鉆孔灌注樁泥漿的固化處理及其在路基填筑中的工程應用

丁飛鵬

（浙江交通資源投資有限公司，浙江 杭州 310020）

0　引言

道路橋梁工程中鉆孔打樁排出的泥漿是目前道路建設工程中廢棄土的來源之一，而對于這些高含水率泥漿（w＞100%），通常的處理方法就是就地征地臨時堆放化處理，并采取自然蒸干，但由于儲存泥漿的泥漿池面積大、深度深，經常出現表層水分蒸發較快以至出現龜裂，下部含水率依舊很高的現象。外運處理費用比較昂貴，且泥漿池危險性很高，長時間不處理會加劇危險，占用土地資源。現如今，對于優質路基填料的需求日益增大，而政府對于開山采石的限制使得宕渣填料的開采量減小，這種供不應求的關系導致路基填料變得緊缺昂貴。因而在響應“資源節約、環境友好”型發展新模式下，科學合理地處理和充分利用工程廢棄土方，成為逐步摒棄粗放型發展建設模式過程中的重要環節。

本文針對高含水率泥漿進行就地固化處理作為路基填料，通過一系列技術改良措施，使廢棄土方轉化為具有一定強度和滲透性的公路路基填方材料[1]。

1　泥漿物理力學性質

試驗選用的土樣為依托工程中橋梁鉆孔灌注樁打樁排出的廢棄泥漿，泥漿沉淀池表面水膜厚度為2～4 cm，取土位置為水面以下20 cm。土樣呈黃色，流動狀態，含少量細砂。由于初始含水率對土體固化影響效果很大，因此土樣取后用保鮮袋包裝嚴密。

采用液塑限聯合測定法測定土體的界限含水率，試驗結果見表1。天然土料的基本物理指標見表2。

表1　界限含水率測定

表2　天然土料基本物理指標

2　室內固化試驗

由于廢棄泥漿的含水率很高，呈現很大的流動性，因此對其進行改良固化，以提高廢棄泥漿的工程性能。本文選用傳統的固化材料水泥、生石灰以及粉煤灰，其中水泥產自安徽某水泥股份有限公司，生石灰產自中國無錫，粉煤灰產自浙江桐鄉市某粉煤灰有限公司。

2.1　固化機理

2.1.1石灰固化劑

石灰作為固化劑加入土體中與土之間發生強烈的物理化學作用，從而使土的性質發生根本改變，土的力學性質得到顯著的改善。石灰穩定初期表現在顆粒間產生膠結，土的塑性降低，后期表現在結晶結構的形成，土的板體性、強度以及穩定性的提高[1]。

2.1.2水泥固化劑

將水泥摻入到土中后，在水的參與下水泥會發生水解和水化反應，產生水合水化物，這些水泥水化物會與黏土顆粒產生一系列的物理化學反應，形成水泥石骨架，該骨架具有整體性好、水穩定性高和一定強度等特征，從而提高了土的強度和穩定性，改變了膨脹性土原有的性質，使其工程性質得到了改善。

2.1.3粉煤灰固化劑

粉煤灰固化機理主要有兩種：

（1）吸附理論。這種理論認為固化作用是由固化劑與被固化物分子在相界面層上相互吸附產生的,屬物理吸附。而更為普遍的解釋則認為，固化劑與被固化物之間的吸附不僅有分子間相互作用力——次價力，而且還有原子之間的相互作用力——主價力，即物理作用與化學作用的共同結果。

（2）化學結合理論。這種理論認為固化作用是固化劑與被固化物之間的化學力——主價力結合的化學反應[2-6]。

2.2　無側限抗壓強度

室內對單摻7%、9%、11%、13%生石灰和水泥的固化泥漿進行了無側限抗壓強度試驗。圖1為單摻生石灰后固化泥漿的無側限抗壓強度隨著齡期增長的變化趨勢。圖2為單摻水泥后固化泥漿的無側限抗壓強度隨著齡期增長的變化趨勢。

