建筑廢棄泥漿真空預(yù)壓方法處理試驗研究

魏雁冰， 范明橋，林生法， 徐　鍇， 吳志強

建筑廢棄泥漿真空預(yù)壓方法處理試驗研究

魏雁冰1,2， 范明橋1，林生法1， 徐鍇1， 吳志強1

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029； 2.河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

摘要：為了尋求更為經(jīng)濟和環(huán)保的建筑廢棄泥漿處理方法，采用3種不同排水系統(tǒng)的真空預(yù)壓方法對泥漿池的處理開展了試驗研究.系統(tǒng)分析了不同真空預(yù)壓試驗場地的表面沉降、孔隙水壓力等監(jiān)測數(shù)據(jù).真空卸載后，通過原位十字板試驗和平板載荷試驗對地基承載力進行了檢測，并對處理前后土體的物理力學特性變化進行了總結(jié).結(jié)果表明，3個試驗場地的地基承載力均有顯著提高，其中以氣管-濾管結(jié)合的真空抽吸排水方法效果最優(yōu).

關(guān)鍵詞：廢棄泥漿；真空預(yù)壓；沉降；孔隙水壓力；地基承載力

0引言

建筑工程施工常會產(chǎn)生一定數(shù)量的廢棄泥漿，這些泥漿基本上采用管道輸送或車運方式集中傾倒堆放到空地集中貯存，形成了面積數(shù)百平米到數(shù)萬平米不等的泥漿池.建筑泥漿的排放不僅占用土地，而且會帶來諸多環(huán)境問題.近年來，國內(nèi)對廢棄泥漿處理的研究日益增多，目前常用的處理方法有土地耕作處理法[1]、化學絮凝固液分離處理法[2-4]和化學固化處理法[5-7]等.樓春暉等[8]采用壓濾技術(shù)對建筑廢棄泥漿進行處理，并進行了理論分析和試驗研究.但是這些處理方法施工工藝相對復雜且費用較高，因此廢棄泥漿處理技術(shù)必須有更為經(jīng)濟、環(huán)保的發(fā)展.

建筑泥漿由黏土顆粒及水體組合而成，并包含有各類添加劑，其基本的工程性質(zhì)與河湖及海底淤泥相近.這類泥漿由于形成時間短，其工程特性表現(xiàn)為為高含水率、高孔隙比、高壓縮性、極低強度、低滲透性，自重條件下未完成固結(jié)，屬欠固結(jié)土，具有不穩(wěn)定性和一定的流動性，稱為超軟土.基于建筑泥漿的這些性質(zhì)，筆者提出采用就地真空預(yù)壓水土分離方式處理廢棄泥漿的方法.試驗表明：該方法能夠就地解決泥漿處理問題，且泥漿池處理后的地基承載力滿足設(shè)計要求.

1場地概況

某經(jīng)濟開發(fā)區(qū)由生態(tài)休閑區(qū)、城市中心區(qū)、啟動區(qū)塊、環(huán)湖景觀帶等區(qū)塊組成，規(guī)劃控制面積為85 km2.近年來隨著開發(fā)區(qū)基本設(shè)施建設(shè)的逐步推進，產(chǎn)生了大量的建筑廢棄泥漿，這些泥漿集中貯存在待開發(fā)的郊區(qū)洼地中，形成了數(shù)個深度約為1.5～2.5 m的泥漿池.泥漿池經(jīng)過長期晾曬，表面失水，形成約10 cm厚的硬殼層，表面長滿小手指粗細的蘆葦?shù)裙嗄局参?，植物平均高度達2 m左右.

