吹填土不均勻沉降控制技術研究

(1.成都理工大學 四川 成都 610059;2.江蘇大學土木工程與力學學院 江蘇 鎮江 212013)

引言

過去幾年，天津濱海新區由于工程建設需要進行圍海造陸。由于該地區建設用砂較少，因此將航道疏浚土作為吹填土[1]。但航道疏浚土由于其塑性指數高、孔隙比大等特點導致其地基承載力較差。因此需要進行地基處理以增強其承載力[2-4]。本文以以天津LNG管道填海段作為軟土地區不均勻沉降量控制技術研究案例，采用固化材料SD對吹填土進行加固，對天津濱海新區的工程建設提出指導和建議。

一、研究區高礦化度軟土加固過程特性研究

吹填土的物理力學性質與土中含鹽量的多少有著密切的聯系。當含鹽量在百分之0.5以下時，土的礦化性對其物理力學性質影響不大；但當土中的含鹽量在百分之0.5以上時，土的礦化性對其性質影響明顯；而當土中的含鹽量高于百分之3時，鹽分的具體種類與種類之間的占比關系則主要影響著土的物理力學性質[9]。研究區的吹填土其含鹽量為4.66%，其中以顆粒細小的粉質粘土為主，局部夾雜薄層粉土以及粉砂。當土中水分蒸發，含水率降低，結晶的鹽顆粒部分充填于土顆粒的孔隙間，其余部分的結晶鹽顆粒則充當了土的骨架。土中的鹽分受其顆粒形態的影響，使得吹填土成為了一種帶電體系，最終導致了土的性質發生變化[10]。目前對高礦化度吹填土的沉降控制技術從化學途徑上來控制改善吹填土的強度特性和鹽脹特性則研究較少。因此本文通過采用多種對比試驗來研究新型固化劑對天津LNG管道填海段高礦度吹填土的強度和鹽脹變形特性的影響及其作用機理。

(一)試驗方法

通過室內試驗揭示了天津LNG管道填海段的吹填土主要為氯鹽吹填土，硫酸吹填土居次要位置。氯鹽是主要控制吹填土強度的因素，而硫酸鹽是主要控制吹填土膨脹的因素。因此為了研究不同鹽類作用的加固材料性質，以天津LNG管道填海段軟土含鹽量為參考，配制人工試塊。

室內試驗配制的水灰比為0.6，水泥和吹填土的質量比為0.12，控制固化劑摻量以水泥摻入量的2.5 %和5 %兩種變量情況進行對比試驗。先按照特定順序制備水泥漿，待攪拌機攪拌完成后，將其混入試樣中繼續攪拌，待攪拌均勻為止。

(二)試驗結果分析

1.新型固化劑對吹填土強度特性的影響

為研究新型固化劑對天津LNG管道填海段吹填土無側限抗壓強度的影響，向試樣中加入的固化劑含量分別為水泥含量的2.5%(A組)以及水泥含量的5%(B組)，進行對比試驗。

從通過試驗結果可以得出：加入了SD材料的試樣相比較于純水泥加固的試樣，抗壓強度有了顯著的提高，固化劑摻入量越高，則抗壓強度也越大。新型固化劑摻量為2.5%，5%的吹填土28d時的抗壓強度分別為1.05 MPa，1.31 MPa，相對于純水泥土的抗壓強度分別增加了56.72%，95.52%。在試驗前7d時，抗壓強度顯著提升，隨著時間推移，抗壓強度表現為緩慢增長。摻入了新型固化劑的試驗對象，其抗壓強度可以在短時間內得到顯著的提高。

圖1-1 無側限抗壓強度曲線

圖1-2 試驗線膨脹量

2.新型固化劑對吹填土膨脹性的影響

為研究該新型固化劑對天津LNG管道填海段吹填土膨脹性的影響，向試樣中加入的固化劑含量分別為水泥含量的2.5%(A組)以及水泥含量的5%(B組)，進行對比試驗。試驗結果如下：

從圖中可以看出：加入了固化劑的試樣相比較于純水泥加固的試樣，線膨脹量有了顯著的降低，固化劑摻入量越高，則膨脹性呈遞減趨勢。固化劑摻量為0%，2.5%，5%，時，在養護齡期為28 d時試樣的平均線膨脹率為1.62%，0.337%，0.301%，純水泥加固試樣的線膨脹量約為添加了固化劑試樣線膨脹量的5倍。由此可得出該新型固化劑可有效抑制吹填土水泥試塊的膨脹，且隨固化劑含量的增加，水泥加固土的膨脹率逐漸降低。試樣膨脹主要集中在前5d，而后試樣基本無膨脹現象。

二、新型固化劑SD對吹填土的加固機理

通過室內試驗揭示了天津LNG管道填海段的吹填土主要為氯鹽吹填土，硫酸吹填土居次要位置。氯鹽和水泥水化發生化學反應生成C3A·CaCl2·10H2O，這種物質強度低，而且無法聯結，從根本上導致了其強度的降低，反應方程式如下：

Ca(OH)2+2NaCl=CaCl2+2Na++2OH-

C3A+CaCl2+10H2O→C3A·CaCl2·10H2O

主要控制吹填土膨脹因素的硫酸鹽發生反應生成鈣礬石，導致體積膨脹，反應方程式如下：

3CaSO4+4CaO·Al2O3·19H2O+14H2O →3 CaO·Al2O3·3 CaSO4·32 H2O + Ca(OH)2

對此，要想解決吹填土帶來的工程危害問題，首當其沖就是先要抑制其土中的鹽離子與鋁酸鈣反應。新型固化劑中含有大量二氧化硅，與氫氧化鈣反應生成水化硅酸鈣，這種物質是一種不溶性鹽類晶體，分布在顆粒之間的孔隙中，增強粘結能力，反應方程式如下：

SiO2+Ca(OH)2+H2O→CSH

現階段研究現狀表明氯鹽和水泥水化發生化學反應生成C3A· CaCl2· 10H2O會隨著二氧化硅含量的增加而減少。這是因為二氧化硅使得水泥土的堿度降低，氯酸三鈣也會得到稀釋，導致C3A· CaCl2· 10H2O的溶解度增加，從而提高了強度。同時鈣礬石的含量也會因為氫氧化鈣濃度的降低而減少，最終固化土的體積膨脹也會得到有效控制。

三、結論

(1)通過試驗可以看出：加入了新型固化劑SD的試樣相比較于純水泥加固的試樣，抗壓強度和抗折強度都有了極為顯著的提高。

(2)加入了固化劑的試樣，其線膨脹量有了顯著的降低，固化劑摻入量越高，則膨脹性呈遞減趨勢。試樣膨脹主要集中在前5d，而后試樣基本無膨脹現象。

(3)加入了新型固化劑中含有大量二氧化硅，導致水泥土堿度的降低，低pH值可導致C3A· CaCl2· 10H2O含量的降低，從而提高了強度。同時鈣礬石的含量也會因為氫氧化鈣濃度的降低而減少，最終固化土的體積膨脹也會得到有效控制。