沿海灘涂圍墾中市政道路工程中的海泥固化處理技術(shù)

沿海灘涂圍墾中市政道路工程中的海泥固化處理技術(shù)

作為浙江省海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展示范區(qū)的建設(shè)一部分，臺(tái)州沿海經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)已正式納入國(guó)家戰(zhàn)略。如今臺(tái)州在勾畫(huà)的沿海產(chǎn)業(yè)帶主區(qū)域內(nèi),已圍墾灘涂5000hm2,在圍19000多hm2,總的基礎(chǔ)設(shè)施投入超過(guò)168億元。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中市政道路工程建設(shè)首當(dāng)其沖,但在圍墾灘涂中進(jìn)行市政道路施工會(huì)碰到如下問(wèn)題:1)表層淤泥含水率高、承載力低于50kPa,施工機(jī)械無(wú)法進(jìn)場(chǎng);2)根據(jù)防洪要求,道路標(biāo)高普遍不夠,需要填高;3)按照傳統(tǒng)方法采用拋石擠於填筑石渣時(shí),路基沉降量大,且由于破壞生態(tài),開(kāi)山炸石這種獲取石料來(lái)源的方法正在逐步被限制;4)采用吹泥堆高再進(jìn)行打設(shè)塑料排水板和真空預(yù)壓技術(shù)處理,成本高且電力設(shè)施使用條件受限。針對(duì)上述問(wèn)題,筆者單位和臺(tái)州正坤造地工程有限公司運(yùn)用CSA海泥固化劑對(duì)灘涂進(jìn)行原位固化并進(jìn)行海泥固化攤鋪碾壓等技術(shù)研究,遴選施工機(jī)械,不斷改進(jìn)施工工藝,修建的試驗(yàn)路段已滿足市政道路路基的相關(guān)規(guī)范要求,可以進(jìn)行全面推廣。1西高東低、南高北低海涂試驗(yàn)路段位于臺(tái)州市椒江區(qū)十一海塘洪山路以北,距離十塘堤壩以東約1.5km處,為浙東南沿海平原類型區(qū)。試驗(yàn)路段全部為海涂低地,灘涂面呈西高東低、南高北低形態(tài),黃海高程為-0.2～2.5m,灘涂面由中間向南北兩側(cè)微傾,屬淤漲型海涂。勘探表明,圍區(qū)內(nèi)50m深的淺土層可分為4個(gè)地質(zhì)層、10個(gè)亞層,分別為:(1)-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、(2)-1層淤泥、(2)-2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、(3)-1層淤泥質(zhì)黏土、(3)-2層淤泥、(3)-3層淤泥質(zhì)黏土、(3)-4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、(4)-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、(4)-2層黏土和(4)-3層粉質(zhì)黏土。2試驗(yàn)路段中表層泥石流干化情況的分析海泥的表層含水率在54.5%左右,從后期大量的取樣結(jié)果來(lái)看,含水率普遍在50%～60%。另外,課題組還在試驗(yàn)路段中表層淤泥干化情況較好處選取了4個(gè)點(diǎn),分別進(jìn)行靜荷載試驗(yàn),結(jié)果表明試驗(yàn)路段海泥層靜荷載承載力特征值在25kPa左右,實(shí)際荷載不超過(guò)30kPa,屬于典型的軟泥層,無(wú)法應(yīng)付一般的施工機(jī)械進(jìn)場(chǎng),甚至人都無(wú)法正常行走。3csa海洋污泥固結(jié)性能研究3.1充填固化劑的開(kāi)發(fā)1)CSA海泥固化劑以硅鋁基工業(yè)廢渣為主材,實(shí)現(xiàn)低鈣基固化,克服了傳統(tǒng)高鈣水泥基材的消極因素,實(shí)現(xiàn)淤泥固化同相或類同相接觸。