淤泥质软土地基固化处理技术

陈 浩

(中铁建设集团有限公司,北京 100043)

0 引言

随着近些年建筑行业的不断发展,优质的地基资源被逐渐利用,规划区域建筑用地大幅缩减,使用单位不得不向环境条件恶劣的区域开发发展。而环渤海地带城市建设区域遍布着大范围的淤泥质软土地基,也分布着大量的坑塘和沿海等地质条件差的淤泥质地基[1],具有流塑性强、含水量高、孔隙比大、强度低、渗透性小等不良特性,如何保障施工质量及安全的情况下提升施工效率,给工程施工带来了极大困难。为避免原地基淤泥土的置换丢弃,达到资源循环利用,保护环境的目的,也是建筑行业需要深究探索的问题[2]。随着建筑施工技术的不断提升,经济合理的处置淤泥地基,实现淤泥资源化再利用,达到降低施工难度,提高施工效率、确保施工质量,土壤固化剂在软土地基处理中应用普遍[3],可以有效改善软土地基性能,技术指标优越,并且可以节约工程成本。本文以环渤海区域某工程为实例,针对淤泥质土地基处理提供技术处理措施。

1 淤泥质土地基施工现状

原地貌大部分为积水淤泥池塘,基础地质层主要为河床漫滩沉积层、湖沼坑底沉积层,土质为淤泥质粉质黏土,其结构疏松,含水率较高。经过试验室得出的数据分析,淤泥土颜色为灰褐色,略带刺激性气味,且细颗粒成分居多,天然含水率(质量分数)在40%～70%之间,在积水处含水率(质量分数)大于70%,孔隙比大于1.0,当淤泥含水率(质量分数)为46%时,其淤泥实测密度为1 738 kg/m3。现场勘察地基承载力较差,承载力特征值仅有50 kPa,土体强度低且增长缓慢,受压后土体易变形且压缩性大,再次达到稳定状态所需时间较长,体现为易变形、强度低,触之即变。淤泥质黏土微透水,渗透系数推荐值0.005 m/d。池塘内淤泥质黏土达到15 m深度。图1为池塘积水抽干后的原地貌地基土质情况实景图,图2为池塘东侧施工现场临设阶段土方回填过程,回填土挤压到池塘淤泥质黏土后形成的流动面广的实景图,经测量,淤泥向西流动约150 m以上。

2 地基处理基本假设与方案设想分析

2.1 真空预压方案

真空排水预压法通过铺设水平排水砂垫层,在软基中设置竖向排水设施,采用不透气的薄膜封闭地基处理区域,借助于预埋打入土体的排水管道,通过抽真空装置,使地基土形成负压,将孔隙水抽出,增加有效应力,使土体产生固结,减少后期沉降,提高地基承载能力的要求。计算公式为“预压时间=系统体积/泵的抽取速度”,根据渗透系数推荐值得出泵的抽取速度为5.8×10-8m/s,此方法造价高,施工周期长,不建议采用此方案。

2.2 排水+强夯法

强夯法对于饱和度较高的黏性土,处理效果不是十分显著,尤其是淤泥和淤泥质土地基,处理效果更差。本场区淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土及淤泥层为软土层,软土具天然含水率高、孔隙比大、压缩性高、承载能力低,工程性质差等特点[4],因此对于本场区地基处理时应谨慎选用。采用强夯法处理软土地基,其加固效果决定于地基土的渗透性,所以必须创造排水通道。因此在强夯时,为了取得更好的效果,根据软土的物理力学性质,可以采用综合加固方法进行,但是此种方法费用较高,对路基、场坪等大面积填土不宜采用。

2.3 换填挤淤处理

采取换填挤淤处理,对淤泥层进行挤淤换填处理,以满足后续大型机械设备的施工条件。根据实际情况,采用明排抽水,机械挖掘,砖渣挤淤等方式结合进行淤泥挖出,在场地选定抛入点,用自卸汽车进行卸料,方式采用填海式,即从一段抛入,逐渐向另一端抛填,最终完成挤淤。

