棗莊嶧州港堆場膨脹性土改良處理研究

王 禮

（山東水運發展集團有限公司，山東 濟南 250002）

1 工程概況

棗莊嶧州港碼頭工程位于韓莊運河中段，韓莊運河萬年閘上游，嶧城區古邵鎮魏家溝與韓莊運河交匯處北約2 km 的大棗莊村北側，項目建設6 個2 000DWT 散雜貨泊位，設計年通過能力為509萬噸，主要運輸貨種為砂石料、煤炭、非金屬礦石等散貨。

碼頭后方的堆場陸域因達不到設計標高，需利用開挖的港池土方回填而成。施工前對回填土的自由膨脹率和膨脹力兩項指標進行室內試驗，結果見表1。試驗表明主要土層自由膨脹率大于40%，判定為膨脹土［1］。膨脹土是指黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土。膨脹土是一類結構性不穩定的高塑性黏土，也是典型的非飽和土，當它作為結構物地基時，如未經處理或處理不當，往往會造成不均勻的脹縮變形，導致輕型建筑、路基路面、邊坡等的開裂和破壞，且不易修復，危害較大。同時設計推薦采用碾壓密實法處理堆場土層，而水運行業規范要求被碾壓層不得使用膨脹土［2］，綜上所述回填后的堆場陸域地基土應進行膨脹土土性改良。

表1 回填土膨脹性指標

2 改良方法分析

適用于堆場膨脹性土的改良方法包括壓實控制法、換土墊層法、濕度控制法和土質改良法等。濕度控制法包括暗溝保濕法、地基預浸水法、帷幕保濕法、全封閉法等。土質改良方法主要為化學改良法，包括無機物添加劑法和有機物添加劑法。無機物添加劑法主要有摻石灰、水泥、粉煤灰、NCS 固化劑、壓力噴注灌漿等；有機物添加劑法有以Arguard 2HT、4-三氟丁基焦幾苯盼、烷基芐基吡啶為主要成分的水溶液、多羥基多氮原子聚合物為主要成分的水溶液等［3］。

（1）壓實控制法能使地基承載力得到提高，設計上也推薦采用分層碾壓方式處理回填土。施工時要求回填土較最優含水量稍大而略低于塑限的壓實含水量并控制好壓實功能。該方法費用較低，但壓實后膨脹土的脹縮性并沒有受到抑制，因此壓實法只適用于港區所屬的弱膨脹性土類，并且需要結合其他改良方法才能達到效果。（2）換土墊層法施工工藝簡單，采用人工或機械挖除基底下一定深度的膨脹土，鋪設非膨脹土或粗粒土并碾壓。但嶧州港港池開挖土方較大，若采用換土墊層法，既要額外購置換填料，又存在棄土大規模占地問題。（3）濕度控制法中暗溝保溫法適用于有經常水源的三層以下房屋處理；地基預浸水法不適合在嶧州港這種氣候差異大的地區采用，膨脹土地基在浸水后往往難以保持土中的高含水量，旱季會產生更大的收縮變形，從而導致結構物的破壞；帷幕保濕法是將用不透水材料做成的帷幕設置于結構物周圍，阻止地基土體中的水分與外界的交換，該方法更適合于房屋建筑；全封閉法又稱包蓋法，直接用弱膨脹土填筑中心部位，用非膨脹土或土工合成材料作為兩邊與基底的封層，頂層鋪有非膨脹土或水泥穩定碎石封層，從而形成包心填方，該方法在高速公路、水利工程等領域采用較多，大面積堆場處理應用效果有待驗證。（4）無機物添加劑法中摻石灰改良膨脹土的主要作用是使膨脹土液限、膨脹性降低，顯著提高土的塑限與強度，從本質上改善膨脹土的工程特性。棗莊地區石灰產量較少，銷售方體量小、分布不均，且摻石灰需要避免雨季施工，既不能滿足項目堆場大面積使用要求，不符合該項目工期進度；水泥作為一種水硬性膠凝材料，水泥與石灰的改性機制類似，主要在于鈣酸鹽和鋁酸鹽的水化物與土體顆粒相互間的膠結作用，膠結物逐漸脫水和新生礦物的結晶作用，可降低其液限，提高其縮限和抗剪強度，從而明顯提高膨脹土的水穩定性與抗滲能力。水泥土與石灰土的不同之處在于，前者的早期效應比后者明顯，且水泥凝聚作用更為顯著，使黏土顆粒之間的膠結力增大，從而使水泥土的強度和耐久性比石灰土更高；NCS 固化劑是一種新型復合站性土回化材料的簡稱，由石灰、水泥與合成的“SCA”添加劑改性而成。NCS 固化劑除具有石灰、水泥對土的改性作用外，還進一步使土粒和NCS 發生一系列物理、化學反應，使膨脹土顆粒彼此聚集成土團，形成團粒化和砂質化結構，增強土的可壓實性。該方法可以明顯提高工程質量、加快施工進度，但受限于石灰采購難度和經濟成本增加，不適合于本工程。（5）有機物添加劑是一種無毒、無昧、無嗅的液體，化學溶液一旦被土吸附后，就會被牢牢吸附，不會流失，理論上具有清潔無污染等多重優點，但該技術目前仍處于經驗積累階段，應慎重采用。

