疏浚泥固化處理填海筑島現場試驗研究

路 洋，樂紹林，陳 偉，高文波，李華威

(武漢二航路橋特種工程有限責任公司，武漢 430071)

近年來，我國交通基礎設施建設蓬勃發展，為了建設開放的現代綜合運輸體系，以港珠澳大橋為代表的“橋、島、隧”集群工程將更多的列入區域發展規劃，包括深中通道、大連灣跨海交通工程以及渤海灣大橋等。在“橋、島、隧”連通中，人工島起著海上橋梁和海底隧道轉換的重要作用。人工島的建設通常包括填砂法和吹填淤泥法，填砂法成本高；吹填淤泥法后期地基處理周期長，且難有效減小差異沉降[1]。近年來，淤泥的固化處理技術日益發展，將淤泥與固化材料混合反應后能夠明顯降低淤泥的含水率，提高土體強度，而且整體性和均勻性好，能最大化減少地基差異沉降，使得淤泥固化土成為良好的土工材料[2-7]。利用海底隧道開挖的淤泥固化處理填筑人工島，不僅可以避免淤泥外拋對海洋環境的影響，也充分利用了自然資源，符合可持續發展的理念[8-9]。

朱偉等[10]在深圳鹽田港進行了海洋疏浚泥的固化填海現場試驗，采用反轉出料式混凝土攪拌機對疏浚泥和普通硅酸鹽水泥進行攪拌混合，再以傾倒的方式進行水下回填，通過現場取樣和靜力觸探測試對回填地基的處理效果進行了檢驗。但是，這種傾倒的處理方式無法滿足海上大規模、遠距離的回填施工。張春雷等[11]自制了較大型的淤泥固化處理設備，并在無錫五里湖進行了清淤底泥的固化筑堤現場試驗。試驗采用雙軸攪拌機進行混合攪拌，并使用了自主研發的復合型固化材料，固化處理效率達到60 m3/h，最后使用挖機對堤體進行了分層填筑。但是，檢測結果也發現了由于混合效果差而導致填筑堤體性質差異大以及干縮產生的裂縫問題。目前，國內尚無淤泥固化土遠距離泵送水下澆筑進行填海筑島的研究，本文基于前期室內試驗的成果，在大連港大窯灣進行了疏浚泥固化土泵送澆筑工藝的現場試驗，并對成型地基的效果進行了現場檢測和評價。

1 現場試驗概況

現場試驗位于大連港大窯灣港區，該場區為早期疏浚吹填的納泥區，地基承載力分布不均，介于50～80 kPa不等，圍堰由拋石填筑而成，寬度為25 m，表層鋪有礫石和砂，可以滿足現場試驗設備安裝要求。試驗場主要分為4個區域，包括臨時碼頭區、淤泥存儲區、設備區以及澆筑區。儲存區基坑尺寸為55 m×20 m×4 m，澆筑區4個澆筑基坑呈L形分布，尺寸均為20 m×20 m×4 m，按坡比1:1放坡開挖。為了保證試驗過程中原泥含水率的穩定性，儲泥基坑和澆筑基坑的四周以及底部均鋪設了土工布和防滲膜，澆筑基坑在試驗前用潛水泵抽滿海水，澆筑過程中海水隨著固化土的填筑，從預設的排水溝排除。現場試驗的平面布置圖如圖1所示。

圖1 現場試驗平面布置圖Fig.1 Layout plan of the field test

試驗用泥取自大連灣甘井子航道某區域，抓斗船取泥后由駁船運至試驗場的臨時碼頭區，再由長臂反鏟挖機卸泥、裝車后傾倒至淤泥儲存區；淤泥由挖機給料，稱重計量后通過皮帶機輸送至混凝土強制式雙軸攪拌機，通過管道添加固化材料漿液和海水，完成強制拌和；新拌固化土通過高壓活塞泵和管道輸送至澆筑區完成水下澆筑。整個現場試驗完成固化土水下澆筑方量4 000 m3，泵送距離超過300 m，系統處理能力達到100 m3/h。現場試驗工藝流程如圖2所示。

