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        水泥固化劑改善吹填超軟土滲透特性研究

        2021-03-16 09:27:10張華
        建材與裝飾 2021年6期
        關(guān)鍵詞:研究

        張華

        (同濟大學(xué),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(jīng)濟發(fā)展的一大難題,為此,大量的吹填工程應(yīng)運而生[1-2]。為便于滿足現(xiàn)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(yè),但是自身工程性質(zhì)不良,表現(xiàn)為壓縮性高、含水率高、承載力低、滲透性差[3-4]。現(xiàn)場處置方法多為真空預(yù)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(yù)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(xù)排水固結(jié),導(dǎo)致最終的處理效果達不到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)[5]。針對這一問題,國內(nèi)外眾多學(xué)者采取不同方法處理,例如電滲—真空預(yù)壓[6]、交替式真空預(yù)壓[7]、防淤堵排水板[8]、絮凝—真空預(yù)壓[9]等方法,從現(xiàn)場施工工藝、施工材料、土體性質(zhì)等多方面出發(fā)。其中較為顯著的就是絮凝—真空預(yù)壓,通過改善土體性質(zhì),從而從根本上解決淤堵問題[10]。

        絮凝—真空預(yù)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(fù)雜反應(yīng)下絮凝成團,形成大顆粒,從而達到增加土體大孔隙,構(gòu)建穩(wěn)定土體骨架結(jié)構(gòu),提高滲透性能,預(yù)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(yīng)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(tǒng)軟土水泥攪拌樁的抗?jié)B特性,而不是超軟土排水固結(jié)的滲透特性。本文在前人研究的基礎(chǔ)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(jù)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(yīng)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(fēng)干、粉碎,過0.01mm 篩,然后根據(jù)目標(biāo)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(shù)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(wěn)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(fā)現(xiàn),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(tài)。除此之外,2%和1%水泥摻量在7d 時基本泌水穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(xiàn)較好。

        2 水泥摻量對超軟土的固結(jié)特性研究

        傳統(tǒng)固結(jié)試驗的環(huán)刀只有20mm 高,雷華陽等[14]研究過尺寸效應(yīng),為更好通過室內(nèi)試驗反應(yīng)現(xiàn)場施工情況,本文將環(huán)刀尺寸改為100mm 高。試驗土樣為泌水結(jié)束后量筒內(nèi)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(jié)理論反算滲透系數(shù)。

        圖2 不同水泥摻量超軟土固結(jié)系數(shù)曲線

        圖3 不同水泥摻量超軟土滲透系數(shù)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(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)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(jié)沉降,所以沒有數(shù)據(jù),雖然其后期的固結(jié)系數(shù)與滲透系數(shù)較好,但是真空預(yù)壓的真空度不會超過100kPa,因此與預(yù)期目標(biāo)不符。綜上所述,2%水泥摻量效果最好。

        3 結(jié)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(jié)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(yù)防淤堵的效果。結(jié)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(nèi)穩(wěn)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(tài)。

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

        綜合工程需求和經(jīng)濟效益,現(xiàn)場施工水泥摻量可在1%~2%范圍內(nèi)選擇。

        本文只是基于室內(nèi)單元試驗,后續(xù)可開展室內(nèi)模型試驗,從而能更好地反映現(xiàn)場的實際情況。

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