輕質淤泥固化土技術在圍墾區市政道路中的應用

0 引言

我國沿海圍墾吹填區的道路，傳統的做法是在真空或堆載預壓處理后，再采用宕渣或山皮土等材料進行路床填筑，形成一層硬殼層，然后再進行路面結構的施工。隨著現代社會對環境保護的越來越重視，淤泥的廢棄場地難以落實，需開挖山體而取得的土石混合料也越來越緊缺，若仍采用傳統的路基處理方式，顯得既不經濟也不環保。同時宕渣或山皮土等材料由于自身密度大，對地基承載力要求較高，作為路床處理材料填筑后會產生較大的自重荷載，后期的工后沉降大，因此對地基處理的要求較高。淤泥土的輕質固化技術是利用固化劑對游泥等軟弱土體就地進行改良固化，使土體達到一定強度以滿足地基強度穩定性等工程技術要求，同時通過發泡工藝實現土體的輕質化，從而降低自重，減小道路的附加荷載，從而達到減少道路工后沉降的目的，對于圍墾吹填區的道路淺層地基處理尤其適用。

目前國內對于淤泥固化輕質土已進行了大量的理論研究和室內試驗工作，主要成果是以淤泥為原料土，摻加水泥、粉煤灰、石膏、礦渣等作為固化材料，并通過摻加EPS顆粒，實現淤泥的固化和輕質化。但由于吹填土主要為淤泥和淤泥質粘土，而EPS顆粒為輕質憎水性材料，容重很小，與吹填淤泥親合力小，界面粘結力弱，所以在攪拌過程中很容易造成EPS顆粒上浮，從而使土體出現明顯的分層或離析，嚴重影響其和易性和施工性能。

溫州圍墾區市政道路項目試驗段路床處理采用輕質淤泥固化土技術，其主要機理是通過往淤泥中加入特定固化劑，與泥漿攪拌共融產生水化、交換、吸附、活化反應，再與發泡劑溶液一起混合發泡，經物理化學作用，泥狀物中的水、土顆粒充分凝結硬化進而形成穩定、密實的結構硬化形成輕質淤泥固化土，經該技術處理后的淤泥固化土孔隙比減小，含水率降低，壓縮性減小，其強度和穩定性較之淤泥有極大幅度的提高。

本文以該項目為依托，結合輕質淤泥固化土的實驗及檢測成果，統計分析處理前后土體特性、參數的變化規律及對工程的適用性，為理論研究提供參考資料，也為以后類似工程的地基處理提供參考依據。

1 輕質淤泥固化土作用機理

1.1 淤泥固化機理

根據固化劑的成分構成和固化原理，常用的固化劑大致可以分為四大類，分別為無機類固化劑、有機類固化劑、離子類固化劑和生物酶類固化劑。目前，工程上最常用的是水泥、石灰、粉煤灰等無機類固化劑，經固化改良后的土壤用作路基填料，具有較好的力學性能、水穩性能、耐腐蝕性和抗滲性能，且其造價低廉。但其對于高含水量的淤泥處理效果不甚理想，土體強度較低，且一般需加大固化用量，因此帶來較高的經濟成本。

本次采用新型無機復合型固化劑，主要成分以水泥、石灰、礦渣、石膏為主，配以一定比例的氧化鋁和鈉鹽活性激發劑制成，其具有類似水泥的凝結硬化作用，使淤泥中的水、土顆粒、固化劑充分凝結硬化形成穩定、密實的結構，可有效克服淤泥、淤泥質粘土的高含水率，顯著提高其強度、抗滲性能和水穩定性。固化劑與淤泥土顆粒充分攪拌溶合，在經過水化、火山灰反應、置換水反應、離子交換作用、土顆粒吸附作用、固化劑與土顆粒間的活性反應后固化劑與水、土顆粒充分凝結硬化進而形成穩定、密實的結構。