土体回填应由下而上分层铺填,每层虚铺厚度不宜大于30 cm。大坡度堆填土,不得居高临下,不分层次,一次堆填。

根据本工程淤泥质黏土性质,含水量大,饱和,流塑状态,基坑深度等因素,压实程度难以很好地控制[5],综合考虑后此方法不适用于本地质条件。

2.4 物理脱水法

物理脱水固化指通过晾晒蒸发掉淤泥中多余的自由水,降低淤泥的含水率,改良土体的力学性质,待含水率符合最优含水率时再将其回填碾压密实。其优点是换填费用较低,缺点是晾晒场地较大,需要的时间较长,适用于工期长、少雨且工作场地较大的工程。由于本池塘的高灵敏淤泥质黏土体量大,翻晒需要较长的时间,采用CaO进行脱水处理,经济性不是最合理的方法,故本方案不适用此次地基处理。

2.5 淤泥固化方案

土壤固化法适用于处理大面积填土地基,施工效率较高[6]。由于池塘底部存在一定量的淤泥或者饱和黏性土,为了方便设备进场施工,在坑底内流塑状态的淤泥质粉质黏土区域撒入固化剂,后素土回填并分层碾压密实。该种方法可在原位对淤泥等工程性质较差的土体进行固化改良,形成硬壳层和板体,方便后续分层碾压回填施工,且便于后续预制管桩的施工。

3 淤泥质土地基设计要求

根据以上的方案比选,综合考虑,拟建场地采用灌入固化物+素土回填分层碾压法对场地的淤泥进行技术处理,将池塘淤泥区域上表面固化,形成硬壳层,确保固化深度及范围内承载力满足设计要求。

设计图纸要求固化深度为1 m,固化后7 d无侧限抗压强度不小于0.4 MPa,地基承载力不小于120 kPa(根据规范要求,岩石地基承载力特征值的计算要考虑折减系数,选取完整岩体折减系数取值为0.5),根据施工进度情况,选择3 d无侧限抗压强度试验实测值,确定固化剂掺入量配合比,试验室强度要达到0.4 MPa即可,再根据现场试验段4×10 m和试验室试验结果,确定地基固化宽度、深度及配合比方案,最后在现场实施200 m试验段,经承载力实验数据符合要求后,可大面积实施。

拟采用配合比试验+现场试验对经济合理性和质量安全性进行比较,选择合理的固化措施。现场在正式施工前需进行试验段施工,根据试验段结果确定最终固化深度、固化剂类型、固化剂掺量、固化剂水灰比。

4 淤泥固化方法

软土固化剂有很多种类,从形态特征上分类,可分为液体和粉状固化剂两种;从固化的作用机理上分类,又可分为化合物类、生物酶类、复合型固化剂等。无机化合物类中的水泥基固化剂,其原理是将固化剂按一定比例通过机械搅拌与淤泥混合均匀,使水泥等胶凝材料与淤泥中的多余的自由水发生水化反应、水解反应,生成水化硅酸钙Ca5Si6O16(OH)·4H2O、水化铝酸钙CaO·Al2O3·10H2O等胶凝体,使淤泥含水率降低并产生黏结作用形成一定强度的土体。同时,固化剂在水化反应过程中,还会产生水化硅酸钙凝胶和氢氧化钙晶体、水化铝酸钙晶体、水化硫铝酸钙针状晶体等多种物质,这些物质都能很好的填充土体空隙,与其他水化产物一起形成蜂窝状空间结构,同时阻断了土体的泌水通道,最终形成一个由水化凝胶和晶体为主的略有空隙的整体胶合结构骨架,降低了淤泥土的含水率,新生成的土体具有良好的承载力、水稳定性及防渗透性[7]。其优点是操作简单,凝结硬化速度较快,可以缩短回填的工期,减少施工成本,施工工艺易于操作。

5 试验方案

首先将取回的淤泥混合均匀测定其天然含水率、密度,然后称取一定量的淤泥,根据试验配合比进行试验。本次试验的固化剂有两种,分别为早强型和普通型,每种固化剂掺入量为5%,9%,12%,15%四种比例,然后按照相同的试验方法进行适配和养护,再按照不同龄期分别进行抗压强度试验,探究固化后淤泥质土的强度增长规律。

5.1 试验材料

淤泥土试样取自淤泥坑塘周边,取样方式为多点取样,样品带回试验室后经过搅拌充分混合均匀,依据GB/T 50123—2019土工试验方法标准的试验方法测得淤泥土的基本物理指标,检测结果见表1。

表1 淤泥质土的基本物理指标

本次试验采用的淤泥固化剂为同厂家同批次生产的同型号产品,早强型产品推荐掺量为9%,普通型产品推荐掺量为15%,产品颜色呈灰黑色,粉状,无毒且无腐蚀性,而且没有污染,是一种环保型水泥基固化剂。