圖2 現場試驗工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of the field test

2 試驗材料與方法

試驗用泥的物理性質指標如表1所示。固化材料選用42.5普通硅酸鹽水泥和一種復合固化劑。前期室內研究成果表明，復合固化劑的固化效果明顯優于42.5普通硅酸鹽水泥，故以兩者作為對比材料進行現場試驗。該固化劑的組成成分為工業廢渣65%～75%、偏高嶺土20%～30%、硅酸鉀5%～12%、活化劑0.3%～1%。

表1 試驗用泥物理性質分析Tab.1 Physical properties of the soil

前期室內試驗成果表明，固化材料的摻量和固化土的含水率是影響固化土成型強度的主要因素。固化材料的摻量越高，固化土的強度越高，固化土的含水率越高，固化土的強度越低[12-15]。而固化土的含水率又是影響固化土流動性能的主要因素，含水率越高，固化土流動性越好，泵送性能也越好。為了順利泵送，試驗前期進行了不同含水率固化土的泵送性能試驗。試驗結果如圖3所示。

圖3 固化土泵送性能試驗Fig.3 Pumping performance test of the solidified soil

從結果中可看出，固化土泵送性能受其含水率影響較大，含水率越低，活塞泵對固化土的吸入率越低，泵送壓力也越大，直接導致泵送效率降低。尤其是含水率低于85%后，泵送效率降低明顯。而當固化土的含水率高于95%時，泵送效率達到100 m3/h，再增加含水率泵送效率增加不明顯，而且施工為了保證強度要求會增加固化材料的摻量。因此，固化土泵送適宜的含水率為95%。

為保證澆筑后地基承載力要求又便于施工過程中的遠距離泵送，4個澆筑基坑使用不同的方法進行現場水下澆筑。其中1#澆筑基坑采取分層澆筑，沿水深方向將澆筑基坑分為底層、中層以及面層，考慮到承載力的分布規律，固化劑的摻量從底層到面層依次增加。其他澆筑基坑采用同一摻量整體澆筑。澆筑方法如表2所示。澆筑后的地基進行養護，分不同齡期進行現場檢測。檢測內容包括開挖取樣試驗、靜力觸探試驗以及平板載荷試驗。其中，開挖取樣按照不同點位和不同深度進行多點取樣，現場取樣后用塑料袋密封帶回實驗室，制樣后測試無側限抗壓強度，試驗方法按照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-1999)[16]進行，制樣尺寸為Φ39.1 mm×80 mm；靜力觸探試驗使用CLD-3型靜力觸探-十字板剪切兩用儀，方法參考《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)[17]。平板載荷使用0.5 m2的方形承壓板，尺寸為70 cm×70 cm，試驗方法參考《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)[18]。

表2 現場試驗分區澆筑方法Tab.2 Different filling methods of the field test zone

3 試驗結果與分析

3.1 無側限抗壓強度

試驗數據采用正態分布進行統計學分析，并按照《巖土工程勘察規范》中有關巖土工程分析評價的方法進行修正，計算其標準值。巖土參數的標準值是巖土工程設計的基本代表值，是巖土參數的可靠性估值。對巖土設計參數的估計，實質上是對總體平均值作置信區間估計。巖土參數的標準值按下列公式進行確定。

(1)

Φk=γs×Φm

(2)

式中：n為樣本數量；δ為變異系數；γs為統計修正系數；Φk為巖土參數標準值；Φm為巖土參數平均值。

表3 28 d無側限抗壓強度試驗結果Tab.3 Test results of 28 d unconfined compressible strength

現場試驗中，澆筑固化土采用開挖取樣，每個點位均為8組，分別測試其28 d無側限抗壓強度后再進行統計學分析。現場固化土28 d無側限抗壓強度試驗結果如表3所示。

從試驗結果可以看出，1#澆筑區由于不同摻量分層澆筑，所以整體上變異系數最大。此外，由于現場試驗存在均勻性差異以及取樣過程中的擾動，都造成取樣檢測結果低于室內試驗指標，試驗分別統計了相同固化材料摻量和相同固化土含水率條件下，室內制樣-室內養護、現場澆筑管口取樣-室內養護、現場澆筑-現場養護取樣3種不同條件的固化土無側限抗壓強度，三者比值為1.8:1.56:1.0。前兩者的差別主要源于攪拌的均勻性，而第三者則是自然環境下的折損。所以，現場施工一定要最大化的提高淤泥與固化材料的攪拌均勻程度，同時考慮自然環境下的折損，本次現場試驗的折損率達到室內試驗的55%。