1.2 淤泥土輕質化

為了實現固化淤泥土的輕質化，需要在固化土中摻入發泡劑，使土體內部產生大量的均勻分布的氣泡，以降低土的容重，同時保證其具有一定的強度，因此發泡劑在很大程度上決定了淤泥固化輕質土的性能。本次研究選用合成類十二烷基苯磺酸鈉陰離子表面活性劑作為發泡劑，其發泡倍率≥30。為了保證發泡劑與泥漿充分攪拌均勻所需要的時間以及施工期間固化劑凝結硬化時泥漿時不消泡，采用尼納爾和動物膠作為穩泡劑，它通過增大黏度、增強泡沫膜壁的韌性來增強泡沫的穩定性，與一般發泡劑30分鐘標準泡沫泌水率20%~25%相比，它具有更長的穩泡時間，消泡時間可延長8~10倍。

2 工程項目應用

2.1 項目概況

項目區位于溫州市經濟技術開發區內，甌江與飛云江之間的灘涂。項目區地貌屬海積平原，現狀場地均為淺灘吹填，軟土分布厚度約30m，各軟土分層厚度及主要參數指標見表1。

表1 巖土分層及其參數

道路軟基處理首先采用塑料排水板+真空堆載聯合預壓進行深層處理，一般路段路床采用宕渣進行回填，厚度0.8～1.5m。一般路段工后沉降≤30cm，路床頂面回彈模量≥30MPa，設計彎沉≤310（1/100mm）。

為了對輕質淤泥固化土的參數及路用性能進行研究，本次選取次干路二（K0+200～K0+400）作為試驗段，實驗段采用輕質淤泥固化土代替宕渣進行填筑，路基處理圖見圖1。

圖1 輕質淤泥固化路基處理圖

2.2 輕質淤泥固化土處理方案

2.2.1 輕質淤泥固化土的制備

本次試驗段輕質固化土中的淤泥取自于現狀地表吹填土，屬于高液限粘性土。固化劑和發泡劑分別選用上文新型無機復合型固化劑和十二烷基苯磺酸鈉陰離子表面活性劑。

其施工流程如下：首先根據實驗配合比，往淤泥中加入固化劑和適當的水分攪拌均勻，形成固化泥漿；然后通過氣泡裝置將稀釋的發泡劑溶液制備為泡沫，將泡沫與制備的泥漿按照一定的比例混合攪拌，形成泥漿混合料；再通過泵送裝置，將泥漿混合料攤鋪至相應的位置，經物理化學作用硬化形成輕質淤泥固化土；最后經過灑水、養生≥7d后，進行路床檢測，合格后再進行后續結構層的施工。

2.2.2 室內配合比試驗

在本工程中，輕質淤泥固化土主要作為路床填料用于路基的淺層處理，無側限抗壓強度和密度是主要控制指標，用作路床的填料無側限抗壓強度一般需達到0.4MPa～0.6MPa，較輕的填料可以降低自重，減小道路的附加荷載，從而達到減少道路工后沉降的目的。受篇幅所限，本文僅研究固化劑摻量、固化土密度、養護齡期對輕質淤泥固化土的無側限抗壓強度的影響，通過不同的配合比實驗，確定合適的固化劑、發泡劑摻入比，以應用于項目中。

以往研究表明，固化劑摻量是影響輕質淤泥固化土強度的關鍵因素之一，當固化劑摻量在10%～20%之間時，輕質固化土的無側限抗壓強度可達0.2MPa～1.2MPa。本次按照按不同摻量的固化劑和泡沫溶液制備固化淤泥輕質土試件，固化劑的摻量采用75kg～175kg，密度600kg/m～800kg/m，標準養生后進行無側限抗壓強度試驗。

通過圖2可知：輕質淤泥固化土的密度主要與發泡劑的摻量有關，固化劑摻量一定時，其密度隨著發泡劑摻量的增加而減小；固化劑的摻量對固化土的密度影響相對較小，發泡劑摻量一定時，固化土的密度隨著固化劑摻量的增加而增加。

