水泥固化劑改善吹填超軟土滲透特性研究

張華

（同濟(jì)大學(xué)，上海 200092）

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，土地資源短缺成為限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大難題，為此，大量的吹填工程應(yīng)運(yùn)而生[1-2]。為便于滿足現(xiàn)場(chǎng)管道運(yùn)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]?，F(xiàn)場(chǎng)處置方法多為真空預(yù)壓處理，但是由于超軟土顆粒較細(xì)、滲透性能差等原因，在真空預(yù)壓過(guò)程中，往往會(huì)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(dá)不到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)[5]。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)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(chǎng)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(guò)改善土體性質(zhì)，從而從根本上解決淤堵問(wèn)題[10]。

絮凝—真空預(yù)壓就是通過(guò)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(xì)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(tuán)，形成大顆粒，從而達(dá)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?yàn)樗芯恐黝}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(kāi)展不同水泥摻量對(duì)超軟土的滲透特性研究。

1 水泥摻量對(duì)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(duì)超軟土的絮凝效果。

試驗(yàn)所用土體為上海第四層軟土，液限為40.2。通過(guò)自然風(fēng)干、粉碎，過(guò)0.01mm 篩，然后根據(jù)目標(biāo)含水率120.6%（3 倍液限），配置試驗(yàn)所需超軟土。泌水試驗(yàn)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(guò)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(guò)程成也能發(fā)現(xiàn)，隨著5%水泥加入，攪拌時(shí)越來(lái)越黏稠，只有最開(kāi)始有2mm 泌水，泌水3d 針刺表面不愈合，說(shuō)明已基本達(dá)到固化狀態(tài)。除此之外，2%和1%水泥摻量在7d 時(shí)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(shí)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(yàn)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(duì)超軟土的固結(jié)特性研究

傳統(tǒng)固結(jié)試驗(yàn)的環(huán)刀只有20mm 高，雷華陽(yáng)等[14]研究過(guò)尺寸效應(yīng)，為更好通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，本文將環(huán)刀尺寸改為100mm 高。試驗(yàn)土樣為泌水結(jié)束后量筒內(nèi)同一高度的土樣，分7 級(jí)加載，初始荷載6.5kPa，最高荷載400kPa。通過(guò)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(guò)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?yàn)楹奢d在100kPa 以下時(shí)，5%水泥摻量的超軟土基本無(wú)固結(jié)沉降，所以沒(méi)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(huì)超過(guò)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(guò)開(kāi)展不同水泥摻量條件下，超軟土的泌水和固結(jié)試驗(yàn)，研究水泥作為絮凝劑，通過(guò)半固化超軟土，從而改善超軟土滲透性，達(dá)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(dá)到5%的時(shí)候，土體基本無(wú)泌水，已達(dá)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(jì)效益，現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)，后續(xù)可開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)，從而能更好地反映現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。