣制土作為堆載料，堆載前先鋪設一層400 g/m2土工布，總堆荷80 kPa；按圖1堆載“加荷—時間”示意圖施加荷載。

2.3 堆載+井點降水法地基處理施工方案

堆載+井點降水法地基處理場地整平打設豎向排水板同真空預壓法；埋設降水井，降水井間距為15 m，按正方形布置；待降水10 d后再進行堆載，采用堿渣制土作為堆載料，堆載前先鋪設一層300 g/m2土工布，總堆荷80 kPa，堆載時注意對降水井采取適當的保護措施。

3 堿渣場區地基處理效果評價

通過地基處理需消除地基主要沉降，提高地基強度。為評價地基處理效果，在地基處理前后分別鉆取堿渣試樣進行室內土工試驗以及現場十字板剪切強度原位測試，在地基加固處理過程中布置了沉降觀測、孔隙水壓力觀測等觀測項。

3.1 地基沉降變形情況

各地基處理試驗區達到交工固結度和沉降速率時，真空預壓試驗區沉降量598.5 mm；堆載試驗區沉降量1 260.3 mm；堆載+井點降水試驗區沉降量1 668.7 mm。

圖2是各試驗區地表沉降隨時間變化曲線，真空預壓試驗區的沉降主要發生在施加真空荷載初期；堆載預壓區前期沉降幾乎可以忽略，當開始施加荷載后，沉降速率增加明顯，尤其是在第三級荷載滿載后沉降速率增大幅度較大；堆載+井點降水區在首級荷載未施加但已開始井點降水后，區內已有明顯沉降，堆載荷載施加后沉降速率顯著增長。

3.2 地基孔隙水壓力變化情況

各試驗區在不同深度埋設有孔隙水壓力測頭用于觀測孔隙水壓力變化情況，圖3是各區選取地表以下2 m處孔隙水壓力隨時間變化曲線，真空預壓區孔隙水壓力消散主要發生在前期，中期由于現場檢修停止抽真空加載孔隙水壓力迅速反彈，但恢復正常抽真空后孔隙水壓能夠再次消散到前期水平；堆載預壓區孔隙水壓力消散較慢，加載過程中孔隙水壓力明顯反彈，恒載過程中孔隙水壓力持續消散，但消散速率較小；堆載+井點降水區前期首級荷載未施加但已開始井點降水后，孔隙水壓力消散較快，一旦進行堆載加載孔隙水壓力反彈明顯(加載期間停止降水)，恒載降水過程中孔隙水壓力迅速消散。

3.3 地基處理前后堿渣物理力學指標變化情況

各試驗區在地基處理前后進行室內土工試驗，三種地基處理方法均能明顯提升堿渣物理力學指標，但堆載+井點降水區效果最為顯著，堆載預壓區效果次之，真空預壓區效果最差。表2為堆載+井點降水區地基處理前后物理力學指標變化情況。

表2 地基處理前后堿渣物理力學指標

各試驗區在地基處理前后進行現場十字板剪切原位測試，由于十字板剪切強度隨深度變化較大，因而分地表至10 m深度和10 m深度以下兩層進行指標統計。圖4顯示三種加固方法均能有效的提高堿渣的抗剪強度，但堆載+井點降水區效果最好，堆載預壓區效果次之，真空預壓區效果最弱。

4 結語

1)由于堿渣具有高孔隙比、高滲透性的特點，利用真空預壓法處理堿渣地基時真空荷載能夠通過水平濾管和豎向排水板很快傳遞到堿渣地基內，堿渣內的自由水也能迅速排除，因而在抽真空初期階段地基沉降和孔隙水壓力消散就能迅速發生。

2)堆載+井點降水法處理堿渣地基時，通過井點降水方法也能迅速將堿渣內的自由水排除，同時將堆載壓力快速轉化為有效應力，但在第三級堆載壓力施加后沉降快速加大，因而在實際工程使用中為保證地基穩定一定不能超載使用。

3)真空預壓法、堆載預壓法以及堆載+井點降水法用于高含水量深厚堿渣地基處理都能取得不錯的效果，但是堆載+井點降水法對于消除堿渣地基沉降，提高堿渣物理力學指標是最為有效的。

[1] 大連化工研究設計院.純堿工學[M].第2版.北京:中國化工工業出版社，2004.

[2] 黃泰坤,龐 然,閆澍旺,等.天津港堿渣搬遷治理方案[J].港工技術，2013,50(6)：44-46.

[3] 閆澍旺,孟祥忠,劉 潤.堿渣土的工程性能研究[J].巖土工程界，2002,5(5)：25-28.

High water content deep-thick sludge foundation treatment and effect evaluation

Chen Shaoqing Zhang Ji

(TianjinBeiyangShippingHydrologySurvey&DesignInstituteCo.,Ltd，Tianjin300000,China)

The paper introduces basic properties of sludge, describes foundation processing methods of sludge filling field from three aspects of vacuum preloading method, preloading method and well-point dewatering method, and makes an evaluation of the treatment effect, which has provided some guidance for similar engineering in future.

sludge, foundation, well-point dewatering method, pore water pressure

1009-6825(2017)18-0052-02

2017-04-07

陳少青(1984- )，男，碩士，工程師

TU441.6

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