圖1　不同摻量生石灰的無側限抗壓強度隨齡期的變化

由圖1和圖2可知：

（1）單摻生石灰，固化泥漿的前期強度增長較為緩慢，后期強度增長較快。

圖2　不同摻量水泥的無側限抗壓強度隨齡期的變化

（2）單摻水泥，固化泥漿的前期強度增長要大于后期強度增長。

（3）與單摻生石灰的強度相比，單摻水泥的無側限抗壓強度要高得多，說明水泥對于泥漿的固化效果比生石灰的固化效果好。因此選用水泥作為泥漿固化的主固化劑。

不同配比下泥漿改良土的28 d無側限抗壓強度試驗結果見表3。

表3　不同配比泥漿固化土28 d無側限抗壓強度

由表3可知，隨著水泥摻量的增加，強度增大的幅度增大；當水泥摻量增長到11%，泥漿改良土的28 d無側限抗壓強度為330 kPa，滿足經驗要求的28 d無側限抗壓強度不低于200 kPa。

考慮到經濟性，為了降低造價，使用粉煤灰替代配比中的部分水泥，無側限抗壓強度試驗結果見表3。由表3可知，在6%水泥+5%粉煤灰的配比下，泥漿改良土的28 d強度可以達到245 kPa，在滿足強度的要求下達到最良好的經濟效益，為最優配比。

3　泥漿改良的施工工藝

3.1　工程概況

試驗路段位于跨杭平申航道嘉海公路橋改造工程1號橋西橋頭段，具體樁號為K2+520～K2+630。該次試驗主要針對路堤120 cm高度開展相關填筑試驗，現場已經對原地面進行處理，如圖3所示。

3.2　改良泥漿拌合及路基填筑施工技術

目前施工現場常見的拌合工藝主要包括廠拌法和路拌法，這些傳統的拌合方法對于高流動性、高含水率的泥漿并不適用。本文針對泥漿的特殊性，在采用水泥和粉煤灰傳統固化材料的基礎上，引進芬蘭固化穩定系統中的關鍵設備——ALLU強力攪拌頭并完成了就地固化設備關鍵部位的國內匹配。圖4和圖5為對廢棄泥漿進行就地固化。

圖3　現場試驗段截面圖（單位：cm）

圖4　ALLU PMX300動力混合器（攪拌頭）

圖5　ALLU自動控制供料系統

就地固化拌合施工工藝主要包括施工準備、就地拌合、松鋪碾壓、檢修檢驗、整修驗收等階段。施工準備中要做好ALLU拌合機械、水泥罐、粉煤灰罐以及場地的準備工作；就地拌合階段要預先畫出網格，計算單個打設點水泥、粉煤灰劑量以及每個網格所有打設點；在固化劑自動定量供料系統中提前設定水泥、粉煤灰的需量，先沿著泥漿外沿拌合后以已固化好的區域為固化平臺，推進式地進行下個區域的固化處理；松鋪碾壓階段是在固化后泥漿達到最優含水率附近即可進行填筑碾壓，每層碾壓的松鋪厚度為22～25 cm。

4　現場泥漿改良土的固化特性分析

含水率、壓實度以及CBR是路基填筑過程中的重要控制指標，是保證路基工程質量的前提。

4.1　擊實試驗

試驗采用相同的擊實功，對原狀泥漿、悶料3 d以及28 d的固化泥漿的擊實特性進行了對比，研究不同狀態下泥漿的最優含水率以及最大干密度的變化情況。圖6為未固化泥漿與固化泥漿的擊實曲線，其最優含水率及最大干密度的試驗結果見表4。

圖6　未處理泥漿、處理泥漿的擊實曲線

表4　未處理泥漿、處理泥漿最優含水量及最大干密度

由圖6和表4可知：

（1）與未處理泥漿相比，處理后泥漿的最優含水率增大，而最大干密度減小。且在固化初期，泥漿固化土的最優含水率大幅度增大，而最大干密度則大幅度減小，這與固化土最大干密度受到固化劑比重的影響的結論不一致（水泥Gs=3.15，生石灰Gs=2.2，粉煤灰Gs=2.55，按照加權平均法，固化后泥漿比重Gs=2.75＞固化前泥漿比重Gs=2.72）。之前的研究表明由于水泥的高比重使得摻入后土體最大干密度增大，生石灰的比重較低則使得最大干密度減小。因而最大干密度與固化劑比重的關系并不大，而是由于加入固化劑與土體發生一系列反應改良了土體的級配以及土顆粒之間的間隙從而影響著最大干密度。

（2）固化劑在土體中發生一系列的物化反應需要水的參與，使得最優含水量增加。但由于固化劑在土體中發生物理化學反應越加充分，活性減弱，生成越來越多的水化產物以及聚合物，使得最大干密度隨著悶料天數的增加不斷增大，悶料3 d后最大干密度為1.31 g/cm3，到28 d增大至1.58 g/cm3。而最優含水率開始呈現減小的趨勢，從24.26%減低至20.79%。

