淤泥質軟土地基固化處理技術

陳 浩

(中鐵建設集團有限公司,北京 100043)

0 引言

隨著近些年建筑行業的不斷發展,優質的地基資源被逐漸利用,規劃區域建筑用地大幅縮減,使用單位不得不向環境條件惡劣的區域開發發展。而環渤海地帶城市建設區域遍布著大范圍的淤泥質軟土地基,也分布著大量的坑塘和沿海等地質條件差的淤泥質地基[1],具有流塑性強、含水量高、孔隙比大、強度低、滲透性小等不良特性,如何保障施工質量及安全的情況下提升施工效率,給工程施工帶來了極大困難。為避免原地基淤泥土的置換丟棄,達到資源循環利用,保護環境的目的,也是建筑行業需要深究探索的問題[2]。隨著建筑施工技術的不斷提升,經濟合理的處置淤泥地基,實現淤泥資源化再利用,達到降低施工難度,提高施工效率、確保施工質量,土壤固化劑在軟土地基處理中應用普遍[3],可以有效改善軟土地基性能,技術指標優越,并且可以節約工程成本。本文以環渤海區域某工程為實例,針對淤泥質土地基處理提供技術處理措施。

1 淤泥質土地基施工現狀

原地貌大部分為積水淤泥池塘,基礎地質層主要為河床漫灘沉積層、湖沼坑底沉積層,土質為淤泥質粉質黏土,其結構疏松,含水率較高。經過試驗室得出的數據分析,淤泥土顏色為灰褐色,略帶刺激性氣味,且細顆粒成分居多,天然含水率(質量分數)在40%～70%之間,在積水處含水率(質量分數)大于70%,孔隙比大于1.0,當淤泥含水率(質量分數)為46%時,其淤泥實測密度為1 738 kg/m3。現場勘察地基承載力較差,承載力特征值僅有50 kPa,土體強度低且增長緩慢,受壓后土體易變形且壓縮性大,再次達到穩定狀態所需時間較長,體現為易變形、強度低,觸之即變。淤泥質黏土微透水,滲透系數推薦值0.005 m/d。池塘內淤泥質黏土達到15 m深度。圖1為池塘積水抽干后的原地貌地基土質情況實景圖,圖2為池塘東側施工現場臨設階段土方回填過程,回填土擠壓到池塘淤泥質黏土后形成的流動面廣的實景圖,經測量,淤泥向西流動約150 m以上。

2 地基處理基本假設與方案設想分析

2.1 真空預壓方案

真空排水預壓法通過鋪設水平排水砂墊層,在軟基中設置豎向排水設施,采用不透氣的薄膜封閉地基處理區域,借助于預埋打入土體的排水管道,通過抽真空裝置,使地基土形成負壓,將孔隙水抽出,增加有效應力,使土體產生固結,減少后期沉降,提高地基承載能力的要求。計算公式為“預壓時間=系統體積/泵的抽取速度”,根據滲透系數推薦值得出泵的抽取速度為5.8×10-8m/s,此方法造價高,施工周期長,不建議采用此方案。

2.2 排水+強夯法

強夯法對于飽和度較高的黏性土,處理效果不是十分顯著,尤其是淤泥和淤泥質土地基,處理效果更差。本場區淤泥質黏土、淤泥質粉質黏土及淤泥層為軟土層,軟土具天然含水率高、孔隙比大、壓縮性高、承載能力低,工程性質差等特點[4],因此對于本場區地基處理時應謹慎選用。采用強夯法處理軟土地基,其加固效果決定于地基土的滲透性,所以必須創造排水通道。因此在強夯時,為了取得更好的效果,根據軟土的物理力學性質,可以采用綜合加固方法進行,但是此種方法費用較高,對路基、場坪等大面積填土不宜采用。

2.3 換填擠淤處理

采取換填擠淤處理,對淤泥層進行擠淤換填處理,以滿足后續大型機械設備的施工條件。根據實際情況,采用明排抽水,機械挖掘,磚渣擠淤等方式結合進行淤泥挖出,在場地選定拋入點,用自卸汽車進行卸料,方式采用填海式,即從一段拋入,逐漸向另一端拋填,最終完成擠淤。