3.2 靜力觸探試驗

試驗分別在澆筑養護后14 d、28 d，在現場進行靜力觸探試驗。試驗結果如圖4所示。

圖4 靜力觸探實驗結果Fig.4 Test results of the static penetration圖5 平板載荷試驗結果Fig.5 Test results of the plate load

從圖4可以看出，養護28 d的固化土承載力比14 d承載力具有明顯的提高趨勢，且各澆筑區養護28 d的比貫入阻力均超過1.5 MPa。其中，1#澆筑區增長幅度為36%；2#澆筑區增長幅度為38%；3#澆筑區增長幅度為51%；4#澆筑區增長幅度為43%，增長幅度與室內試驗增長的規律基本一致。此外，試驗過程中也發現，表層受溫度影響，反應速度較中、底層慢，而隨著反應的進行，也逐步形成強度；固化土中層的反應速度最快，均一性更好；且隨著反應的進行，固化土的強度均一性逐漸增加。

3.3 平板載荷試驗

澆筑地基養護28 d后進行淺層平板載荷試驗，平板載荷試驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出，各澆筑區地基承載力特征值均滿足地基承載力設計值大于120 kPa的要求。1#與3#的對比表明，在固化劑總體用量相同的條件下，單一摻量的整體澆筑效果優于不同摻量的分層澆筑；2#與3#的對比表明，相同條件下，使用固化劑的處理效果達到使用水泥處理的1.8倍。

由于1#澆筑區采用不同固化材料摻量的分層澆筑方法，而各層間的無側限抗壓強度差別較大，無法準確衡量各層對平板載荷試驗結果的影響，所以只選擇2#、3#以及4#的28 d試驗結果并對其進行數值分析，最終得到無側限抗壓強度、比貫入阻力與地基承載力特征值之間的線性關系。無側限抗壓強度與地基承載力特征值擬合關系如圖6所示，比貫入阻力與地基承載力特征值擬合關系如圖7所示。

圖6 無側限抗壓強度與承載力關系Fig.6 Relationship between unconfined compressible strength and bearing capacity圖7 比貫入阻力與承載力關系Fig.7 Relationship between penetration resistance and bearing capacity

根據現場澆筑地基28 d指標的檢測結果，對固化土的無側限抗壓強度和比貫入阻力兩者與地基承載力特征值的關系進行數值擬合，可以得到經驗公式fak=1.49quk(R2=0.916)以及fak=0.20Ps+43.38(R2=0.983)，再考慮到現場環境施工中固化土無側限抗壓強度55%的折損，可以通過調配室內試驗中固化土無側限抗壓強度來控制地基的承載力，由固化土的目標強度來確定固化材料的摻量。采用疏浚泥固化處理遠程泵送水下澆筑工藝進行填海筑島，無需再進行地基處理，可明顯縮短施工工期，有效減小差異沉降，且在橋隧連接的跨海交通建設中，采用本工藝建設人工島，澆筑地基的初期強度有利于節省橋隧轉換通道開挖的支護費用。

4 結論

(1)驗證了疏浚泥固化處理遠距離泵送工藝的可行性，檢測結果表明現場澆筑地基能滿足橋隧轉換用人工島的承載力要求；

(2)固化材料整體用量相當的條件下，單一摻量整體澆筑的方法處理效果優于不同摻量的分層澆筑；

(3)針對海相疏浚淤泥而言，在固化劑摻量為5%左右時，澆筑固化土的無側限抗壓強度指標、靜力觸探指標與地基承載力特征值的關系可分別表示為fak=1.49quk(R2=0.916)以及fak=0.20Ps+43.38(R2=0.983)。