路 洋，樂紹林，陳 偉，高文波，李華威

(武漢二航路橋特種工程有限責(zé)任公司，武漢 430071)

近年來，我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展，為了建設(shè)開放的現(xiàn)代綜合運(yùn)輸體系，以港珠澳大橋?yàn)榇淼摹皹?、島、隧”集群工程將更多的列入?yún)^(qū)域發(fā)展規(guī)劃，包括深中通道、大連灣跨海交通工程以及渤海灣大橋等。在“橋、島、隧”連通中，人工島起著海上橋梁和海底隧道轉(zhuǎn)換的重要作用。人工島的建設(shè)通常包括填砂法和吹填淤泥法，填砂法成本高；吹填淤泥法后期地基處理周期長(zhǎng)，且難有效減小差異沉降[1]。近年來，淤泥的固化處理技術(shù)日益發(fā)展，將淤泥與固化材料混合反應(yīng)后能夠明顯降低淤泥的含水率，提高土體強(qiáng)度，而且整體性和均勻性好，能最大化減少地基差異沉降，使得淤泥固化土成為良好的土工材料[2-7]。利用海底隧道開挖的淤泥固化處理填筑人工島，不僅可以避免淤泥外拋對(duì)海洋環(huán)境的影響，也充分利用了自然資源，符合可持續(xù)發(fā)展的理念[8-9]。

朱偉等[10]在深圳鹽田港進(jìn)行了海洋疏浚泥的固化填海現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，采用反轉(zhuǎn)出料式混凝土攪拌機(jī)對(duì)疏浚泥和普通硅酸鹽水泥進(jìn)行攪拌混合，再以傾倒的方式進(jìn)行水下回填，通過現(xiàn)場(chǎng)取樣和靜力觸探測(cè)試對(duì)回填地基的處理效果進(jìn)行了檢驗(yàn)。但是，這種傾倒的處理方式無法滿足海上大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的回填施工。張春雷等[11]自制了較大型的淤泥固化處理設(shè)備，并在無錫五里湖進(jìn)行了清淤底泥的固化筑堤現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)采用雙軸攪拌機(jī)進(jìn)行混合攪拌，并使用了自主研發(fā)的復(fù)合型固化材料，固化處理效率達(dá)到60 m3/h，最后使用挖機(jī)對(duì)堤體進(jìn)行了分層填筑。但是，檢測(cè)結(jié)果也發(fā)現(xiàn)了由于混合效果差而導(dǎo)致填筑堤體性質(zhì)差異大以及干縮產(chǎn)生的裂縫問題。目前，國內(nèi)尚無淤泥固化土遠(yuǎn)距離泵送水下澆筑進(jìn)行填海筑島的研究，本文基于前期室內(nèi)試驗(yàn)的成果，在大連港大窯灣進(jìn)行了疏浚泥固化土泵送澆筑工藝的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)成型地基的效果進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概況

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)位于大連港大窯灣港區(qū)，該場(chǎng)區(qū)為早期疏浚吹填的納泥區(qū)，地基承載力分布不均，介于50～80 kPa不等，圍堰由拋石填筑而成，寬度為25 m，表層鋪有礫石和砂，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)備安裝要求。試驗(yàn)場(chǎng)主要分為4個(gè)區(qū)域，包括臨時(shí)碼頭區(qū)、淤泥存儲(chǔ)區(qū)、設(shè)備區(qū)以及澆筑區(qū)。儲(chǔ)存區(qū)基坑尺寸為55 m×20 m×4 m，澆筑區(qū)4個(gè)澆筑基坑呈L形分布，尺寸均為20 m×20 m×4 m，按坡比1:1放坡開挖。為了保證試驗(yàn)過程中原泥含水率的穩(wěn)定性，儲(chǔ)泥基坑和澆筑基坑的四周以及底部均鋪設(shè)了土工布和防滲膜，澆筑基坑在試驗(yàn)前用潛水泵抽滿海水，澆筑過程中海水隨著固化土的填筑，從預(yù)設(shè)的排水溝排除?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的平面布置圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)平面布置圖Fig.1 Layout plan of the field test

試驗(yàn)用泥取自大連灣甘井子航道某區(qū)域，抓斗船取泥后由駁船運(yùn)至試驗(yàn)場(chǎng)的臨時(shí)碼頭區(qū)，再由長(zhǎng)臂反鏟挖機(jī)卸泥、裝車后傾倒至淤泥儲(chǔ)存區(qū)；淤泥由挖機(jī)給料，稱重計(jì)量后通過皮帶機(jī)輸送至混凝土強(qiáng)制式雙軸攪拌機(jī)，通過管道添加固化材料漿液和海水，完成強(qiáng)制拌和；新拌固化土通過高壓活塞泵和管道輸送至澆筑區(qū)完成水下澆筑。整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成固化土水下澆筑方量4 000 m3，泵送距離超過300 m，系統(tǒng)處理能力達(dá)到100 m3/h?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工藝流程如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of the field test

