徐森朋，潘 崇

（1.永嘉縣水利局，浙江 永嘉 325100；2.永嘉縣建設投資集團有限公司，浙江 永嘉 325100）

1 問題的提出

多數(shù)沿海堤壩工程需要在軟基及超軟基上建造，主要包含地基的快速處理、壩體的快速堆積以及閉氣土方快速形成這3 個方面的工作[1-3]。閉氣土方是堤壩工程的重要組成部分，一是起到防滲作用，二是起到支撐作用。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)：大量的堤壩出現(xiàn)毀堤、決堤的主要原因在于閉氣土方孔隙大、防滲性差、工后沉降變形過大，因此閉氣土方施工質(zhì)量的好壞關系著堤壩工程的長期安全與穩(wěn)定[4-7]。由于近海堤基淤泥土含水率高、承載力差、土性極差，一般的工程設備無法在上面行走，因此，在修建沿海堤壩時，首先需對泥土進行固化處理。當前最常用的固化施工方法是將淤泥挖出，在陸地上進行固化后，再回填至施工區(qū)域，這種方法處理量小，施工效率低下，固結(jié)時間長，工程成本太高，一旦遇到遠距離大面積的固化回填時根本無法實現(xiàn)。因此，有必要對淤泥質(zhì)堤壩軟基閉氣土方快速固結(jié)施工工藝進行研究[8-11]。

文章以室內(nèi)快速固結(jié)試驗為基礎，結(jié)合現(xiàn)場實際工程施工工藝，對淤泥質(zhì)堤壩軟基閉氣土方快速固結(jié)施工方案進行探討分析，以期能為沿海堤壩閉氣土方工程施工提供借鑒。

2 工程概況

溫州藍色海灣生態(tài)建設項目海岸帶生態(tài)建設狀元南片堤壩閉氣軟基處理工程，上部為淤泥質(zhì)土和黏性土，下部為黏性土和砂土，堤基底主要為風化片麻巖。淤泥質(zhì)土的平均含水率為60.70%，天然濕密度和干密度分別為1.81，1.12 g/cm3，液限值W1為45，塑限值Wp為22，塑性指數(shù)Ip為23，液性指數(shù)為1.68，最優(yōu)含水率為22.30%，最大干密度為1.67 g/cm3，小于0.05 mm 粒徑顆粒質(zhì)量分數(shù)為68.50%。設計要求地基承載力＞800 kPa，淤泥質(zhì)土固化處理深度約為5 m，總固化體積約為140 000 m3。

3 室內(nèi)試驗

3.1 主要試驗材料

原料土：取自該河堤工程現(xiàn)場上部的淤泥質(zhì)土，取樣深度約為3 m，取回的土樣需要經(jīng)過烘干、粉碎、磨粉以及過篩等多個工序，然后放在防潮密閉桶內(nèi)備用。

水泥（C）：選取P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為348 m2/kg，密度為3.07 g/cm3，MgO質(zhì)量分數(shù)為3.60%，SO3質(zhì)量分數(shù)為1.95%，平均燒失量為2.80%。

垃圾飛灰（F）：取自珠海某垃圾焚燒廠，灰白色，比表面積為9.4 cm2/g，密度為2.96 g/cm3，鉛（Pb）、鎘（Cd）、鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）的質(zhì)量濃度分別為20.5，6.8，3.0，2.8，73.2 mg/kg。

3.2 試驗方案

根據(jù)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設計規(guī)程》進行固化試驗方案設計。相關設計規(guī)范及工程經(jīng)驗顯示，水泥土的固化劑摻量一般介于10%～20%，考慮到本次加固工程方量較大，如果使用純水泥，工程造價較高。為降低工程造價，本次工程擬采用水泥+垃圾飛灰對淤泥質(zhì)土進行固化處理。水泥（C）+飛灰（F）的摻量設置為加固土樣質(zhì)量（（C+F）/S）的8%、12%、16%和20%，粉煤灰在固化劑中的占比（F/（C+F））分別為20%、30%、40%和50%，水灰比（W/（C+F））設計為0.45、0.50、0.55 和0.60 四種（W 為水的用量），進行正交試驗。試驗方案設計見表1。

表1 試驗方案設計表

3.3 試驗步驟

（1）將處理后的淤泥質(zhì)土樣、水泥（C）、飛灰（F）和水（W）按配比放入攪拌桶中進行電動攪拌，攪拌方式為：慢攪60 s，快攪120 s，暫停30 s（將桶壁和攪拌葉上的粘連土刮下），然后再快攪120 s。

