原位固化施工工藝參數控制及效果

章云，賈守福，陶潤禮，馮波，崔勇濤

（1．中交疏浚技術裝備國家工程研究中心有限公司，上海 201208；2．中交上航（福建）交通建設工程有限公司，福建 夏門 361028）

0 引言

隨著我國海洋經濟建設的不斷發展，需進行岸灘功能性改造，以滿足景觀、休閑生活的需要[1]。此類工程建設地點常位于灘涂地區，環境條件復雜。灘涂淤泥具有高含水率、高壓縮性、低強度等軟土特點[2]，需對地基軟土進行處理，使其達到滿足后續工程施工承載力的要求。目前提高灘涂淤泥軟基承載力的最為常見處理方式是真空或堆載預壓[3-4]，但該方法處理周期長且處理后的軟基承載力有限。原位固化處理方法是一種使用水泥、工業廢料以及其他外摻劑等固化材料對地基軟土進行原位固化改良，使其形成較高強度的硬殼層或板體，以滿足地基承載力要求。該原位固化處理方法具有處理快速、滿足不同承載力的要求等特點，目前已在軟基處理等工程中應用[5]。

原位固化設備目前較為主要包括強力攪拌頭、后臺供料系統、驅動設備（挖掘機）[6]。強力攪拌系統見圖1。

圖1 強力攪拌系統Fig.1 Strong stirring system

目前國內集成開發的后臺供料系統主要包括干法和濕法兩種。干法供料主要通過后臺空壓設備等控制輸送粉劑至攪拌頭[6]；濕法供料主要通過后臺砂漿泵等控制輸送漿液至攪拌頭。對于潮間帶施工，宜采用濕法供料，并配備浮箱式履帶挖機作為驅動設備，將固化劑漿液通過管道輸送至攪拌頭噴口處，與淤泥均勻拌合，實現灘涂原位固化施工。

本文采用濕法即輸水泥漿拌合的原位固化工藝，并采用浮箱式履帶挖機作為驅動設備，依托廈門海滄區灘涂處的圍堰地基處理工程，對原位固化施工工藝的參數進行測試，分析泥漿比重、流量等的變化關系，提出計算及控制方法，指導原位固化施工；同時對固化處理后的場區進行現場取樣，分析其加固效果。

1 原位固化參數控制機理

原位固化施工的主要固化材料為水泥和外摻材料，后臺參數的控制主要包括：1）外摻劑控制后臺：用于按配比添加、混合、加水稀釋外摻劑；2）輸漿控制后臺：通過變頻控制水（含外摻劑）和水泥的添加量，并混合攪拌，將水泥漿輸送至攪拌頭上的噴漿口處。

原位固化控制原理示意圖見圖2。

圖2 原位固化控制原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of in-situ curing control

具體流程為：1）分別在小攪拌桶①、②、③、④內將外加劑配置成溶液→2）將各類外摻劑泵送至大攪拌桶A內→3）通過計算將A桶內的混合液輸送至B桶內，并加水稀釋至滿桶狀態→4）通過輸漿變頻控制系統，調整B桶稀釋溶液流量和水泥下料量，配制水泥漿→5）砂漿泵將攪拌后的水泥漿輸送至攪拌頭上的噴漿口處，實現固化劑與淤泥的原位攪拌固化。

2 依托工程

2.1 工程概況

廈門海滄圍堰工程的地基土體為淤泥質土，且土層分布較不均勻。淤泥質土具有強度低、孔隙比大、承載力低等特點，因此在進行圍堰上部施工前要對圍堰地基進行原位加固處理，以滿足承載力和沉降控制的要求，設計要求固化7 d后地基土無側限抗壓強度達到100 kPa。

2.2 室內試驗

通過室內試驗分析，可知本工程淤泥土樣的容重γ0=16 kN/m3，將淤泥與8%水泥和外摻劑混合攪拌均勻制成標準試樣，分別進行標準養護和浸水養護，得到標準養護條件下7 d、28 d無側限抗壓強度分別為 290．4 kPa、468．1 kPa；浸水養護條件下7 d、28 d無側限抗壓強度分別為248．3 kPa、397．5 kPa。