2)結(jié)合當(dāng)?shù)氐脑牧虾蜕a(chǎn)條件,以椒江十一塘的海泥為典型淤泥,磨細(xì)礦粉為主要原材料,采用硅酸鹽水泥、石灰、硅灰、粉煤灰等材料復(fù)配,以高效激發(fā)劑和活化劑制備母料,選定固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)性等力學(xué)性能指標(biāo)為統(tǒng)一檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)比不同強(qiáng)度等級(jí)的水泥,開(kāi)發(fā)出專用的CSA-Ⅰ型和CSA-Ⅱ型海泥固化劑,確定海泥固化劑的生產(chǎn)要求和質(zhì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn),形成可市場(chǎng)化的固化劑產(chǎn)品。3.2水率的變化含水率是土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)之一,反映土的干濕狀態(tài)。含水率的變化將使土的一系列力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變化。選取CSA固化劑的3種不同摻量分別進(jìn)行海泥固化,測(cè)試其固化前后7,14,28,60d海泥固化土的含水率,其結(jié)果見(jiàn)表1。3.3不同固化劑對(duì)海泥固化土塑性指數(shù)的影響選取3種不同CSA固化劑摻量且在不同齡期下的海泥固化土,測(cè)試其液塑限,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。隨著CSA固化劑摻量的增加,海泥固化土的塑限持續(xù)增大,塑性指數(shù)則顯著減小,降低了1個(gè)等級(jí)。結(jié)合顆粒分析結(jié)果,按照土質(zhì)統(tǒng)一分類法,海泥固化前可稱為中低液限黏土,固化改性后海泥變成了中低液限黏質(zhì)粉土或砂質(zhì)粉土。3.4固化土含水率分析擊實(shí)試驗(yàn)是測(cè)定土在一定功能作用下密度和含水率的關(guān)系,以確定最大干密度和相應(yīng)的最優(yōu)含水率的試驗(yàn)方法。在工程中,土的碾壓含水率與土壓實(shí)程度密切相關(guān),而壓實(shí)度又與土基的滲透性能和耐水性能相互聯(lián)系,所以工程填土?xí)r必須先以室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為依據(jù)來(lái)進(jìn)行工程質(zhì)量控制?？紤]到實(shí)際應(yīng)用情況,對(duì)海泥及CSA摻量為4%、6%的海泥固化土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn),擊實(shí)曲線見(jiàn)圖1。對(duì)比圖1中2種海泥固化土和原海泥的最大干密度和最優(yōu)含水率,可以看出:1)增大固化劑摻量,可提高海泥固化土的最優(yōu)含水率和最大干密度。海泥的最優(yōu)含水率為18.06%,CSA摻量為4%和6%的海泥固化土最優(yōu)含水率分別為23.56%和25.58%,這表明固化劑摻量越大,最優(yōu)含水率提高幅度越大。2)CSA摻量6%的海泥固化土,其最優(yōu)含水率較原海泥提高了7個(gè)百分點(diǎn),分析其原因?yàn)?一方面,海泥固化土對(duì)碾壓時(shí)的最佳含水率控制較原海泥容易,在含水率較高時(shí)就可以進(jìn)行碾壓;另一方面,土性也確實(shí)發(fā)生了改變。3.5海洋污泥固結(jié)的力學(xué)性質(zhì)3.5.1直接剪切強(qiáng)度海泥固化土的直接剪切試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。3.5.2無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表4為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下海泥固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,并對(duì)比測(cè)試了養(yǎng)護(hù)7d和28d及浸泡24h后海泥固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。3.5.3海泥固化土的軟化系數(shù)未經(jīng)處理的海泥在蒸發(fā)失水后會(huì)在表面形成硬殼層,總體上也具有一定的強(qiáng)度,但很不穩(wěn)定。