本試驗選定擬建體育館附近3 000 m2的泥漿池作為現(xiàn)場試驗區(qū)，城市規(guī)劃中試驗區(qū)為綠化用地.通過對試驗場區(qū)泥漿池淺層開挖的初步踏勘，發(fā)現(xiàn)泥漿沉積土為灰黃至灰黑色，飽和，可見分布全區(qū)植物根系，地下水位約為地表下0.5 m.試驗區(qū)泥漿深度約為2～2.5 m，雖經(jīng)長期晾曬，但場地硬殼層厚度只有10 cm，不能滿足人員及機械的施工承載力需求.其天然含水率大于液限含水率，由現(xiàn)場十字板剪切試驗得到的不排水強度極低，泥漿范圍內(nèi)均小于4 kPa.顆粒分析試驗結(jié)果表明，該泥漿土所有粒組的粒徑小于0. 075 mm的黏粒含量為87.3%，其中粒徑小于0. 005 mm 的黏粒含量為43.4%.基本的物理力學指標如表1及圖1 所示.

表1　處理前泥漿土物理力學性質(zhì)指標

圖1　試驗前場地十字板剪切強度

從常規(guī)土工試驗結(jié)果來看，試驗區(qū)泥漿土與附近海底吹填淤泥的顆粒級配、液塑限、滲透性等物理性質(zhì)均相近.且吹填淤泥采用真空抽吸水土分離方法處理取得了成功，處理深度達到了15 m[9]，因此對經(jīng)濟開發(fā)區(qū)內(nèi)的泥漿土也可以采用類似方法進行處理.泥漿土與淤泥物理性質(zhì)對比見表2.

2泥漿土處理試驗方案設(shè)計

就地真空吸水水土分離是通過在泥漿中插設(shè)塑料排水板，作為豎向排水通道，然后地表布置水平向濾管或者氣管與排水板相連，鋪設(shè)密封膜封閉后接入真空抽吸裝置(射流泵)，形成負壓，負壓沿塑料排水板向下傳遞，進而向土中傳遞.在負壓作用下，孔隙水滲流到排水通道排出，降低了泥漿含水率，使泥漿土得到排水固結(jié)[10-11].泥漿經(jīng)這樣處理后其承載力預(yù)計可以達到40～50 kPa，可以作為建筑地基或填料，從而達到綜合處理建筑泥漿的目的.真空抽吸水土分離方法如圖2所示.

表2　泥漿土和海底淤泥物理性質(zhì)比較

圖2　真空抽吸水土分離剖面圖

將泥漿池分為3個區(qū)塊，每個區(qū)塊1 000 m2，采用3種不同排水系統(tǒng)的真空抽吸方法進行處理，探索建筑泥漿技術(shù)可行、經(jīng)濟快速、環(huán)境污染最小的處理技術(shù)方法.具體試驗分區(qū)實施方案如下.

分區(qū)A：濾管+排水板+覆膜，簡稱濾管區(qū).B型排水板間距0.8 m，正方形布置.該區(qū)的濾管布設(shè)方法與常規(guī)真空預(yù)壓施工方法一致[12].

分區(qū)B：氣管+排水板+覆膜，簡稱氣管區(qū).B型排水板間距0.8 m，正方形布置.該區(qū)水平排水系統(tǒng)采用氣管，在排水板頂部插入帶有出水口的塑料板帽.板帽為敞口內(nèi)收間距形式，便于排水板插入.板帽通過PE專用快速氣動接頭和PU專用氣管相連，氣管內(nèi)徑8 mm.每排氣管用主管串聯(lián)后連接到真空泵，開啟真空泵可以直接抽吸泥漿中孔隙水.該連接方法稱為氣管直吸法，連接效果如圖3所示.

分區(qū)C:濾管+氣管+排水板+鋪膜，二次抽吸模式，簡稱氣濾區(qū).采用B型塑料排水板，正方形布置，每部分排水板間距均為0.8 m.其中第1部分排水板采用濾管連接；第2部分排水板用氣管連接，采用氣管直吸方法.兩部分抽吸系統(tǒng)相互獨立.覆膜后氣管部分先真空抽氣，根據(jù)場地監(jiān)測數(shù)據(jù)，1～2個月后開啟濾管部分真空抽氣；二次抽吸系統(tǒng)布置圖見圖4.

