水泥固化劑改善吹填超軟土滲透特性研究

張華

（同濟大學，上海 200092）

隨著城市化進程的不斷推進，土地資源短缺成為限制經濟發展的一大難題，為此，大量的吹填工程應運而生[1-2]。為便于滿足現場管道運輸，吹填土大多為超軟土（指淤泥性土中的流泥（85%＜ω＜150%）和浮泥（ω＞150%）），該土體雖有利于吹填作業，但是自身工程性質不良，表現為壓縮性高、含水率高、承載力低、滲透性差[3-4]。現場處置方法多為真空預壓處理，但是由于超軟土顆粒較細、滲透性能差等原因，在真空預壓過程中，往往會在豎向排水板周圍形成致密的“土柱”，造成排水板淤堵，影響周圍土體繼續排水固結，導致最終的處理效果達不到預期設計目標[5]。針對這一問題，國內外眾多學者采取不同方法處理，例如電滲—真空預壓[6]、交替式真空預壓[7]、防淤堵排水板[8]、絮凝—真空預壓[9]等方法，從現場施工工藝、施工材料、土體性質等多方面出發。其中較為顯著的就是絮凝—真空預壓，通過改善土體性質，從而從根本上解決淤堵問題[10]。

絮凝—真空預壓就是通過往土體中加入外加劑，例如石灰、氫氧化鈣、聚丙烯酰胺等[11-12]，使細小的土體顆粒在水解、水化、離子交換等復雜反應下絮凝成團，形成大顆粒，從而達到增加土體大孔隙，構建穩定土體骨架結構，提高滲透性能，預防淤堵的目的。

常用的絮凝劑多為石灰和高分子聚合物，而工程應用最廣泛的水泥作為絮凝劑研究較少，前人多研究水泥作為固化劑，較低土體的滲透性能[13]，通常水泥摻量都大于10%，因為所研究主題大多為傳統軟土水泥攪拌樁的抗滲特性，而不是超軟土排水固結的滲透特性。本文在前人研究的基礎上，開展不同水泥摻量對超軟土的滲透特性研究。

1 水泥摻量對超軟土的泌水特性研究

根據斯托克斯沉降定律，土顆粒的沉降速度與粒徑成正比，而吹填超軟土的粒徑通常小于0.1mm，研究超軟土的泌水特性，能夠有效反應不同水泥摻量對超軟土的絮凝效果。

試驗所用土體為上海第四層軟土，液限為40.2。通過自然風干、粉碎，過0.01mm 篩，然后根據目標含水率120.6%（3 倍液限），配置試驗所需超軟土。泌水試驗所用量筒容積為1000mL，水泥摻量（水泥重量與土樣干重比值）分別為0%、0.5%、1%、2%、5%，每24h 讀數一次，記錄泌水高度。

圖1 水泥摻量條件下超軟土的泌水曲線

通過圖1 可知，隨著超軟土水泥摻量越高，泌水穩定速率越快。其中，5%水泥第一天就泌水完畢，從配置過程成也能發現，隨著5%水泥加入，攪拌時越來越黏稠，只有最開始有2mm 泌水，泌水3d 針刺表面不愈合，說明已基本達到固化狀態。除此之外，2%和1%水泥摻量在7d 時基本泌水穩定，1%水泥摻量泌水效果最為顯著，初期快速泌水，隨后在5d 左右趨于穩定。而0.5%和0%水泥摻量的泌水緩慢，0%水泥摻量在21d 時還未完全穩定，但是其泌水高度最高。綜上所述，從泌水試驗可以看出1%和2%水泥摻量超軟土泌水效果表現較好。

2 水泥摻量對超軟土的固結特性研究

傳統固結試驗的環刀只有20mm 高，雷華陽等[14]研究過尺寸效應，為更好通過室內試驗反應現場施工情況，本文將環刀尺寸改為100mm 高。試驗土樣為泌水結束后量筒內同一高度的土樣，分7 級加載，初始荷載6.5kPa，最高荷載400kPa。通過一維固結理論反算滲透系數。

圖2 不同水泥摻量超軟土固結系數曲線

圖3 不同水泥摻量超軟土滲透系數曲線

通過圖2 和圖3 可知隨著水泥摻量增加，超軟土的固結系數和滲透系數越高。因為荷載在100kPa 以下時，5%水泥摻量的超軟土基本無固結沉降，所以沒有數據，雖然其后期的固結系數與滲透系數較好，但是真空預壓的真空度不會超過100kPa，因此與預期目標不符。綜上所述，2%水泥摻量效果最好。

3 結論與展望

本文通過開展不同水泥摻量條件下，超軟土的泌水和固結試驗，研究水泥作為絮凝劑，通過半固化超軟土，從而改善超軟土滲透性，達到預防淤堵的效果。結論如下：

原狀超軟土泌水緩慢，添加1%水泥能有效改善超軟土的泌水特性，初期泌水速率快，并且能在7d 內穩定。水泥摻量達到5%的時候，土體基本無泌水，已達到固化狀態。

2%水泥摻量超軟土的固結特性最佳，低荷載狀態下滲透系數比原狀土高2 個數量級，并且在400kPa 狀態下，仍然具有很好的滲透性能，完全能滿足真空預壓100kPa 的需求。

綜合工程需求和經濟效益，現場施工水泥摻量可在1%～2%范圍內選擇。

本文只是基于室內單元試驗，后續可開展室內模型試驗，從而能更好地反映現場的實際情況。