如將含水率為54.5%的海泥置于室外晾曬2d后,樣品普遍呈堅(jiān)硬狀,個(gè)別樣品沿層出現(xiàn)微裂隙。將它們重新置于水中浸泡,結(jié)果所有的干海泥樣品迅速崩解并均在0.5h內(nèi)化為一攤泥。其原因是海泥在干燥狀態(tài)下,土中自由水及大部分結(jié)合水全部失去,土粒間的黏聚力大部分喪失,膠體化學(xué)作用已全部退化,可見(jiàn)海泥的耐水穩(wěn)定性是很差的。通常,材料水穩(wěn)定性能的優(yōu)劣可以用軟化系數(shù)來(lái)表征,軟化系數(shù)越小,說(shuō)明材料飽水后的強(qiáng)度降低越多,其耐水性越差。此次試驗(yàn)采取的測(cè)試方法是:將標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7d和28d的固化土試樣放入水中(水溫15～20℃),浸泡24h后,濾干表面水分,測(cè)定試塊的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,記為P1;未浸泡的固化土試樣的28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度記為P0。軟化系數(shù)的計(jì)算方法如下:海泥固化土養(yǎng)護(hù)7d和28d的軟化系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,海泥固化土均沒(méi)有出現(xiàn)原始海泥遇水軟化崩解的趨勢(shì)?？傮w而言,海泥固化土的軟化系數(shù)值都是較高的,而且浸泡后各組試件的表面完整無(wú)變化,相比原始海泥具有較好的耐水性。從數(shù)據(jù)中可看出,浸泡24h后,不同摻量、不同齡期的海泥固化土的軟化系數(shù)不同?？傮w而言,低摻量條件下,軟化系數(shù)最小,最低為0.9左右;當(dāng)摻量超過(guò)6%后,其軟化系數(shù)基本上超過(guò)1.0,甚至浸水后,其強(qiáng)度短期內(nèi)還可得到提高。這反映出固化劑摻入越多,其水穩(wěn)性越好。3.5.4固化劑對(duì)海泥壓縮系數(shù)和壓縮模量的影響施加50,100,200,400kPa4級(jí)軸向壓力進(jìn)行壓縮性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。原始海泥的壓縮系數(shù)和壓縮模量分別為:av=1.099MPa-1,Es=2.354MPa。從表6中可看出,摻入固化劑后,壓縮系數(shù)降低,壓縮模量增大。從數(shù)據(jù)上來(lái)看,固化劑摻量越大,壓縮系數(shù)越小,壓縮模量越大;齡期越長(zhǎng),壓縮系數(shù)越小,壓縮模量越大。3.5.5固化土干縮變形速率收縮試驗(yàn)是在溫度為(20±3)℃、相對(duì)濕度(60±5)%的恒溫干燥室內(nèi)進(jìn)行,從齡期2d后開(kāi)始對(duì)試件觀測(cè),觀測(cè)值計(jì)算公式為:各齡期試件的收縮值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。試驗(yàn)結(jié)果表明,海泥在摻入固化劑后的干縮變形速率與齡期關(guān)系密切,一般初期變化急劇,后期變化緩慢,一定齡期后變形趨于穩(wěn)定?？傮w上海泥固化土的干縮變形小于原始海泥自身的干縮變形。CSA海泥固化土的干縮性能也得到了明顯改善,摻量提高后,收縮系數(shù)更小。4路床土土力學(xué)試驗(yàn)針對(duì)在灘涂上修筑市政道路時(shí)面臨的問(wèn)題,我們利用固化技術(shù)設(shè)計(jì)并修筑了1條試驗(yàn)路床,并對(duì)該路床進(jìn)行了靜荷載、彎沉、自然沉降和現(xiàn)場(chǎng)土土力學(xué)試驗(yàn)等相關(guān)檢測(cè)。試驗(yàn)路段位于試驗(yàn)總體設(shè)計(jì)圖中D區(qū),長(zhǎng)100m,寬30m,其斷面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。其中下層原位固化區(qū)處理深度為1.0m,固化劑摻量為10%;上層覆蓋海泥固化土層高度為0.5m,固化劑摻量為10%。