4.2　含水率試驗

固化后泥漿含水率的變化對整個施工的影響至關重要，它關系著何時開挖泥漿改良土填料，何時填筑碾壓。因而跟蹤改良土的含水率變化是必要的，尤其對于含水率高達130%左右的泥漿，是否成功降下含水率關系著固化施工的成敗。

試驗對悶料不同天數的泥漿改良土含水率進行測試，測試結果如圖7所示。

圖7　含水率隨悶料天數的變化

由圖7可知，固化后泥漿在初拌合結束后，含水率急劇降低，由130%降到87.2%；后期含水率降低的幅度減小，以平穩的速度不斷減小；當悶料25 d時，含水率降至23.6%，此時可以將改良土從泥漿池中挖出，用于填筑碾壓。

圖8和圖9為含水率與最大干密度及最優含水率的關系。

圖8　含水率與最大干密度的關系

由圖8和圖9可知：

（1）隨著固化后泥漿含水率降低，最大干密度增大。這是由于固化劑與泥漿土樣不斷發生反應，消耗孔隙間的水分，生成結晶水，從而使得固化泥漿的最大干密度增加。

（2）隨著含水率的降低，最優含水量呈現減小的趨勢。這是由于固化土中的水化反應程度不斷減弱，漸漸呈現穩定平衡的趨勢，反應消耗的水分子不斷減小，因而最優含水率開始減低。

4.3　加州承載比（CBR）試驗

加州承載比（CBR）表征了填料抵抗局部荷載壓入變形的承載能力，被用來衡量路基填料的強度，是公路路基設計的一個重要指標。試驗段中泥漿改良土用作路床填筑，CBR＞4%即可滿足要求。圖10為CBR與悶料天數的關系。圖11為不同含水率對應的CBR值。由圖10和圖11可知：

圖10　CBR與悶料天數的關系

圖11　CBR與含水率的關系

（1）泥漿改良土的CBR值隨著悶料天數不斷增長，在悶料第7 d，CBR達到6.3%，此時已經滿足規范填筑要求，此時土料的含水率為59.5%，離最優含水量還有一定距離，因而CBR并不能作為路基填筑的唯一指標。

（2）含水率越小，泥漿改良土的CBR值越高。

4.4　現場檢測

拌合完成的泥漿固化土悶料30 d后，使用挖機從泥漿池中挖出運至試驗段附近，進行路堤攤鋪碾壓。碾壓完成后，根據《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60—2008）對路堤進行壓實度以及路面彎沉進行檢測[7]。

現場檢測的壓實度見表5。根據路堤規范要求，一級公路下路堤的壓實度不小于93%，由表5可知，試驗路段的路基壓實度滿足規范要求。

表5　壓實度

對試驗路段的彎沉進行檢測：右車道的彎沉代表值為129.5（0.01 mm），左車道的彎沉代表值為148（0.01 mm）。試驗路段彎沉的檢測結果滿足土基的彎沉驗收值小于266.5（0.01 mm）的驗收要求。

5　結語

本文對高含水率、高流動性的鉆孔灌注樁泥漿的固化特性以及現場固化施工工藝進行了研究。并選取常見的固化劑生石灰、水泥及粉煤灰對其基本固化性能進行了對比研究，選出最優配比方案。在最優配比上，研究現場泥漿處理現場施工工藝，并對拌合均勻的泥漿固化土進行了一系列的固化后特性分析，發現以下結果：

（1）水泥對于廢棄泥漿的固化效果要優于生石灰，最優配比選用6%水泥+5%粉煤灰。

（2）現場的拌合施工使用芬蘭ALLU公司出品的固化穩定系統對泥漿進行就地固化的施工工藝，取得很好的固化效果。

（3）對現場固化后的泥漿進行了擊實試驗、含水率試驗和CBR試驗，試驗結果表明：固化后泥漿的最優含水率增大，而最大干密度減小，并且隨著悶料天數的增加，最優含水量呈現減小的趨勢，最大干密度呈現增大的趨勢。由此可以看出最大干密度與比重的關系并不大，影響最大干密度的主要是土體間發生的化學反應。

（4）施工過程中不能單獨以CBR作為填料是否能填筑碾壓的基礎，還應結合含水率的變化，最優含水量附近的土樣碾壓才可以達到最大壓實度，從而滿足壓實度的規范要求。