陳 浩

(中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 100043)

0 引言

隨著近些年建筑行業(yè)的不斷發(fā)展,優(yōu)質(zhì)的地基資源被逐漸利用,規(guī)劃區(qū)域建筑用地大幅縮減,使用單位不得不向環(huán)境條件惡劣的區(qū)域開發(fā)發(fā)展。而環(huán)渤海地帶城市建設(shè)區(qū)域遍布著大范圍的淤泥質(zhì)軟土地基,也分布著大量的坑塘和沿海等地質(zhì)條件差的淤泥質(zhì)地基[1],具有流塑性強(qiáng)、含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、滲透性小等不良特性,如何保障施工質(zhì)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(dá)到資源循環(huán)利用,保護(hù)環(huán)境的目的,也是建筑行業(yè)需要深究探索的問題[2]。隨著建筑施工技術(shù)的不斷提升,經(jīng)濟(jì)合理的處置淤泥地基,實(shí)現(xiàn)淤泥資源化再利用,達(dá)到降低施工難度,提高施工效率、確保施工質(zhì)量,土壤固化劑在軟土地基處理中應(yīng)用普遍[3],可以有效改善軟土地基性能,技術(shù)指標(biāo)優(yōu)越,并且可以節(jié)約工程成本。本文以環(huán)渤海區(qū)域某工程為實(shí)例,針對淤泥質(zhì)土地基處理提供技術(shù)處理措施。

1 淤泥質(zhì)土地基施工現(xiàn)狀

原地貌大部分為積水淤泥池塘,基礎(chǔ)地質(zhì)層主要為河床漫灘沉積層、湖沼坑底沉積層,土質(zhì)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,其結(jié)構(gòu)疏松,含水率較高。經(jīng)過試驗(yàn)室得出的數(shù)據(jù)分析,淤泥土顏色為灰褐色,略帶刺激性氣味,且細(xì)顆粒成分居多,天然含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))在40%～70%之間,在積水處含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于70%,孔隙比大于1.0,當(dāng)淤泥含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為46%時,其淤泥實(shí)測密度為1 738 kg/m3?，F(xiàn)場勘察地基承載力較差,承載力特征值僅有50 kPa,土體強(qiáng)度低且增長緩慢,受壓后土體易變形且壓縮性大,再次達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間較長,體現(xiàn)為易變形、強(qiáng)度低,觸之即變。淤泥質(zhì)黏土微透水,滲透系數(shù)推薦值0.005 m/d。池塘內(nèi)淤泥質(zhì)黏土達(dá)到15 m深度。圖1為池塘積水抽干后的原地貌地基土質(zhì)情況實(shí)景圖,圖2為池塘東側(cè)施工現(xiàn)場臨設(shè)階段土方回填過程,回填土擠壓到池塘淤泥質(zhì)黏土后形成的流動面廣的實(shí)景圖,經(jīng)測量,淤泥向西流動約150 m以上。

2 地基處理基本假設(shè)與方案設(shè)想分析

2.1 真空預(yù)壓方案

真空排水預(yù)壓法通過鋪設(shè)水平排水砂墊層,在軟基中設(shè)置豎向排水設(shè)施,采用不透氣的薄膜封閉地基處理區(qū)域,借助于預(yù)埋打入土體的排水管道,通過抽真空裝置,使地基土形成負(fù)壓,將孔隙水抽出,增加有效應(yīng)力,使土體產(chǎn)生固結(jié),減少后期沉降,提高地基承載能力的要求。計(jì)算公式為“預(yù)壓時間=系統(tǒng)體積/泵的抽取速度”,根據(jù)滲透系數(shù)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(qiáng)夯法

強(qiáng)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(zhì)土地基,處理效果更差。本場區(qū)淤泥質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)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(zhì)差等特點(diǎn)[4],因此對于本場區(qū)地基處理時應(yīng)謹(jǐn)慎選用。采用強(qiáng)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(chuàng)造排水通道。因此在強(qiáng)夯時,為了取得更好的效果,根據(jù)軟土的物理力學(xué)性質(zhì),可以采用綜合加固方法進(jìn)行,但是此種方法費(fèi)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(jìn)行擠淤換填處理,以滿足后續(xù)大型機(jī)械設(shè)備的施工條件。根據(jù)實(shí)際情況,采用明排抽水,機(jī)械挖掘,磚渣擠淤等方式結(jié)合進(jìn)行淤泥挖出,在場地選定拋入點(diǎn),用自卸汽車進(jìn)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(yīng)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(jù)本工程淤泥質(zhì)黏土性質(zhì),含水量大,飽和,流塑狀態(tài),基坑深度等因素,壓實(shí)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(zhì)條件。