4.1原位海泥固化法根據(jù)設(shè)計(jì)施工摻量(10%)及處理深度(100cm),將固化劑攤鋪在需要固化的海泥表面,由2種專門攪拌設(shè)備將海泥與固化劑按指定深度進(jìn)行挖掘拌和,拌和5～6遍,至相對(duì)均勻?yàn)橹埂?duì)拌和完成的海泥,進(jìn)行表面整平,振打密實(shí)。完成原位固化后,在工作平臺(tái)上挖取周邊海泥,按摻量比例將固化劑拌入海泥中,由挖機(jī)拌和5～6遍,攤鋪在原位固化層表面。海泥固化土層分2層填筑,每層按25～30cm厚度進(jìn)行攤鋪,第1層經(jīng)挖機(jī)平整、拍打、碾壓后,再進(jìn)行第2層固化土攤鋪碾壓,養(yǎng)護(hù)14d后形成路床。固化3個(gè)月后,對(duì)該試驗(yàn)段進(jìn)行靜荷載檢測(cè)(設(shè)置6個(gè)檢測(cè)點(diǎn)),彎沉值測(cè)試(設(shè)置30個(gè)檢測(cè)點(diǎn)),固化后自然沉降觀測(cè)(設(shè)置12個(gè)觀測(cè)點(diǎn))。固化6個(gè)月后,現(xiàn)場(chǎng)取6個(gè)芯樣,測(cè)試其相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)。4.2試驗(yàn)結(jié)果4.2.1靜態(tài)負(fù)荷試驗(yàn)在試驗(yàn)路段上進(jìn)行靜荷載試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表8。4.2.2沉降觀測(cè)時(shí)間及降壓量與原位固化不同,上層覆土后形成的自重壓力會(huì)對(duì)下臥軟土層造成一定的工后沉降,而且考慮到路床對(duì)沉降的要求,在3000m2的路床上,設(shè)置12個(gè)自重沉降點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè),選擇具有代表性的6個(gè)觀測(cè)點(diǎn),其觀測(cè)時(shí)間及沉降量見(jiàn)表9。從表9中可看出:累計(jì)沉降量在工后60d左右基本上處于穩(wěn)定,總體沉降量最大為26mm,最小為14mm?？傮w而言,沉降量對(duì)于路床而言并不算大。4.2.3土體抗壓強(qiáng)度分析在路床上3個(gè)不同地方取芯,取芯深度在0.3～0.5m處,其物理力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表10。從表10中可看出:固化劑10%摻量,養(yǎng)護(hù)210d后,土體抗壓強(qiáng)度最高處達(dá)到4.02MPa,這一數(shù)值遠(yuǎn)高于試驗(yàn)室數(shù)據(jù)。分析其原因有2方面:一方面室外覆蓋養(yǎng)護(hù)加之養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng),其強(qiáng)度增長(zhǎng)比較理想;另一方面由于上層覆蓋土為壓制成型,化學(xué)固化加之物理壓力同時(shí)存在,導(dǎo)致土體接觸更為緊密,反應(yīng)更劇烈,因此強(qiáng)度更高。4.2.4影響因素驗(yàn)算實(shí)際彎沉值計(jì)算公式:式中:L為實(shí)際彎沉值,0.01mm;L-為彎沉平均值,0.01mm;λ為保證率系數(shù);S為彎沉標(biāo)準(zhǔn)差,0.01mm;K1為季節(jié)影響系數(shù);K2為溫度影響系數(shù);K3為溫度修正系數(shù);K4為車輛換算系數(shù)。經(jīng)計(jì)算,L=0.268mm。根據(jù)JTGF10-2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》中提供的回歸方程:l0=9308×E0-0.938,確定回彈模量E0=511.6MPa。5海泥增強(qiáng)充填農(nóng)業(yè)根據(jù)近2年固化板塊的試驗(yàn)及檢測(cè)結(jié)果,總結(jié)其工效和造價(jià)情況如下:采用灘涂海泥原位固化0.8～1.0m,加攤鋪碾壓固化海泥0.5～0.6m,CSA海泥固化劑摻入量6%～10%,用普通挖掘機(jī)施工,按每天1個(gè)臺(tái)班8h計(jì),每個(gè)臺(tái)班單臺(tái)挖機(jī)處理作業(yè)量為300～400m2;海泥原位固化拌和7d后,拌和