圖2 輕質淤泥固化土密度與固化劑、發泡劑摻量的關系曲線

通過圖3可知：固化劑和發泡劑的摻量（固化土的密度）對輕質淤泥固化土的無側限抗壓強度影響較大，當固化劑摻量在100kg～200kg之間時，28d無側限抗壓強度在0.19MPa～1.16MPa之間，隨著固化劑摻量的增加，固化土的抗壓強度逐漸增大，基本呈線性關系；固化劑摻量相同時，固化土的抗壓強度隨著發泡劑摻量的增加（固化土密度的減小）而減小。

圖3 輕質淤泥固化土無側限抗壓強度與固化劑、發泡劑摻量的關系曲線

通過圖4可知：固化劑摻量（150kg/m）固定時，不同發泡劑摻量（不同密度）的固化土的無側限抗壓強度均隨著齡期的延長而增加，前期無側限抗壓強度增長較快，28d無側限抗壓強度可達到90d無側限抗壓強度的85%～90%；28d后強度雖有提高，但逐漸趨于平緩，90d時強度已基本不再增長。

圖4 不同摻量輕質淤泥固化土無側限抗壓強度與齡期的關系曲線

結合室內實驗結果，綜合考慮造價因素，設計輕質淤泥固化土的固化劑摻量采用150kg/m，發泡劑摻量采用1.20L/m。

2.2.3 現場檢驗

為了對路床處理的效果進行分析，本次通過彎沉及無側限抗壓強度來評定路床處理效果是否滿足預期要求。

彎沉檢測檢測結果如下：最大彎沉值147.3（1/100mm），最小彎沉值115.4（1/100mm），代表彎沉值137.6（1/100mm），均遠小于設計彎沉310（1/100mm）的要求。

無側限抗壓強度檢測結果如下：芯樣最大密度784kg/m，最小密度755kg/m，平均密度769kg/m；無側限抗壓強度最小值0.62MPa，最大值0.73MPa，平均值0.66MPa，較室內試件無側限抗壓強度低約15%，但已達到公路底基層0.6MPa的強度要求。

3 路基處理方案對比分析

本項目一般路段路床采用常規工藝宕渣進行填筑，實驗段采用輕質淤泥固化土填筑，路床平均處理厚度1.2m。本次從路床頂面彎沉、工后沉降、工程造價及施工工藝等幾個方面進行對比分析，結果見表2。

表2 路基處理方案對比表

通過對比分析可知：與宕渣相比，輕質淤泥固化土具有更好的板體性，更能適應軟土路基的不均勻沉降；不考慮廢棄淤泥的外運處理情況下，兩者造價基本相當，如考慮廢棄淤泥的外運處理費用，輕質淤泥固化土方案具有明顯的優越性；輕質淤泥固化土的施工工藝相對較復雜，工期較長。

4 結語

①針對圍墾吹填產生的淤泥，通過摻加新型固化劑、發泡劑，使其改良成為高強、輕質、穩定的路用材料——輕質淤泥固化土，土體的各項物理力學指標均得到明顯改善，可有效減少道路工后沉降，提高路基承載力，節約工程投資，滿足道路及配套設施建設要求。②輕質淤泥固化土可充分利用圍墾吹填的淤泥，使廢棄淤泥改良為輕質材料再利用成為可能，本項目僅就其改良作為路床填料進行研究，其具有輕質、高流動性的特點，施工時不需機械碾壓、震搗，在橋頭路基處理、管道管廊回填等領域具有廣泛的應用前景。③隨著不同地區地質條件差異，輕質淤泥固化土的28d齡期無側限抗壓強度不同，建議根據室內平行試驗和現場試驗成果綜合確定合適的固化劑、發泡劑摻量及配比，以保證固化土強度達到設計要求。