土體回填應由下而上分層鋪填,每層虛鋪厚度不宜大于30 cm。大坡度堆填土,不得居高臨下,不分層次,一次堆填。

根據本工程淤泥質黏土性質,含水量大,飽和,流塑狀態,基坑深度等因素,壓實程度難以很好地控制[5],綜合考慮后此方法不適用于本地質條件。

2.4 物理脫水法

物理脫水固化指通過晾曬蒸發掉淤泥中多余的自由水,降低淤泥的含水率,改良土體的力學性質,待含水率符合最優含水率時再將其回填碾壓密實。其優點是換填費用較低,缺點是晾曬場地較大,需要的時間較長,適用于工期長、少雨且工作場地較大的工程。由于本池塘的高靈敏淤泥質黏土體量大,翻曬需要較長的時間,采用CaO進行脫水處理,經濟性不是最合理的方法,故本方案不適用此次地基處理。

2.5 淤泥固化方案

土壤固化法適用于處理大面積填土地基,施工效率較高[6]。由于池塘底部存在一定量的淤泥或者飽和黏性土,為了方便設備進場施工,在坑底內流塑狀態的淤泥質粉質黏土區域撒入固化劑,后素土回填并分層碾壓密實。該種方法可在原位對淤泥等工程性質較差的土體進行固化改良,形成硬殼層和板體,方便后續分層碾壓回填施工,且便于后續預制管樁的施工。

3 淤泥質土地基設計要求

根據以上的方案比選,綜合考慮,擬建場地采用灌入固化物+素土回填分層碾壓法對場地的淤泥進行技術處理,將池塘淤泥區域上表面固化,形成硬殼層,確保固化深度及范圍內承載力滿足設計要求。

設計圖紙要求固化深度為1 m,固化后7 d無側限抗壓強度不小于0.4 MPa,地基承載力不小于120 kPa(根據規范要求,巖石地基承載力特征值的計算要考慮折減系數,選取完整巖體折減系數取值為0.5),根據施工進度情況,選擇3 d無側限抗壓強度試驗實測值,確定固化劑摻入量配合比,試驗室強度要達到0.4 MPa即可,再根據現場試驗段4×10 m和試驗室試驗結果,確定地基固化寬度、深度及配合比方案,最后在現場實施200 m試驗段,經承載力實驗數據符合要求后,可大面積實施。

擬采用配合比試驗+現場試驗對經濟合理性和質量安全性進行比較,選擇合理的固化措施。現場在正式施工前需進行試驗段施工,根據試驗段結果確定最終固化深度、固化劑類型、固化劑摻量、固化劑水灰比。

4 淤泥固化方法

軟土固化劑有很多種類,從形態特征上分類,可分為液體和粉狀固化劑兩種;從固化的作用機理上分類,又可分為化合物類、生物酶類、復合型固化劑等。無機化合物類中的水泥基固化劑,其原理是將固化劑按一定比例通過機械攪拌與淤泥混合均勻,使水泥等膠凝材料與淤泥中的多余的自由水發生水化反應、水解反應,生成水化硅酸鈣Ca5Si6O16(OH)·4H2O、水化鋁酸鈣CaO·Al2O3·10H2O等膠凝體,使淤泥含水率降低并產生黏結作用形成一定強度的土體。同時,固化劑在水化反應過程中,還會產生水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣晶體、水化鋁酸鈣晶體、水化硫鋁酸鈣針狀晶體等多種物質,這些物質都能很好的填充土體空隙,與其他水化產物一起形成蜂窩狀空間結構,同時阻斷了土體的泌水通道,最終形成一個由水化凝膠和晶體為主的略有空隙的整體膠合結構骨架,降低了淤泥土的含水率,新生成的土體具有良好的承載力、水穩定性及防滲透性[7]。其優點是操作簡單,凝結硬化速度較快,可以縮短回填的工期,減少施工成本,施工工藝易于操作。

5 試驗方案

首先將取回的淤泥混合均勻測定其天然含水率、密度,然后稱取一定量的淤泥,根據試驗配合比進行試驗。本次試驗的固化劑有兩種,分別為早強型和普通型,每種固化劑摻入量為5%,9%,12%,15%四種比例,然后按照相同的試驗方法進行適配和養護,再按照不同齡期分別進行抗壓強度試驗,探究固化后淤泥質土的強度增長規律。

5.1 試驗材料

淤泥土試樣取自淤泥坑塘周邊,取樣方式為多點取樣,樣品帶回試驗室后經過攪拌充分混合均勻,依據GB/T 50123—2019土工試驗方法標準的試驗方法測得淤泥土的基本物理指標,檢測結果見表1。

表1 淤泥質土的基本物理指標

本次試驗采用的淤泥固化劑為同廠家同批次生產的同型號產品,早強型產品推薦摻量為9%,普通型產品推薦摻量為15%,產品顏色呈灰黑色,粉狀,無毒且無腐蝕性,而且沒有污染,是一種環保型水泥基固化劑。