2.4 物理脫水法

物理脫水固化指通過晾曬蒸發(fā)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(xué)性質(zhì),待含水率符合最優(yōu)含水率時再將其回填碾壓密實(shí)。其優(yōu)點(diǎn)是換填費(fèi)用較低,缺點(diǎn)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(zhì)黏土體量大,翻曬需要較長的時間,采用CaO進(jìn)行脫水處理,經(jīng)濟(jì)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(shè)備進(jìn)場施工,在坑底內(nèi)流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土區(qū)域撒入固化劑,后素土回填并分層碾壓密實(shí)。該種方法可在原位對淤泥等工程性質(zhì)較差的土體進(jìn)行固化改良,形成硬殼層和板體,方便后續(xù)分層碾壓回填施工,且便于后續(xù)預(yù)制管樁的施工。

3 淤泥質(zhì)土地基設(shè)計(jì)要求

根據(jù)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(jìn)行技術(shù)處理,將池塘淤泥區(qū)域上表面固化,形成硬殼層,確保固化深度及范圍內(nèi)承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

設(shè)計(jì)圖紙要求固化深度為1 m,固化后7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于0.4 MPa,地基承載力不小于120 kPa(根據(jù)規(guī)范要求,巖石地基承載力特征值的計(jì)算要考慮折減系數(shù),選取完整巖體折減系數(shù)取值為0.5),根據(jù)施工進(jìn)度情況,選擇3 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)實(shí)測值,確定固化劑摻入量配合比,試驗(yàn)室強(qiáng)度要達(dá)到0.4 MPa即可,再根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)段4×10 m和試驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果,確定地基固化寬度、深度及配合比方案,最后在現(xiàn)場實(shí)施200 m試驗(yàn)段,經(jīng)承載力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合要求后,可大面積實(shí)施。

擬采用配合比試驗(yàn)+現(xiàn)場試驗(yàn)對經(jīng)濟(jì)合理性和質(zhì)量安全性進(jìn)行比較,選擇合理的固化措施。現(xiàn)場在正式施工前需進(jìn)行試驗(yàn)段施工,根據(jù)試驗(yàn)段結(jié)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(tài)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(jī)理上分類,又可分為化合物類、生物酶類、復(fù)合型固化劑等。無機(jī)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(jī)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(fā)生水化反應(yīng)、水解反應(yīng),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(chǎn)生黏結(jié)作用形成一定強(qiáng)度的土體。同時,固化劑在水化反應(yīng)過程中,還會產(chǎn)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(zhì),這些物質(zhì)都能很好的填充土體空隙,與其他水化產(chǎn)物一起形成蜂窩狀空間結(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)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(wěn)定性及防滲透性[7]。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡單,凝結(jié)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(yàn)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(jù)試驗(yàn)配合比進(jìn)行試驗(yàn)。本次試驗(yàn)的固化劑有兩種,分別為早強(qiáng)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(yàn)方法進(jìn)行適配和養(yǎng)護(hù),再按照不同齡期分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),探究固化后淤泥質(zhì)土的強(qiáng)度增長規(guī)律。

5.1 試驗(yàn)材料

淤泥土試樣取自淤泥坑塘周邊,取樣方式為多點(diǎn)取樣,樣品帶回試驗(yàn)室后經(jīng)過攪拌充分混合均勻,依據(jù)GB/T 50123—2019土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法測得淤泥土的基本物理指標(biāo),檢測結(jié)果見表1。

表1 淤泥質(zhì)土的基本物理指標(biāo)

本次試驗(yàn)采用的淤泥固化劑為同廠家同批次生產(chǎn)的同型號產(chǎn)品,早強(qiáng)型產(chǎn)品推薦摻量為9%,普通型產(chǎn)品推薦摻量為15%,產(chǎn)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(huán)保型水泥基固化劑。