3 參數控制

3.1 參數控制方案

原位固化施工過程中后臺參數的控制主要是固化劑添加量的控制，可通過水灰比、泥漿比重、流量等的測試進行控制，以達到各區域、各深度的配比要求。

本次試驗測試的參數內容主要包括如下內容：

1）不同泥漿比重下的流量變化：

確定漿液適宜的比重及其流量參數。

2）不同施工深度的流量變化：

優化每點固化施工時間及提升速度。

3.2 參數控制結果分析

3.2.1 水泥漿比重-流量試驗分析

原位固化施工過程中，需要控制水泥漿比重、流量和每點的固化攪拌時間，以達到設計的固化劑摻比。故分別進行了清水-流量試驗和不同水泥漿比重-流量試驗。通過調整“水”和“水泥”的變頻控制按鈕，進行水泥漿比重的調配。

1）清水-流量試驗

清水調試試驗，供水頻率分別選取32 Hz、28 Hz、26 Hz。通過分析變頻參數和流量的關系，得到當“水”頻率大于32 Hz時，后臺輸水量大于砂漿泵泵送能力，將造成水泥漿的溢出和浪費。測試表明較為合理的輸水頻率為26～28 Hz。

2）不同比重-流量試驗

在滿足供漿能力的條件下，通過輸漿控制后臺調整“水”-“水泥”的變頻參數，對不同水泥漿比重，砂漿泵輸漿管道內的漿液流量進行測試分析，各水泥漿比重條件下，輸漿流量的變化規律見圖3。

隨著水泥漿比重的增加，輸送流量減小。因此，水泥漿比重較大時，流量較小，每點輸料固化攪拌的時間增長；水泥漿比重較小時，摻比較低，需要增加輸料時間來滿足配比要求。

3.2.2 攪拌深度-流量試驗分析

為確定各深度處攪拌頭的下降和提升速度，需要分析不同攪拌深度時的流量變化情況。

圖3 水泥漿比重-流量關系曲線Fig.3 Gravimetric-flow relation curve of cement slurry

試驗選取的水泥漿比重分別為1．45 g/cm3、1．50 g/cm3、1．57 g/cm3，分析各漿液比重在 0～5 m深度處輸漿流量的變化。每種水泥漿比重下共測試5組數據，每組數據分為“下降”和“提升”兩種類型。將數據整理，并選取各漿液比重下的典型測試結果見圖4。

圖4 不同比重下流量-深度變化曲線Fig.4 Flow-depth change curve of different gravimetric of cement slurry

“下降”過程中隨著深度的增加總體呈現流量減小的趨勢；“提升”過程中，流量變化幅度相對較緩。因此在輸料的過程中應根據不同深度的流量來控制攪拌時間，以滿足固化劑摻比的要求。

3.3 參數確定

待固化的單位方量的淤泥，為達到其固化劑摻量，需要對如下指標進行控制：攪拌時間T，流量Q，淤泥容重γ0、水泥漿比重γ、水泥配比a。則固化1 m深度的時間，具體計算公式如下：

式中：C為水灰比，按γ=（C+1）/（C+1/3）計算；n為每點攪拌次數，一般施工為上下循環2次，共計攪拌4次；A為攪拌頭面積，A=1．5×0．9=1．35 m2；δ為攪拌淤泥土層厚度。

由室內試驗知，淤泥土樣的容重γ0=16 kN/m3。原位固化施工采用8%固化劑摻量配比，通過測試的各水泥漿比重下的流量值，可確定每點固化5 m深度，其對應的固化施工攪拌時間見表1。

表1 各水泥漿比重每點固化施工時間Table 1 Solidification construction time for each cement gravity point

考慮到每點固化施工時間與水泥漿比重均與流量呈反比關系，同時現場試驗表明水泥漿比重的增加，會降低其流動性，使其流量降低。綜合考慮上述兩因素的影響以及現場試驗情況，較為合理的水泥漿比重可取為1．5 g/cm3，實現經濟的施工時間。

由于每點固化深度處的流量隨著深度變化，因此在固化施工過程中需通過控制攪拌頭的下降和提升速度來控制攪拌時間。故根據式（1）進行每米分段計算，得到在水泥漿比重γ=1．5 g/cm3，水灰比C=1時，每5 m深度的固化點所需施工時間約為9 min。