5.2 試驗方法

因固化后新生成的土體的抗壓強度較高,不宜采用土工無側限抗壓強度試驗方法,所以選用JGJ/T 70—2009建筑砂漿基本性能試驗方法標準作為試驗依據,試件型號為70 mm×70 mm×70 mm的立方體試件,每組3個抗壓強度試件。

5.3 試件成型

在試驗室制備試件前,所用固化劑和淤泥提前24 h運入試驗室內,進行溫度調節。稱量時,固化劑、淤泥的稱量精度控制在±0.5%以內;拌合時,試驗室的溫度應保持在(20±5) ℃,采用單臥軸砂漿攪拌機進行拌合,攪拌時間統一設置為120 s;成型時,由于摻入固化劑的淤泥土較為黏稠,為確保試件密實,采用人工插搗加機械振動相結合的成型工藝,分三層裝模,每層用搗棒均勻地由邊緣向中心按螺旋方法進行插搗25次,并用手將試模一邊抬高5 mm～10 mm各振動5次,然后將試模放置到振動臺上,振動(20～30)s。成型完成后在試驗室靜置48 h后進行脫模,見圖3,圖4,拆模后將試件放入標準養護室進行養護,養護過程中不得用水直接噴淋試件,防止低摻量的試件吸水變形。

5.4 試驗結果

待養護時間達到規定齡期后,通過抗壓強度試驗,統計不同種類同摻入量和同種類不同摻入量的固化淤泥土的抗壓強度性能指標,見表2。試件試壓見圖5,圖6。

表2 固化劑抗壓強度數據統計表

本次試驗同時對淤泥質黏土內摻加不同比例水泥抗壓強度試驗,統計抗壓強度性能指標,如表3所示。

表3 水泥作為固化劑的抗壓強度數據統計表

通過對試驗數據的分析,我們發現改良淤泥的同齡期的抗壓強度與固化劑的摻入量成正比,同摻入量的抗壓強度與齡期成正比。考慮到施工現場淤泥含水率的變化和施工水平,抗壓強度按照0.5折算系數計算,在遇到同類型的地質條件,根據工期、經濟性、固化強度選擇合理的固化劑摻入比得出的試驗室抗壓強度數據,需再乘以0.5算出的數據應用于現場。

5.5 試驗結論

通過試驗數據分析可以得出,固化劑加入后產生的水化物改變了土體顆粒的組成,淤泥結構得以重組,淤泥土的物理、力學性能指標得到明顯改善,淤泥土體變為堅硬狀態,固化后的淤泥土體具有含水率低、抗壓強度高、抗壓縮變形能力強等特性,其承載力滿足本次設計地基承載力120 kPa的要求。

6 試驗段施工

本次選擇固化劑為P.O42.5水泥,選取4個5 m×6 m的淤泥區域進行施工現場試驗,結合現場情況及前期試驗適配結果,固化類型選用水泥摻量分別按照9%和10%,原位固化深度分別為1 m和1.5 m的工況進行現場試驗。獲得無側限抗壓試驗[8-12]和靜載試驗結果,如表4,表5所示。

表5 地基承載力檢測統計表

綜上,經過現場工藝性試驗的檢測結果[13-17],結合設計方意見,形成最終的淺層固化技術參數見表6,后續施工中將以此技術參數反饋設計單位,形成正式設計文件指導現場施工作業。

表6 水泥固化劑施工工藝選擇

固化劑采用現場集中拌和,由后臺供料系統通過噴漿管輸送至噴嘴,采用固化劑自動定量供料系統設置固化劑噴料速率[18]。原位固化利用挖機液壓驅動,采用專業型立體強力攪拌頭,四攪二噴三維攪拌,確保攪拌均勻。試驗段固化見圖7。

7 結語

淤泥固化原理是將淤泥質黏土進行原位改良,使得固化深度范圍內的淤泥質黏土形成承托層,增加其地基承載力,滿足該工程后續機械進場施工[19]。考慮在淤泥地基上建設工程,擬建建筑物附近應加深加寬固化范圍,如固化后的淤泥地基首先要分層回填土,需要提前埋設壓力計,監測淤泥的土壓力,避免擬在此區域的建筑物工程樁或地基處理樁施打過程中,出現泥漿突涌現象。針對于深厚高靈敏度淤泥土地基處理,淤泥固化施工技術相對于清淤換填,大幅提升了淤泥土體的強度,可以降低施工成本,提高工程綜合效益,減少環境污染,縮短施工工期[20]。建議非深厚淤泥地基根據質量要求,應首先選擇換填,避免未固化淤泥對地上建筑物、場地的持續性影響。