新型固化法處理疏浚淤泥土的試驗研究

魏雁冰，陳對航

(1.安徽省水利水電勘測設計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.安徽宏志建設工程有限 責任公司，安徽 合肥 230041)

0 引言

中小河流疏浚和清淤工程是河道綜合治理的主要工程措施之一。帶水作業疏浚時多采用絞吸挖泥船對河道進行疏挖，并通過預先鋪設的管道將疏浚淤泥土輸送至規劃排泥場進行堆置固結。疏浚淤泥在排泥場堆置放一段時間后，經自重排水固結后，土體形成了一定的承載力，但是其仍然表現為高壓縮性、高含水率、高孔隙比、低滲透性和低強度等工程特性。針對其這些特性，采用引進芬蘭最新研制的固化設備對排泥場進行固化處理，提出了一種固化處理排泥場的新方法。通過室內固化劑的試配確定了較為經濟適用的固化劑配比，并利用新型固化設備開展了現場試驗研究，現場試驗過程中采用自動化控制系統實現固化劑的精確配比，固化劑由連接管通過ALLU攪拌頭輸送至淤泥土中，整個過程中基本無粉塵污染，加固后經檢測地基承載力得到顯著增強，此方法在類似排泥場的就地加固方面具有較強的推廣價值。

1 排泥場概況

某城市河流在河道綜合治理施工中，使用絞吸船清淤疏浚并將泥土由管道輸送至規劃排泥場。河道治理工程結束后，排泥場中淤泥深度約為1.50～3.00 m不等，占用大面積土地。政府規劃部門擬對排泥場土地進行利用開發，因此需對排泥場地基進行加固處理。

1.1 疏浚淤泥土基本特性研究

選定城市規劃中擬做為地面停車場的現狀排泥場做為現場試驗區，試驗區面積約0.10 hm2(即1 000 m2)。試驗前對試驗區進行現場查勘，經淺層開挖后發現場地地下水位約為地面以下0.50 m，下部淤泥沉積土呈灰黑色。其淤泥深度約為1.50～3.00 m，雖然淤泥土已晾曬并自重固結約1 a時間，但排泥場表層僅形成厚度約10 cm的薄狀硬殼層，無法滿足基建施工時人員和機械的承載力要求。通過取樣并做室內試驗，發現其天然含水率為71.20%、大于其液限。通過顆粒分析試驗發現場地內淤泥土主要由細粒土組成，其中粒徑<5.00×10-3mm的粘粒含量約為26.50%，所有粒組的粒徑<7.50×10-2mm的粘粒含量約為87.40%，淤泥土基本物理指標如表1所示。同時在試驗區開展了現場十字板剪切試驗，發現淤泥土全深度范圍內不排水剪強度均<4 kPa，強度極低。

表1 處理前淤泥土物理性質指標表

1.2 室內固化劑配合比試驗

固化劑的主要成分通常為石灰、粉煤灰及水泥等材料。本次試驗選擇最為常見且適用的粉煤灰及水泥兩種材料做為固化材料。固化劑由不同固化材料或不同摻量進行室內配比，使用分別調配后的不同固化劑對淤泥土進行固化，固化土經養護14 d后，測定其無側限抗壓強度，以研究不同固化劑材料及其配比對與固化土強度的相互關系。無側限抗壓強度試驗所用試驗土樣的壓實度均已達到其最大壓實度，各固化材料的摻量百分比均根據濕土總重量計算。

首先選擇以水泥一種材料做為固化劑，分析其不同摻量時對固化土強度的影響。試驗結果表明固化土強度隨著水泥摻量的增加而增長，即隨著水泥摻量的增加，固化土強度越高且增長趨勢越明顯，固化土強度隨著水泥摻量的變化規律如圖1所示。同時考慮到固化劑的經濟實用性，選用在4%水泥摻量時，通過摻加不同含量的粉煤灰，進一步研究固定劑量的水泥和不同摻量的粉煤灰組成的固化劑對固化土強度的影響，以確定既經濟又實用的固化劑配合比。根據圖2的試驗結果可知，4%水泥摻量時隨著粉煤灰摻量的增加，固化土的強度先提高而后降低，即4%粉煤灰摻量時固化土強度達到最高。因此4%水泥摻量和4%粉煤灰摻量為最優的固化劑配比。

圖1 固化土強度隨著水泥摻量的變化規律圖

圖2 4%水泥量時固化土強度隨粉煤灰摻量變化規律圖

2 現場試驗研究

2.1 試驗場地劃分

試驗區面積共計約0.10 hm2(即1 000 m2)，呈長方形，根據加固處理深度的不同，將試驗區分為淺處理區與深處理區兩部分。設定淺處理區與深處理區兩地塊的設計承載力分別為50 kPa和80 kPa，選擇室內試驗時最優的固化材料配比做為固化劑，即粉煤灰和水泥兩個固化材料的摻入量均為4%。試驗區的相關概況參數及承載力要求如表2所示。