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)用泥的物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。固化材料選用42.5普通硅酸鹽水泥和一種復(fù)合固化劑。前期室內(nèi)研究成果表明，復(fù)合固化劑的固化效果明顯優(yōu)于42.5普通硅酸鹽水泥，故以兩者作為對(duì)比材料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。該固化劑的組成成分為工業(yè)廢渣65%～75%、偏高嶺土20%～30%、硅酸鉀5%～12%、活化劑0.3%～1%。

表1 試驗(yàn)用泥物理性質(zhì)分析Tab.1 Physical properties of the soil

前期室內(nèi)試驗(yàn)成果表明，固化材料的摻量和固化土的含水率是影響固化土成型強(qiáng)度的主要因素。固化材料的摻量越高，固化土的強(qiáng)度越高，固化土的含水率越高，固化土的強(qiáng)度越低[12-15]。而固化土的含水率又是影響固化土流動(dòng)性能的主要因素，含水率越高，固化土流動(dòng)性越好，泵送性能也越好。為了順利泵送，試驗(yàn)前期進(jìn)行了不同含水率固化土的泵送性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 固化土泵送性能試驗(yàn)Fig.3 Pumping performance test of the solidified soil

從結(jié)果中可看出，固化土泵送性能受其含水率影響較大，含水率越低，活塞泵對(duì)固化土的吸入率越低，泵送壓力也越大，直接導(dǎo)致泵送效率降低。尤其是含水率低于85%后，泵送效率降低明顯。而當(dāng)固化土的含水率高于95%時(shí)，泵送效率達(dá)到100 m3/h，再增加含水率泵送效率增加不明顯，而且施工為了保證強(qiáng)度要求會(huì)增加固化材料的摻量。因此，固化土泵送適宜的含水率為95%。

為保證澆筑后地基承載力要求又便于施工過程中的遠(yuǎn)距離泵送，4個(gè)澆筑基坑使用不同的方法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)水下澆筑。其中1#澆筑基坑采取分層澆筑，沿水深方向?qū)仓臃譃榈讓印⒅袑右约懊鎸?，考慮到承載力的分布規(guī)律，固化劑的摻量從底層到面層依次增加。其他澆筑基坑采用同一摻量整體澆筑。澆筑方法如表2所示。澆筑后的地基進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，分不同齡期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。檢測(cè)內(nèi)容包括開挖取樣試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)以及平板載荷試驗(yàn)。其中，開挖取樣按照不同點(diǎn)位和不同深度進(jìn)行多點(diǎn)取樣，現(xiàn)場(chǎng)取樣后用塑料袋密封帶回實(shí)驗(yàn)室，制樣后測(cè)試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)方法按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123-1999)[16]進(jìn)行，制樣尺寸為Φ39.1 mm×80 mm；靜力觸探試驗(yàn)使用CLD-3型靜力觸探-十字板剪切兩用儀，方法參考《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)[17]。平板載荷使用0.5 m2的方形承壓板，尺寸為70 cm×70 cm，試驗(yàn)方法參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)[18]。

表2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分區(qū)澆筑方法Tab.2 Different filling methods of the field test zone

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用正態(tài)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，并按照《巖土工程勘察規(guī)范》中有關(guān)巖土工程分析評(píng)價(jià)的方法進(jìn)行修正，計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)值。巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值是巖土工程設(shè)計(jì)的基本代表值，是巖土參數(shù)的可靠性估值。對(duì)巖土設(shè)計(jì)參數(shù)的估計(jì)，實(shí)質(zhì)上是對(duì)總體平均值作置信區(qū)間估計(jì)。巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值按下列公式進(jìn)行確定。

(1)

Φk=γs×Φm

(2)

式中：n為樣本數(shù)量；δ為變異系數(shù)；γs為統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)；Φk為巖土參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值；Φm為巖土參數(shù)平均值。

表3 28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of 28 d unconfined compressible strength

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，澆筑固化土采用開挖取樣，每個(gè)點(diǎn)位均為8組，分別測(cè)試其28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析?，F(xiàn)場(chǎng)固化土28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，1#澆筑區(qū)由于不同摻量分層澆筑，所以整體上變異系數(shù)最大。此外，由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)存在均勻性差異以及取樣過程中的擾動(dòng)，都造成取樣檢測(cè)結(jié)果低于室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)，試驗(yàn)分別統(tǒng)計(jì)了相同固化材料摻量和相同固化土含水率條件下，室內(nèi)制樣-室內(nèi)養(yǎng)護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)澆筑管口取樣-室內(nèi)養(yǎng)護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)澆筑-現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)取樣3種不同條件的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，三者比值為1.8:1.56:1.0。前兩者的差別主要源于攪拌的均勻性，而第三者則是自然環(huán)境下的折損。所以，現(xiàn)場(chǎng)施工一定要最大化的提高淤泥與固化材料的攪拌均勻程度，同時(shí)考慮自然環(huán)境下的折損，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的折損率達(dá)到室內(nèi)試驗(yàn)的55%。

