輕質(zhì)淤泥固化土技術(shù)在圍墾區(qū)市政道路中的應(yīng)用

0 引言

我國沿海圍墾吹填區(qū)的道路，傳統(tǒng)的做法是在真空或堆載預(yù)壓處理后，再采用宕渣或山皮土等材料進(jìn)行路床填筑，形成一層硬殼層，然后再進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的施工。隨著現(xiàn)代社會對環(huán)境保護(hù)的越來越重視，淤泥的廢棄場地難以落實，需開挖山體而取得的土石混合料也越來越緊缺，若仍采用傳統(tǒng)的路基處理方式，顯得既不經(jīng)濟(jì)也不環(huán)保。同時宕渣或山皮土等材料由于自身密度大，對地基承載力要求較高，作為路床處理材料填筑后會產(chǎn)生較大的自重荷載，后期的工后沉降大，因此對地基處理的要求較高。淤泥土的輕質(zhì)固化技術(shù)是利用固化劑對游泥等軟弱土體就地進(jìn)行改良固化，使土體達(dá)到一定強(qiáng)度以滿足地基強(qiáng)度穩(wěn)定性等工程技術(shù)要求，同時通過發(fā)泡工藝實現(xiàn)土體的輕質(zhì)化，從而降低自重，減小道路的附加荷載，從而達(dá)到減少道路工后沉降的目的，對于圍墾吹填區(qū)的道路淺層地基處理尤其適用。

目前國內(nèi)對于淤泥固化輕質(zhì)土已進(jìn)行了大量的理論研究和室內(nèi)試驗工作，主要成果是以淤泥為原料土，摻加水泥、粉煤灰、石膏、礦渣等作為固化材料，并通過摻加EPS顆粒，實現(xiàn)淤泥的固化和輕質(zhì)化。但由于吹填土主要為淤泥和淤泥質(zhì)粘土，而EPS顆粒為輕質(zhì)憎水性材料，容重很小，與吹填淤泥親合力小，界面粘結(jié)力弱，所以在攪拌過程中很容易造成EPS顆粒上浮，從而使土體出現(xiàn)明顯的分層或離析，嚴(yán)重影響其和易性和施工性能。

溫州圍墾區(qū)市政道路項目試驗段路床處理采用輕質(zhì)淤泥固化土技術(shù)，其主要機(jī)理是通過往淤泥中加入特定固化劑，與泥漿攪拌共融產(chǎn)生水化、交換、吸附、活化反應(yīng)，再與發(fā)泡劑溶液一起混合發(fā)泡，經(jīng)物理化學(xué)作用，泥狀物中的水、土顆粒充分凝結(jié)硬化進(jìn)而形成穩(wěn)定、密實的結(jié)構(gòu)硬化形成輕質(zhì)淤泥固化土，經(jīng)該技術(shù)處理后的淤泥固化土孔隙比減小，含水率降低，壓縮性減小，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性較之淤泥有極大幅度的提高。

本文以該項目為依托，結(jié)合輕質(zhì)淤泥固化土的實驗及檢測成果，統(tǒng)計分析處理前后土體特性、參數(shù)的變化規(guī)律及對工程的適用性，為理論研究提供參考資料，也為以后類似工程的地基處理提供參考依據(jù)。

1 輕質(zhì)淤泥固化土作用機(jī)理

1.1 淤泥固化機(jī)理

根據(jù)固化劑的成分構(gòu)成和固化原理，常用的固化劑大致可以分為四大類，分別為無機(jī)類固化劑、有機(jī)類固化劑、離子類固化劑和生物酶類固化劑。目前，工程上最常用的是水泥、石灰、粉煤灰等無機(jī)類固化劑，經(jīng)固化改良后的土壤用作路基填料，具有較好的力學(xué)性能、水穩(wěn)性能、耐腐蝕性和抗?jié)B性能，且其造價低廉。但其對于高含水量的淤泥處理效果不甚理想，土體強(qiáng)度較低，且一般需加大固化用量，因此帶來較高的經(jīng)濟(jì)成本。

本次采用新型無機(jī)復(fù)合型固化劑，主要成分以水泥、石灰、礦渣、石膏為主，配以一定比例的氧化鋁和鈉鹽活性激發(fā)劑制成，其具有類似水泥的凝結(jié)硬化作用，使淤泥中的水、土顆粒、固化劑充分凝結(jié)硬化形成穩(wěn)定、密實的結(jié)構(gòu)，可有效克服淤泥、淤泥質(zhì)粘土的高含水率，顯著提高其強(qiáng)度、抗?jié)B性能和水穩(wěn)定性。固化劑與淤泥土顆粒充分?jǐn)嚢枞芎?，在?jīng)過水化、火山灰反應(yīng)、置換水反應(yīng)、離子交換作用、土顆粒吸附作用、固化劑與土顆粒間的活性反應(yīng)后固化劑與水、土顆粒充分凝結(jié)硬化進(jìn)而形成穩(wěn)定、密實的結(jié)構(gòu)。