3.4 現場試驗

在室內配比實驗和參數分析的基礎上，選取室內試驗的固化劑配比，并對施工過程中的參數進行控制，開展現場工藝性試驗研究。根據3．3節所確定的施工參數，施工過程中維持水泥漿比重為1．5 g/cm3，每5 m深度的固化點固化攪拌時間9 min左右，并對其固化效果進行檢測分析。

固化淤泥養護7 d后，采取浮漂式鉆孔勘察設備現場取樣，試驗場區取樣深度為0．5 m、2．0 m、3．5 m、4．5 m，鉆孔取出的試樣送至檢測單位進行無側限抗壓強度試驗。

3.5 試驗結果

7 d無側限抗壓強度鉆孔取樣結果見表2。檢測結果不僅滿足設計要求的固化淤泥養護7 d后無側限抗壓強度達到100 kPa，而且與室內試驗浸水養護條件下7 d無側限抗壓強度大小非常接近。淤泥原位固化結果滿足后續圍堰施工要求，可快速形成的硬殼層，有效縮短工期。

表2 7 d無側限抗壓強度鉆孔取樣結果Table 2 Borehole sampling results of unconfined compression strength for 7 days

4 加固效果分析

4.1 無側限抗壓強度分析

現場試驗固化淤泥養護7 d、28 d后，采取浮漂式鉆孔勘察設備現場取樣，取樣深度為0．5 m、2．0 m、3．5 m、4．5 m。對鉆孔取出的試樣進行無側限抗壓強度試驗，測得不同深度處固化土的強度見圖5。

隨著齡期的增長，固化土抗壓強度增大，各深度7 d無側限抗壓強度均大于200 kPa；且隨著深度的增加，強度出現了不同程度的衰減。如7 d齡期時，0．5 m深度處固化土無側限抗壓強度約為290 kPa，4．5 m深度無側限抗壓強度約為220 kPa，這主要是由于深部施工固化攪拌較不均勻且固化劑反應不完全造成的，因此在固化施工時，深部施工可適當增加噴漿攪拌時間以提升均勻性。

圖5 無側限抗壓強度曲線Fig.5 Unconfined compressive strength curve

4.2 固化均勻度分析

原位固化施工過程中，各深度處拌合的均勻度主要采取EDTA滴定的方式測試不同深度取樣點處的水泥含量，判定固化均勻度。

選取現場淤泥土，分別進行素土和2%、4%、6%、8%、10%摻量下的EDTA滴定測試，測得的EDTA標準曲線見圖6。

圖6EDTA標準曲線Fig.6 EDTA standard curve

對現場取樣后不同深度的固化土進行EDTA滴定，測試各深度處土樣EDTA滴定所消耗的標準液，并可在標準曲線內確定對應的水泥劑量，測試結果見表3。

表3 不同深度固化土EDTA標準液消耗量Table 3 EDTA standard liquid consumption of solidified soil of different depths

試驗結果與標準曲線進行對比，測得各標準液消耗量對應的水泥摻比。試驗結果表明：隨著深度的增加，水泥摻加量均有不同程度的降低。這表明采用原位固化工藝進行固化施工，在較深處存在固化劑攪拌時間應該適當增加。

5 結語

本文通過對原位固化后臺參數的測試，分析了水泥漿比重和流量的變化規律，以及不同深度處水泥漿的輸送流量等，并結合工程實例確定了固化攪拌時間的計算和控制方法。主要結論如下：

1）隨著輸送水泥漿比重的提升，流量呈衰減趨勢。現場試驗表明，在“水”-“水泥”變頻參數為26～28 Hz時，水泥漿比重約為 1．5 g/cm3，滿足供漿需求。

2）隨著攪拌頭入土深度的增加，輸送的水泥漿流量降低。通過參數控制、參數計算方法和實例配比的計算，確定較為適宜的水泥漿比重為1．5 g/cm3，且每點固化5 m深度攪拌時間宜為9 min。

3）采用原位固化技術可有效提升固化土強度，滿足承載力要求，采用本實例的固化劑配比7 d無側限抗壓強度均可達200 kPa，且有效節省工期。