表2 設計資料表

2.2 實施過程

首先應盡可能地清除排泥場內生長的蘆葦等雜草。然后依據設計采用白灰劃線，將試驗場地劃分成尺寸為2.50 m×5.00 m大小的若干矩形小網格，以方便后期設備的打點攪拌施工及處理效果的對比?，F場試驗選用芬蘭ALLU公司的新型設備對試驗場區進行施工處理。如圖3所示，水泥及粉煤灰兩種固化材料分別儲存在不同的罐體內，將發電設備及固化材料供給系統等進行組裝。同時由工程機械設備連接ALLU攪拌頭，通過管道將固化材料供給系統與ALLU攪拌頭連接，做好正式加固處理前的準備工作。

圖3 固化材料供給系統及發電設備圖

由人工在固化材料供給系統面板上輸入固化劑配比及劑量，待各工序準備完畢后正式開始施工，施工具體步驟為：單點打設噴粉→小塊攪拌混合→機械預壓整平。各施工工序進行時的具體效果如圖4～6所示，以劃分的矩形小網格為單元，各小網格依次施工，具體工序為ALLU攪拌頭先在每個矩形小網格內打設十個點，插入打設過程中同步噴粉，使得設定的固化劑均勻的噴射到不同深度的淤泥土中；ALLU攪拌頭能夠實現噴粉與攪拌同步進行，可以使淤泥土與固化材料進行充分拌合均勻。整個試驗區固化施工完畢后，待處理場地有一定承載力后，可利用小型機械對試驗區進行碾壓整平。施工結束后場地表面鋪設塑料薄膜進行養護，同時在試驗區周邊開挖排水溝等輔助設施。

圖4 單點打設噴粉圖

圖5 小塊攪拌混合圖

圖6 機械預壓整平圖

3 加固效果檢測

實際工程中常采用原位試驗及室內試驗相結合的方式對地基承載力進行檢測，試驗區施工結束并養護28 d后，通過原位十字板試驗、平板載荷試驗等原位檢測方法對排泥場的地基處理效果進行了檢驗，并采用鉆機取土樣開展室內土工試驗，進一步了解固化土體的相關物理力學特性。

3.1 十字板剪切試驗

分別在深處理區和淺處理區進行十字板試驗，結果表明固化加固后淺處理區加固深度范圍內固化淤泥土的十字板剪切強度達到了150 kPa以上，深處理區處理深度范圍內固化淤泥土的十字板剪切強度達到了260 kPa以上，而固化前檢測全深度范圍內淤泥土的十字板剪切強度均<4 kPa，因此十字板剪切強度增長明顯，試驗區地基承載力均明顯提高，且相比淺處理區而言深處理區的加固效果更優。

3.2 平板載荷試驗

分別在淺處理區和深處理區選擇一處較為有代表性的場地進行平板載荷試驗，剛開始采用的載荷板是邊長為1 m正方形鋼板，但受制于試驗設備的反重只有24 t的限制，載荷試驗無法做到破壞值，即此時的地基承載力特征值>120 kPa。為更加準確地揭示處理后的地基承載力，再次選用邊長為0.50 m的正方形鋼板做為載荷板進行試驗，試驗結束后整理相關數據，按照《巖土工程勘察規范》(2009年版)，確定各分區的地基承載力特征值分別是淺處理區為240 kPa、深處理區為280 kPa。同樣是深處理區的固化加固效果更優。處理后的基地承載力均大于原設計要求，因此建議以后類似工程中可以采取固化劑減量或者部分深度處理甚至是表層處理的方法，以在滿足工程質量要求的前提下進一步降低成本。

3.3 室內土工試驗

為進一步確定固化土的相關物理特性，在深處理區和淺處理區分別取土樣開展相關室內土工試驗研究。取樣深度及相關室內試驗成果的情況如表3所示。

表3 處理后淤泥土物理力學性質指標表

由表3揭示的試驗結果可知，在深度為1.20 m同一深度處，各分區的含水量均降低至約40%，無側限抗壓強度均達到約290 kPa。以上數據表明固化加固效果極好，且在同一深度處淺處理區與深處理區的相關物理力學參數接近。

綜合原位測試及室內試驗成果發現：使用ALLU新型固化設備加固軟基能夠顯著地提高其地基承載力。該方法是解決目前城市建設中排泥場占地問題的有效途徑。

4 結論及建議

①對河道疏浚排泥場中的淤泥土基本物理特性進行了試驗研究，提出采用固化法就地加固排泥場地基的新方法。②通過室內固化劑配比試驗，選擇針對淤泥土加固既經濟又實用的固化劑配比。并運用引進芬蘭ALLU公司的新型固化設備，開展了現場試驗研究。③對固化效果進行檢測，結果表明處理后排泥場的地基承載力提高顯著，且深處理區優于淺處理區，土體含水量也由約70%降低至約40%。鑒于固化后淺處理區的地基承載力都提高至了240 kPa以上，在后續類似工程應用中可結合工程實際進一步優化固化劑配比及摻量，從而達到降低工程成本的目的。