1.2 淤泥土輕質(zhì)化

為了實現(xiàn)固化淤泥土的輕質(zhì)化，需要在固化土中摻入發(fā)泡劑，使土體內(nèi)部產(chǎn)生大量的均勻分布的氣泡，以降低土的容重，同時保證其具有一定的強(qiáng)度，因此發(fā)泡劑在很大程度上決定了淤泥固化輕質(zhì)土的性能。本次研究選用合成類十二烷基苯磺酸鈉陰離子表面活性劑作為發(fā)泡劑，其發(fā)泡倍率≥30。為了保證發(fā)泡劑與泥漿充分?jǐn)嚢杈鶆蛩枰臅r間以及施工期間固化劑凝結(jié)硬化時泥漿時不消泡，采用尼納爾和動物膠作為穩(wěn)泡劑，它通過增大黏度、增強(qiáng)泡沫膜壁的韌性來增強(qiáng)泡沫的穩(wěn)定性，與一般發(fā)泡劑30分鐘標(biāo)準(zhǔn)泡沫泌水率20%~25%相比，它具有更長的穩(wěn)泡時間，消泡時間可延長8~10倍。

2 工程項目應(yīng)用

2.1 項目概況

項目區(qū)位于溫州市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)內(nèi)，甌江與飛云江之間的灘涂。項目區(qū)地貌屬海積平原，現(xiàn)狀場地均為淺灘吹填，軟土分布厚度約30m，各軟土分層厚度及主要參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 巖土分層及其參數(shù)

道路軟基處理首先采用塑料排水板+真空堆載聯(lián)合預(yù)壓進(jìn)行深層處理，一般路段路床采用宕渣進(jìn)行回填，厚度0.8～1.5m。一般路段工后沉降≤30cm，路床頂面回彈模量≥30MPa，設(shè)計彎沉≤310（1/100mm）。

為了對輕質(zhì)淤泥固化土的參數(shù)及路用性能進(jìn)行研究，本次選取次干路二（K0+200～K0+400）作為試驗段，實驗段采用輕質(zhì)淤泥固化土代替宕渣進(jìn)行填筑，路基處理圖見圖1。

圖1 輕質(zhì)淤泥固化路基處理圖

2.2 輕質(zhì)淤泥固化土處理方案

2.2.1 輕質(zhì)淤泥固化土的制備

本次試驗段輕質(zhì)固化土中的淤泥取自于現(xiàn)狀地表吹填土，屬于高液限粘性土。固化劑和發(fā)泡劑分別選用上文新型無機(jī)復(fù)合型固化劑和十二烷基苯磺酸鈉陰離子表面活性劑。

其施工流程如下：首先根據(jù)實驗配合比，往淤泥中加入固化劑和適當(dāng)?shù)乃謹(jǐn)嚢杈鶆颍纬晒袒酀{；然后通過氣泡裝置將稀釋的發(fā)泡劑溶液制備為泡沫，將泡沫與制備的泥漿按照一定的比例混合攪拌，形成泥漿混合料；再通過泵送裝置，將泥漿混合料攤鋪至相應(yīng)的位置，經(jīng)物理化學(xué)作用硬化形成輕質(zhì)淤泥固化土；最后經(jīng)過灑水、養(yǎng)生≥7d后，進(jìn)行路床檢測，合格后再進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)層的施工。

2.2.2 室內(nèi)配合比試驗

在本工程中，輕質(zhì)淤泥固化土主要作為路床填料用于路基的淺層處理，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和密度是主要控制指標(biāo)，用作路床的填料無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一般需達(dá)到0.4MPa～0.6MPa，較輕的填料可以降低自重，減小道路的附加荷載，從而達(dá)到減少道路工后沉降的目的。受篇幅所限，本文僅研究固化劑摻量、固化土密度、養(yǎng)護(hù)齡期對輕質(zhì)淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，通過不同的配合比實驗，確定合適的固化劑、發(fā)泡劑摻入比，以應(yīng)用于項目中。

以往研究表明，固化劑摻量是影響輕質(zhì)淤泥固化土強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一，當(dāng)固化劑摻量在10%～20%之間時，輕質(zhì)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)0.2MPa～1.2MPa。本次按照按不同摻量的固化劑和泡沫溶液制備固化淤泥輕質(zhì)土試件，固化劑的摻量采用75kg～175kg，密度600kg/m～800kg/m，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。