綜上分析，棗莊地區盛產水泥，從原材料來源、經濟、環保、工期時效等各方面綜合考慮，可采用摻入水泥改良膨脹土性質，同時輔以必要的壓實控制法。

3 土體優化改良試驗

水泥摻量比直接影響膨脹土的改性效果。對膨脹土進行擊實試驗，確定最大干密度為1.95 g/cm3，最佳含水率13.7%，擊實曲線見圖1。

圖1 擊實曲線

在控制最優含水率和最大干密度條件下制樣，進行膨脹力測定、50 kPa 膨脹率測定及自由膨脹率測定試驗。

3.1 膨脹力試驗結果計算

式中： PP—膨脹力,kPa，計算至1 kPa；W—施加在試樣上的總平衡荷載,N；A—試樣面積,cm2；r—固結儀的杠桿比。

膨脹力試驗結果見圖2。

圖2 膨脹力試驗結果

3.2 自由膨脹率試驗結果計算

式中：FS—自由膨脹率，計算至1%；V1—試樣在水中膨脹穩定體積，ml；V0—試樣原體積，ml。

膨脹率試驗結果見圖3。

圖3 膨脹率試驗結果

基于原土樣試驗數據分析，在堆場地基處理施工前采用標號為32.5 號的普通硅酸鹽水泥作為摻合劑進行膨脹土改良，壓實度不小于97%。試驗時水泥摻合量按土樣烘干重量的0%、2%、4%、6%、8%、10%等6 種不同摻量比分別進行測定，以此對比膨脹土在各種水泥摻量下的指標變化。試驗得出必須控制水泥摻量適中，并非水泥摻入越多越好。隨著水泥摻量的增加，膨脹土的改性效果也越來越顯著，但是當水泥摻量增加到一定值后，改性效果變化不再明顯，趨向于穩定。試驗得出，弱膨脹土改良最優水泥摻量比為5%，自由膨脹率下降最多達到19%。

4 優化處理措施

采用摻入水泥改良法和壓實控制法相結合方案進行處理。施工工藝：（1）清表。分層碾壓回填前，對場地進行清表，清表深度30 cm，重點清除表層植被根系、垃圾等。（2）分層摻入水泥土并碾壓。回填前將回填土摻入5%水泥（質量比）并拌和均勻，水泥改良土分層壓實，每層最大松鋪厚度不超過30 cm，表層80 cm 壓實度不小于93%，80 cm 以下不小于90%。攤鋪時水泥土含水率宜高于最佳含水率的1%～2%，以補償在攤鋪及碾壓過程中的水分損失。采用振動壓路機，激振力大于270 kN，振動碾壓4 ～6 遍（振動碾壓機一個來回為1 遍），各遍間隔時間不小于4 h。碾壓搭接寬度不小于30 cm，相鄰碾壓遍間采用正交行駛方向交錯碾壓。壓路機碾壓行駛速度開始宜慢，速度為2.5 km/h,壓實過程中防止形成波切和軟彈現象。（3）檢測。回填施工完成后對場地標高、地基承載力、壓實度、回彈模量等進行測量和檢測。實際振動碾壓處理后地基承載力大于120 kPa，地基壓實度均不小于93%，且回彈模量大于40 MPa，滿足規范及使用標準要求。（4）注意事項。①施工宜安排在旱季進行，若遇雨天，應停止施工，已經攤鋪的水泥改良土應快速碾壓、封面并覆蓋。施工中要攔截好地表水、地下水，水必須通過排水溝引至處理區外。②膨脹土填料含水量要求控制在超出最佳含水量的1%～2%，當含水量不是最佳含水量時將土攤開、涼干或灑水，達到要求后方可進行壓實。

5 結語

本項目是《棗莊港總體規劃》批復實施以后第一座具有膨脹性土質處理的碼頭。通過借鑒其他工程以及試驗研究，推薦水泥添加劑改良方案，使水泥與膨脹土內部顆粒進行作用，降低膨脹土的膨脹性和吸水性，提高膨脹土的強度，克服堆場膨脹性回填土危害的問題。在運營期間陸續創下單日吞吐量3.6 萬噸、月產量73.62 萬噸的山東省內河港口生產記錄，2018 全年完成吞吐量873 萬噸，貨物品種主要有石子、黃沙、件雜貨、煤炭、焦炭等大宗貨物，對堆場承載能力要求均較高。運營2 年多來堆場沒有發生明顯沉降，場地坡度均勻，證明采用摻入水泥改良法和分層碾壓法相結合的堆場膨脹土改良處理方案效果良好。