圖3　氣管抽吸系統(tǒng)

圖4　分區(qū)C二次抽吸系統(tǒng)布置示意圖

3個分區(qū)的排水板的插設(shè)深度根據(jù)泥漿池的深度而定，濾管區(qū)因位于泥漿池邊緣位置，深度較淺，經(jīng)探桿試探該區(qū)平均深度約為2 m；氣管區(qū)和氣濾區(qū)的泥漿平均深度約為2.5 m.

3監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

每個區(qū)塊布置一臺7.5 kW的射流泵，做好維護工作，并對各區(qū)塊進行了膜下真空度、地表沉降、土體中孔隙水壓力等監(jiān)測.從2014年11月8日開始抽真空至2015年2月6日停泵，抽真空歷時90 d.抽真空過程中3個區(qū)塊膜下真空度基本一致，均穩(wěn)定在85 kPa以上.

3.1地表沉降

地表沉降能夠直觀地反映真空預(yù)壓的處理效果.3個區(qū)塊真空預(yù)壓過程中的總沉降：濾管區(qū)280 mm、氣管區(qū)364 mm、汽濾區(qū)402 mm.沉降速率初期可達10～20 mm/d，70 d后平均沉降速率已低于2 mm/d，趨于穩(wěn)定.各分區(qū)的沉降歷時曲線見圖5.

從沉降時程曲線看，氣管區(qū)沉降量明顯大于濾管區(qū)沉降量，這是由于氣管直吸系統(tǒng)排水板芯通過板帽、氣管與真空泵直接相連，泵與排水板之間是密封直通的，真空傳遞幾乎沒有損失.而濾管系統(tǒng)排水板芯要透過板芯外面包裹的濾布、濾管外面包裹的濾布、濾管與真空泵相連，泵與排水板之間多了2層濾布，真空傳遞有一定損失，影響了處理效果.

圖5　各分區(qū)表面沉降時程曲線

將氣濾區(qū)和氣管區(qū)相比較，在抽真空的前45 d，兩區(qū)的沉降曲線基本一致.但45 d后，氣濾區(qū)停止氣管抽吸，開啟濾管抽吸，之后其沉降量明顯超過氣管區(qū)沉降量，由此說明二次抽吸系統(tǒng)即第二部分濾管及其下的排水板發(fā)揮作用且超過了單一氣管抽吸系統(tǒng).

3.2孔隙水壓力消散

根據(jù)有效應(yīng)力原理，排水固結(jié)就是土中超靜孔隙水壓力消散，有效應(yīng)力增長的過程.對于真空抽吸方法來說，就是土中孔隙水壓力負向增長形成有效應(yīng)力增長的過程.本次試驗中監(jiān)測了泥漿土中孔隙水壓力的變化，1.2 m深度處各區(qū)超靜孔隙水壓力消散(負壓增長)結(jié)果見圖6.

圖6　各分區(qū)超靜孔隙水壓力消散時程曲線

由圖6可知，在真空抽吸作用下，泥漿土中負向孔隙水壓力增長明顯，氣管區(qū)比濾管區(qū)的負向孔隙水壓力增長更大.氣濾區(qū)與氣管區(qū)在抽真空期間的前45 d孔隙水壓力曲線基本重合，但在45 d后，氣濾區(qū)停止氣管抽吸開啟濾管抽吸，負向孔隙水壓力增長明顯超過單一氣管區(qū).

由監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知,氣濾區(qū)的處理效果最好，其原因是：由于泥漿土呈流動狀，在經(jīng)過一段時間的真空抽吸之后，泥漿中部分細小土顆粒也會向排水板處集聚，導致排水板淤堵.經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn)，淤堵使排水板濾膜的滲透系數(shù)降低到原來的1/12，這直接導致排水板的排水功能嚴重下降.但這時開啟第二部分未受淤堵的濾管排水板可以起到新打設(shè)排水板的排水效果，即氣濾區(qū)的二次抽吸系統(tǒng)可以使排水板的淤堵影響降到最低.