（2）將試樣制成80 mm×39.1 mm（高×直徑）的圓柱形試件，并用保鮮膜包裹試件，以防水分蒸發(fā)。

（3）將制作好的試件放到標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，時間為28 d。

（4）養(yǎng)護齡期達到28 d 后，將試件取出放置在全自動三軸儀上，進行單軸抗壓試驗，試驗加載速率為0.4 mm/min。

（5）試驗數(shù)據(jù)整理和分析。

3.4 試驗結(jié)果分析

試驗得到的不同試驗組無側(cè)限抗壓強度與固化劑摻量的關系見圖1。從圖1（a）可知：當水灰比為0.45 和0.50 時，固化土的強度隨著固化劑摻量的增加呈動態(tài)變化特征；當水灰比為0.55 和0.60時，固化土的強度隨固化劑摻量的增加呈逐漸增大的變化特征。這是因為當水灰比較小時，水泥和飛灰的水解和水化反應不充分，導致部分土顆粒出現(xiàn)團?；令w粒之間的膠結(jié)聯(lián)結(jié)力降低，未反應的水泥和飛灰只能起到物理擴散和填充孔隙的作用，對于提高土體自身強度的作用有限，因而很可能出現(xiàn)固化劑摻量越多，強度反而越低的現(xiàn)象。

從圖1（b）中可以看到：當固化劑摻量一定時，固化土的強度隨飛灰摻量的增加而逐漸降低；當飛灰摻量一定時，固化土強度隨固化劑摻量的增加而逐漸增大。飛灰作為一種廉價材料，具有一定的活性，在水化產(chǎn)物Ca（OH）2的激發(fā)下消耗部分水分，另一方面，飛灰摻量增加，意味著水泥用量減少，水化產(chǎn)物也隨之減少，填充于土顆粒之間的鈣礬石、C-S-H 凝膠等晶體和膠凝物質(zhì)減少，因而強度隨著飛灰摻量增加而降低。因此應該根據(jù)堤基承載力設計要求，適當調(diào)整水灰比和飛灰摻量。當水灰比為0.55，固化劑摻量為20%，飛灰占比為30%時，固化土的強度最大，這說明在使用混合固化劑進行淤泥固化時，針對不同的混合固化劑配比，存在一個最佳水灰比，同時在充分考慮經(jīng)濟性和施工可行性的基礎上，通過調(diào)整固化劑摻量和水灰比，既節(jié)省工程投資，又可達到較高加固土強度的效果。

圖1 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果圖

4 現(xiàn)場施工

4.1 施工方案選取

（1）原地閉氣土方中噴攪固結(jié)劑施工法：利用螺旋式淤泥固化機在淤泥軟基上行走及施工。螺旋式淤泥固化機自帶攪拌系統(tǒng)，攪拌系統(tǒng)通過高壓輸送系統(tǒng)與固化材料儲存罐相連，高壓輸送系統(tǒng)將固化材料輸送至攪拌系統(tǒng)，然后進行高壓旋噴攪拌和強制式攪拌，使淤泥質(zhì)軟基與固化材料充分拌和。固化材料通過物理和化學作用，使淤泥顆粒接觸面相互黏合，同時水化反應生成的膠凝物質(zhì)促進土顆粒膠結(jié)，從而實現(xiàn)淤泥質(zhì)軟基的快速固結(jié)。施工現(xiàn)場布置見圖2。

圖2 原地閉氣土方中噴攪固結(jié)劑施工法現(xiàn)場布置圖

（2）管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法：利用活塞式土方輸送船自配抓斗將淤泥質(zhì)土抓取到集料斗內(nèi)，摻入固化材料并拌和，再通過輸送管將摻拌過后的土方連續(xù)不斷均勻地輸送至壩體上，并通過縱橫布料、薄層輪加、分層加高，調(diào)整修坡的施工方式實現(xiàn)淤泥質(zhì)軟土在堤壩上的快速固結(jié)。施工現(xiàn)場布置見圖3。

圖3 管道輸送摻拌固結(jié)劑施工現(xiàn)場布置圖

方案對比：原地閉氣土方中噴攪固結(jié)劑施工法適用于軟基處理深度≤8 m，淤泥含水率＞50%，固化后基礎承載力＜20 t 的軟基工程；管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法適用于含水率＞40%的軟黏狀泥土，且不受軟基處理深度和處理后承載力的限制，同時管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法可以將吸取的土方進行脫水處理后，按照實驗室配比進行精準固化施工，既能實現(xiàn)長距離的運輸需求，又可以解決固結(jié)劑的摻拌難題，固結(jié)效率更高，固化效果更好。因此，本工程選擇管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法進行閉氣土方的固化施工。