通過圖2可知：輕質(zhì)淤泥固化土的密度主要與發(fā)泡劑的摻量有關(guān)，固化劑摻量一定時，其密度隨著發(fā)泡劑摻量的增加而減??；固化劑的摻量對固化土的密度影響相對較小，發(fā)泡劑摻量一定時，固化土的密度隨著固化劑摻量的增加而增加。

圖2 輕質(zhì)淤泥固化土密度與固化劑、發(fā)泡劑摻量的關(guān)系曲線

通過圖3可知：固化劑和發(fā)泡劑的摻量（固化土的密度）對輕質(zhì)淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大，當(dāng)固化劑摻量在100kg～200kg之間時，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.19MPa～1.16MPa之間，隨著固化劑摻量的增加，固化土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，基本呈線性關(guān)系；固化劑摻量相同時，固化土的抗壓強(qiáng)度隨著發(fā)泡劑摻量的增加（固化土密度的減小）而減小。

圖3 輕質(zhì)淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與固化劑、發(fā)泡劑摻量的關(guān)系曲線

通過圖4可知：固化劑摻量（150kg/m）固定時，不同發(fā)泡劑摻量（不同密度）的固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的延長而增加，前期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長較快，28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到90d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的85%～90%；28d后強(qiáng)度雖有提高，但逐漸趨于平緩，90d時強(qiáng)度已基本不再增長。

圖4 不同摻量輕質(zhì)淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線

結(jié)合室內(nèi)實驗結(jié)果，綜合考慮造價因素，設(shè)計輕質(zhì)淤泥固化土的固化劑摻量采用150kg/m，發(fā)泡劑摻量采用1.20L/m。

2.2.3 現(xiàn)場檢驗

為了對路床處理的效果進(jìn)行分析，本次通過彎沉及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度來評定路床處理效果是否滿足預(yù)期要求。

彎沉檢測檢測結(jié)果如下：最大彎沉值147.3（1/100mm），最小彎沉值115.4（1/100mm），代表彎沉值137.6（1/100mm），均遠(yuǎn)小于設(shè)計彎沉310（1/100mm）的要求。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測結(jié)果如下：芯樣最大密度784kg/m，最小密度755kg/m，平均密度769kg/m；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值0.62MPa，最大值0.73MPa，平均值0.66MPa，較室內(nèi)試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度低約15%，但已達(dá)到公路底基層0.6MPa的強(qiáng)度要求。

3 路基處理方案對比分析

本項目一般路段路床采用常規(guī)工藝宕渣進(jìn)行填筑，實驗段采用輕質(zhì)淤泥固化土填筑，路床平均處理厚度1.2m。本次從路床頂面彎沉、工后沉降、工程造價及施工工藝等幾個方面進(jìn)行對比分析，結(jié)果見表2。

表2 路基處理方案對比表

通過對比分析可知：與宕渣相比，輕質(zhì)淤泥固化土具有更好的板體性，更能適應(yīng)軟土路基的不均勻沉降；不考慮廢棄淤泥的外運處理情況下，兩者造價基本相當(dāng)，如考慮廢棄淤泥的外運處理費用，輕質(zhì)淤泥固化土方案具有明顯的優(yōu)越性；輕質(zhì)淤泥固化土的施工工藝相對較復(fù)雜，工期較長。

4 結(jié)語

①針對圍墾吹填產(chǎn)生的淤泥，通過摻加新型固化劑、發(fā)泡劑，使其改良成為高強(qiáng)、輕質(zhì)、穩(wěn)定的路用材料——輕質(zhì)淤泥固化土，土體的各項物理力學(xué)指標(biāo)均得到明顯改善，可有效減少道路工后沉降，提高路基承載力，節(jié)約工程投資，滿足道路及配套設(shè)施建設(shè)要求。②輕質(zhì)淤泥固化土可充分利用圍墾吹填的淤泥，使廢棄淤泥改良為輕質(zhì)材料再利用成為可能，本項目僅就其改良作為路床填料進(jìn)行研究，其具有輕質(zhì)、高流動性的特點，施工時不需機(jī)械碾壓、震搗，在橋頭路基處理、管道管廊回填等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。③隨著不同地區(qū)地質(zhì)條件差異，輕質(zhì)淤泥固化土的28d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不同，建議根據(jù)室內(nèi)平行試驗和現(xiàn)場試驗成果綜合確定合適的固化劑、發(fā)泡劑摻量及配比，以保證固化土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求。