4處理效果檢測

處理結(jié)束后，在各分區(qū)分別做了原位十字板剪切試驗、載荷板試驗，并同時取土進行室內(nèi)土工試驗，以進一步了解泥漿池的處理效果.

4.1十字板剪切試驗

各分區(qū)的十字板剪切強度均有顯著提高，其中氣濾區(qū)的表層十字板強度更是達到了23.5 kPa，從各分區(qū)同一深度處的十字板剪切強度來看，均是氣濾區(qū)最高，氣管區(qū)次之.濾管區(qū)2.2 m深度的十字板剪切強度達到了30.5 kPa，這是由于此深度已經(jīng)到達原狀土的原因.處理后各分區(qū)的十字板強度見圖7.

圖7　處理后各分區(qū)的十字板剪切強度

4.2平板載荷試驗

平板載荷試驗是確定地基承載力最直接的檢測方法，處理結(jié)束后，在各分區(qū)分別做了平板載荷試驗，載荷板是邊長為1 m正方形鋼板.根據(jù)平板載荷試驗試驗結(jié)果，按照規(guī)范[13]，確定各分區(qū)的地基承載力特征值分別是濾管區(qū)51 kPa、氣管區(qū)57 kPa、氣濾區(qū)66 kPa，采用二次真空抽吸系統(tǒng)的氣濾區(qū)處理效果最優(yōu).

4.3取樣試驗

為進一步檢測泥漿池的處理效果，了解處理后泥漿土的物理力學性質(zhì)變化，處理后各分區(qū)還進行了取樣室內(nèi)試驗如果如表3所示.

表3　處理后泥漿土物理力學性質(zhì)指標

從室內(nèi)試驗結(jié)果看，經(jīng)處理后泥漿土的含水率均有較大幅度的降低，即從60%以上普遍降低到45%左右；剪切強度超過了17 kPa，其中氣濾區(qū)直剪快剪試驗的剪切強度最高，達到了20 kPa.完全達到了預(yù)期要求.

綜合以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)：無論是原位試驗還是室內(nèi)試驗，檢測結(jié)果均是采用二次抽吸模式的氣濾區(qū)為最優(yōu).這是由于在先進行了一段時間的氣管系統(tǒng)抽吸后，泥漿的物理力學性質(zhì)得到了很大的改善，有了一定的強度，此時再開啟第二部分抽吸系統(tǒng)，減弱了濾管系統(tǒng)排水板的淤堵，保證了排水板的排水通暢，有利于泥漿土的固結(jié).

5結(jié)論

(1)通過現(xiàn)場踏勘及取樣室內(nèi)試驗，發(fā)現(xiàn)泥漿土與超軟土具有類似的工程性質(zhì)，因此，可以采用既經(jīng)濟又環(huán)保的真空預(yù)壓方法對泥漿池進行處理.

(2)設(shè)置了3種不同排水系統(tǒng)對泥漿池進行了真空預(yù)壓方法處理，結(jié)果表明：氣管區(qū)處理效果優(yōu)于濾管區(qū)，其中氣濾區(qū)的氣管-濾管結(jié)合的二次抽吸方法可以在一定程度上規(guī)避排水板的淤堵，效果最優(yōu).處理后各分區(qū)的地基承載力均有顯著提高，可以作為一般過程場地，真空預(yù)壓方法可在類似工程中推廣.

(3)經(jīng)初步計算，試驗區(qū)3種方法的費用：濾管區(qū)約為55元/m2，氣管區(qū)約為60元/m2，氣濾管區(qū)約為75元/m2，而常規(guī)的化學固化法費用約為130元/m3，對于一般建筑場地承載能力50 kPa要求，可采用濾管區(qū)的真空抽吸方法進行處理；對于較高的承載能力要求(80 kPa以下)，可采用氣管區(qū)的真空抽吸方法或氣濾區(qū)的二次抽吸方法進行處理.