4.2 施工工藝流程

管道輸送摻拌固結(jié)劑施工工藝流程見圖4。首先，將600 m3/h 活塞式輸泥船移動到施工區(qū)域，將所有輸送管路連接好，為了讓輸送管路浮在水面，在輸送管路外面套上一層圓型空心的泡沫浮子，以便于輸送管路移位和檢修，同時在輸送管路出口約20 m 處搭設一個工作平臺，工作平臺上設置一套移動錨機和布料操作系統(tǒng)，以方便工作人員進行裝料、卸料等操作。其次，將需要加固的土層吸取到集料斗進行脫水處理，并按實驗室最佳配比：水膠比0.55，固化劑摻量20%，飛灰占比30%進行拌和，施工配比在拌和過程中要根據(jù)現(xiàn)場淤泥質(zhì)土含水率情況進行適當調(diào)整，再利用輸送管路將拌合好的泥漿輸送至堤壩壩體上。閉氣土方施工應遵循“縱橫布料、薄層輪加、分層加高，調(diào)整修坡”的施工原則，每一層厚度應控制在0.3～0.5 m，層與層之間的施工間隔時間應大于15 d，以確保填筑土體安全穩(wěn)定；由于固化淤泥本身強度較低，下級邊坡坡度盡量放緩，控制在1:12～1:16，上級邊坡坡度應控制在1:30 左右，并留足沉降固結(jié)預留量，等待固結(jié)一段時間后，再采用挖機將邊坡修整至設計坡度；分段填筑時，兩相鄰段的結(jié)合邊坡不宜陡于1:30，嚴禁閉氣土方與石塊、石渣混雜，以免給堤壩留下潛在的滲流通道。

圖4 管道輸送摻拌固結(jié)劑施工工藝流程圖

4.3 固結(jié)施工效果

對海涂泥固化土有害物質(zhì)進行檢測可知：工程現(xiàn)場淤泥質(zhì)土經(jīng)固化施工后的多氯聯(lián)苯質(zhì)量濃度低于0.2×10-6mg/kg，汞、鎘、鉛、鉻、砷、銅、鋅的質(zhì)量濃度分別為0.150，0.097，18.000，20.800，6.100，32.200，75.300 mg/kg，六六六（六氯環(huán)己烷）、滴滴涕（雙對氯苯基三氯乙烷）均小于0.005 mg/kg。由此可見，采用實驗室最佳配比方式，經(jīng)管道輸送摻拌固結(jié)劑施工之后的固化淤泥對海水的防滲效果較好，各項有害物質(zhì)含量均比較低，重金屬和有害物質(zhì)均得到有效阻隔、包裹與固化。

為了對固結(jié)施工效果進行評估，對固化后閉氣土方強度進行鉆孔取芯強度試驗（見圖5）。由圖5 可知：固化土的強度隨著齡期的增長逐漸增大，水泥+飛灰固化淤泥的早期強度增長較快，后期強度增長較慢，強度從6 d 時的0.57 MPa 增加至62 d 時的1.28 MPa，滿足堤壩基礎強度和承載力設計要求。

圖5 鉆孔取芯強度試驗結(jié)果圖

5 結(jié) 論

本文針對淤泥質(zhì)堤壩軟基閉氣土方快速固結(jié)問題開展了室內(nèi)試驗和現(xiàn)場施工工藝探討，得出如下結(jié)論：

（1）當水灰比≤0.50 時，固化土的強度隨著固化劑摻量的增加呈動態(tài)變化特性，當水灰比＞0.50 時，固化土的強度隨固化劑摻量的增加逐漸增大；當固化劑摻量一定時，固化土的強度隨飛灰摻量的增加而逐漸降低；當飛灰摻量一定時，固化土強度隨固化劑摻量的增加而逐漸增大。根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果確定的最佳固結(jié)配比為：水膠比0.55，固化劑摻量20%，飛灰占比30%。

（2）介紹原地閉氣土方中噴攪固結(jié)劑施工法和管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法，對比分析2 種施工方法的適用性，最終決定現(xiàn)場選用管道輸送摻拌固結(jié)劑施工法進行閉氣土方的固化施工，并對該方法的施工工藝流程進行關鍵技術分析。

（3）對固化后的淤泥質(zhì)土進行有害物質(zhì)檢測和鉆孔取芯強度試驗，結(jié)果表明：固化淤泥對海水的防滲效果較好，重金屬和有害物質(zhì)均得到有效阻隔、包裹與固化，固化土強度和承載力滿足設計要求。