3.2 靜力觸探試驗(yàn)

試驗(yàn)分別在澆筑養(yǎng)護(hù)后14 d、28 d，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 靜力觸探實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of the static penetration圖5 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of the plate load

從圖4可以看出，養(yǎng)護(hù)28 d的固化土承載力比14 d承載力具有明顯的提高趨勢(shì)，且各澆筑區(qū)養(yǎng)護(hù)28 d的比貫入阻力均超過1.5 MPa。其中，1#澆筑區(qū)增長(zhǎng)幅度為36%；2#澆筑區(qū)增長(zhǎng)幅度為38%；3#澆筑區(qū)增長(zhǎng)幅度為51%；4#澆筑區(qū)增長(zhǎng)幅度為43%，增長(zhǎng)幅度與室內(nèi)試驗(yàn)增長(zhǎng)的規(guī)律基本一致。此外，試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，表層受溫度影響，反應(yīng)速度較中、底層慢，而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，也逐步形成強(qiáng)度；固化土中層的反應(yīng)速度最快，均一性更好；且隨著反應(yīng)的進(jìn)行，固化土的強(qiáng)度均一性逐漸增加。

3.3 平板載荷試驗(yàn)

澆筑地基養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行淺層平板載荷試驗(yàn)，平板載荷試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，各澆筑區(qū)地基承載力特征值均滿足地基承載力設(shè)計(jì)值大于120 kPa的要求。1#與3#的對(duì)比表明，在固化劑總體用量相同的條件下，單一摻量的整體澆筑效果優(yōu)于不同摻量的分層澆筑；2#與3#的對(duì)比表明，相同條件下，使用固化劑的處理效果達(dá)到使用水泥處理的1.8倍。

由于1#澆筑區(qū)采用不同固化材料摻量的分層澆筑方法，而各層間的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差別較大，無法準(zhǔn)確衡量各層對(duì)平板載荷試驗(yàn)結(jié)果的影響，所以只選擇2#、3#以及4#的28 d試驗(yàn)結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析，最終得到無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、比貫入阻力與地基承載力特征值之間的線性關(guān)系。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與地基承載力特征值擬合關(guān)系如圖6所示，比貫入阻力與地基承載力特征值擬合關(guān)系如圖7所示。

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與承載力關(guān)系Fig.6 Relationship between unconfined compressible strength and bearing capacity圖7 比貫入阻力與承載力關(guān)系Fig.7 Relationship between penetration resistance and bearing capacity

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)澆筑地基28 d指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和比貫入阻力兩者與地基承載力特征值的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值擬合，可以得到經(jīng)驗(yàn)公式fak=1.49quk(R2=0.916)以及fak=0.20Ps+43.38(R2=0.983)，再考慮到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境施工中固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度55%的折損，可以通過調(diào)配室內(nèi)試驗(yàn)中固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來控制地基的承載力，由固化土的目標(biāo)強(qiáng)度來確定固化材料的摻量。采用疏浚泥固化處理遠(yuǎn)程泵送水下澆筑工藝進(jìn)行填海筑島，無需再進(jìn)行地基處理，可明顯縮短施工工期，有效減小差異沉降，且在橋隧連接的跨海交通建設(shè)中，采用本工藝建設(shè)人工島，澆筑地基的初期強(qiáng)度有利于節(jié)省橋隧轉(zhuǎn)換通道開挖的支護(hù)費(fèi)用。

4 結(jié)論

(1)驗(yàn)證了疏浚泥固化處理遠(yuǎn)距離泵送工藝的可行性，檢測(cè)結(jié)果表明現(xiàn)場(chǎng)澆筑地基能滿足橋隧轉(zhuǎn)換用人工島的承載力要求；

(2)固化材料整體用量相當(dāng)?shù)臈l件下，單一摻量整體澆筑的方法處理效果優(yōu)于不同摻量的分層澆筑；

(3)針對(duì)海相疏浚淤泥而言，在固化劑摻量為5%左右時(shí)，澆筑固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度指標(biāo)、靜力觸探指標(biāo)與地基承載力特征值的關(guān)系可分別表示為fak=1.49quk(R2=0.916)以及fak=0.20Ps+43.38(R2=0.983)。