5.2 試驗(yàn)方法

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

5.3 試件成型

在試驗(yàn)室制備試件前,所用固化劑和淤泥提前24 h運(yùn)入試驗(yàn)室內(nèi),進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。稱量時,固化劑、淤泥的稱量精度控制在±0.5%以內(nèi);拌合時,試驗(yàn)室的溫度應(yīng)保持在(20±5) ℃,采用單臥軸砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行拌合,攪拌時間統(tǒng)一設(shè)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(shí),采用人工插搗加機(jī)械振動相結(jié)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(jìn)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(yàn)室靜置48 h后進(jìn)行脫模,見圖3,圖4,拆模后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)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(yàn)結(jié)果

待養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到規(guī)定齡期后,通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)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(qiáng)度性能指標(biāo),見表2。試件試壓見圖5,圖6。

表2 固化劑抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

本次試驗(yàn)同時對淤泥質(zhì)黏土內(nèi)摻加不同比例水泥抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)抗壓強(qiáng)度性能指標(biāo),如表3所示。

表3 水泥作為固化劑的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析,我們發(fā)現(xiàn)改良淤泥的同齡期的抗壓強(qiáng)度與固化劑的摻入量成正比,同摻入量的抗壓強(qiáng)度與齡期成正比?？紤]到施工現(xiàn)場淤泥含水率的變化和施工水平,抗壓強(qiáng)度按照0.5折算系數(shù)計(jì)算,在遇到同類型的地質(zhì)條件,根據(jù)工期、經(jīng)濟(jì)性、固化強(qiáng)度選擇合理的固化劑摻入比得出的試驗(yàn)室抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù),需再乘以0.5算出的數(shù)據(jù)應(yīng)用于現(xiàn)場。

5.5 試驗(yàn)結(jié)論

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得出,固化劑加入后產(chǎn)生的水化物改變了土體顆粒的組成,淤泥結(jié)構(gòu)得以重組,淤泥土的物理、力學(xué)性能指標(biāo)得到明顯改善,淤泥土體變?yōu)閳?jiān)硬狀態(tài),固化后的淤泥土體具有含水率低、抗壓強(qiáng)度高、抗壓縮變形能力強(qiáng)等特性,其承載力滿足本次設(shè)計(jì)地基承載力120 kPa的要求。

6 試驗(yàn)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(qū)域進(jìn)行施工現(xiàn)場試驗(yàn),結(jié)合現(xiàn)場情況及前期試驗(yàn)適配結(jié)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(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。獲得無側(cè)限抗壓試驗(yàn)[8-12]和靜載試驗(yàn)結(jié)果,如表4,表5所示。

表5 地基承載力檢測統(tǒng)計(jì)表

綜上,經(jīng)過現(xiàn)場工藝性試驗(yàn)的檢測結(jié)果[13-17],結(jié)合設(shè)計(jì)方意見,形成最終的淺層固化技術(shù)參數(shù)見表6,后續(xù)施工中將以此技術(shù)參數(shù)反饋設(shè)計(jì)單位,形成正式設(shè)計(jì)文件指導(dǎo)現(xiàn)場施工作業(yè)。

表6 水泥固化劑施工工藝選擇

固化劑采用現(xiàn)場集中拌和,由后臺供料系統(tǒng)通過噴漿管輸送至噴嘴,采用固化劑自動定量供料系統(tǒng)設(shè)置固化劑噴料速率[18]。原位固化利用挖機(jī)液壓驅(qū)動,采用專業(yè)型立體強(qiáng)力攪拌頭,四攪二噴三維攪拌,確保攪拌均勻。試驗(yàn)段固化見圖7。

7 結(jié)語

淤泥固化原理是將淤泥質(zhì)黏土進(jìn)行原位改良,使得固化深度范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)黏土形成承托層,增加其地基承載力,滿足該工程后續(xù)機(jī)械進(jìn)場施工[19]?？紤]在淤泥地基上建設(shè)工程,擬建建筑物附近應(yīng)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(shè)壓力計(jì),監(jiān)測淤泥的土壓力,避免擬在此區(qū)域的建筑物工程樁或地基處理樁施打過程中,出現(xiàn)泥漿突涌現(xiàn)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(shù)相對于清淤換填,大幅提升了淤泥土體的強(qiáng)度,可以降低施工成本,提高工程綜合效益,減少環(huán)境污染,縮短施工工期[20]。建議非深厚淤泥地基根據(jù)質(zhì)量要求,應(yīng)首先選擇換填,避免未固化淤泥對地上建筑物、場地的持續(xù)性影響。