參考文獻：

[1]伍丹丹，楊旭，李穎，等．土地處理法處理鉆探泥漿的土壤特性研究[J]．污染防治技術(shù)，2006，19(3)：3-5．

[2]萬玉綱，余學海．樁基工程泥漿水處理技術(shù)[J]．環(huán)境工程，1999，17(1)：14-15．

[3]劉勇健，沈軍，張建龍．廢泥漿固液分離的試驗研究[J]．廣東工業(yè)大學學報，2000，17 (2)：53-56，75．

[4]歐孝奪，曹凈，周東．廣西平果鋁尾礦泥漿化學絮凝處理試驗研究[J].巖土工程學報,2003,25(2):201-203.

[5]王冀川．川東北地區(qū)鉆井廢棄泥漿固化法處理技術(shù)及運用[J]．科技創(chuàng)業(yè)月刊，2007，20(11)：185-187．

[6]董婭瑋．廢棄鉆井泥漿固化處理技術(shù)研究[D].西安：長安大學環(huán)境科學與工程學院，2009．

[7]肖遙，王蓉沙，鄧皓．廢棄鉆井液化學強化固液分離處理[J]．中國環(huán)境科學，2000，20(5)：453-456．

[8]樓春暉，張忠苗，房凱．泥漿壓濾處理技術(shù)理論分析及試驗研究[J]．土木建筑與環(huán)境工程，2012，34(6)：57-61．

[9]林生法，范明橋，姜彥彬，等．氣管直吸聯(lián)合覆膜真空預(yù)壓現(xiàn)場試驗研究[J]．中國港灣建設(shè)，2014(7)：34-38．

[10]張志允，翟國民，張明晶．堆載預(yù)壓法和真空預(yù)壓法加固機理的比較研究[J]．巖土工程界，2002，5(11)：24-26．

[11]董江平，張雄壯，洪雷，等．無砂墊層真空預(yù)壓法提高吹填淤泥地基承載力試驗研究[J]．水利與建筑工程學報，2010，8(4)：131-133，180．

[12]婁炎．真空排水預(yù)壓法加固軟基技術(shù)[M].2版．北京：人民交通出版社,2013．

[13]建設(shè)部.巖土工程勘察規(guī)范:GB/T 50021—2001[S]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

Experimental Study on Construction Waste Slurry Treatment by Vacuum Preloading

WEI Yanbing1,2， FAN Mingqiao1， LIN Shengfa1， XU Kai1， WU Zhiqiang1

(1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China； 2.College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China)

Abstract:In order to seek more economic and environmental protection treatment methods. Three different vacuum preloading methods were adopted in this paper to study the treatment of building mud pool, and monitoring data of settlement and pore water pressure were analyzed. After unloading, the field vane test and plate loading test were conducted to detect the bearing capacity of foundation. Moreover, the physical and mechanical parameters of soil were compared. The results show that the foundation bearing capacity of different sites has been improved significantly, and the combination of air pipe and chimney filter can get a better treatment effect.

Key words:construction waste slurry; vacuum preloading; settlement; pore water pressure; bearing capacity of foundation .

收稿日期:2015-03-22；

修訂日期：2015-05-06

基金項目：水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費資助項目(201401006)

通信作者：范明橋(1962—)，男，安徽定遠人，南京水利科學研究院教授級高級工程師，主要從事地基處理及土的基本性質(zhì)測試理論等方面的研究，E-mail：mqfan@nhri.cn.

文章編號:1671-6833(2016)01-0065-05

中圖分類號：TU472.99

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201503055

引用本文:魏雁冰， 范明橋，林生法，等.建筑廢棄泥漿真空預(yù)壓方法處理試驗研究[J].鄭州大學學報(工學版)，2016,37(1):65-69.