5.2 试验方法

因固化后新生成的土体的抗压强度较高,不宜采用土工无侧限抗压强度试验方法,所以选用JGJ/T 70—2009建筑砂浆基本性能试验方法标准作为试验依据,试件型号为70 mm×70 mm×70 mm的立方体试件,每组3个抗压强度试件。

5.3 试件成型

在试验室制备试件前,所用固化剂和淤泥提前24 h运入试验室内,进行温度调节。称量时,固化剂、淤泥的称量精度控制在±0.5%以内;拌合时,试验室的温度应保持在(20±5) ℃,采用单卧轴砂浆搅拌机进行拌合,搅拌时间统一设置为120 s;成型时,由于掺入固化剂的淤泥土较为黏稠,为确保试件密实,采用人工插捣加机械振动相结合的成型工艺,分三层装模,每层用捣棒均匀地由边缘向中心按螺旋方法进行插捣25次,并用手将试模一边抬高5 mm～10 mm各振动5次,然后将试模放置到振动台上,振动(20～30)s。成型完成后在试验室静置48 h后进行脱模,见图3,图4,拆模后将试件放入标准养护室进行养护,养护过程中不得用水直接喷淋试件,防止低掺量的试件吸水变形。

5.4 试验结果

待养护时间达到规定龄期后,通过抗压强度试验,统计不同种类同掺入量和同种类不同掺入量的固化淤泥土的抗压强度性能指标,见表2。试件试压见图5,图6。

表2 固化剂抗压强度数据统计表

本次试验同时对淤泥质黏土内掺加不同比例水泥抗压强度试验,统计抗压强度性能指标,如表3所示。

表3 水泥作为固化剂的抗压强度数据统计表

通过对试验数据的分析,我们发现改良淤泥的同龄期的抗压强度与固化剂的掺入量成正比,同掺入量的抗压强度与龄期成正比。考虑到施工现场淤泥含水率的变化和施工水平,抗压强度按照0.5折算系数计算,在遇到同类型的地质条件,根据工期、经济性、固化强度选择合理的固化剂掺入比得出的试验室抗压强度数据,需再乘以0.5算出的数据应用于现场。

5.5 试验结论

通过试验数据分析可以得出,固化剂加入后产生的水化物改变了土体颗粒的组成,淤泥结构得以重组,淤泥土的物理、力学性能指标得到明显改善,淤泥土体变为坚硬状态,固化后的淤泥土体具有含水率低、抗压强度高、抗压缩变形能力强等特性,其承载力满足本次设计地基承载力120 kPa的要求。

6 试验段施工

本次选择固化剂为P.O42.5水泥,选取4个5 m×6 m的淤泥区域进行施工现场试验,结合现场情况及前期试验适配结果,固化类型选用水泥掺量分别按照9%和10%,原位固化深度分别为1 m和1.5 m的工况进行现场试验。获得无侧限抗压试验[8-12]和静载试验结果,如表4,表5所示。

表5 地基承载力检测统计表

综上,经过现场工艺性试验的检测结果[13-17],结合设计方意见,形成最终的浅层固化技术参数见表6,后续施工中将以此技术参数反馈设计单位,形成正式设计文件指导现场施工作业。

表6 水泥固化剂施工工艺选择

固化剂采用现场集中拌和,由后台供料系统通过喷浆管输送至喷嘴,采用固化剂自动定量供料系统设置固化剂喷料速率[18]。原位固化利用挖机液压驱动,采用专业型立体强力搅拌头,四搅二喷三维搅拌,确保搅拌均匀。试验段固化见图7。

7 结语

淤泥固化原理是将淤泥质黏土进行原位改良,使得固化深度范围内的淤泥质黏土形成承托层,增加其地基承载力,满足该工程后续机械进场施工[19]。考虑在淤泥地基上建设工程,拟建建筑物附近应加深加宽固化范围,如固化后的淤泥地基首先要分层回填土,需要提前埋设压力计,监测淤泥的土压力,避免拟在此区域的建筑物工程桩或地基处理桩施打过程中,出现泥浆突涌现象。针对于深厚高灵敏度淤泥土地基处理,淤泥固化施工技术相对于清淤换填,大幅提升了淤泥土体的强度,可以降低施工成本,提高工程综合效益,减少环境污染,缩短施工工期[20]。建议非深厚淤泥地基根据质量要求,应首先选择换填,避免未固化淤泥对地上建筑物、场地的持续性影响。