淤泥固化技術在圍墾工程建設中的初步應用研究

夏永成,陳秀良,2,吳文華,2

(1.浙江廣川工程咨詢有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

近年來,隨著浙江經濟的快速平穩發展,人多地少的矛盾日益突出,圍墾造地是浙江省緩解土地緊張狀況、拓展經濟發展空間的重要措施。在圍墾工程建設中,海堤閉氣土方往往就地取材,就近取表層淤泥及淤泥質土。該層土天然含水率高、壓縮性高、抗剪強度低、穩定性差、承載能力低,必將造成閉氣土穩定邊坡緩、占地大,不利于濕地生態保護;必將造成施工速度慢,建設工期長,無法滿足 “又好又快”圍墾建設的要求。由于傳統的石灰、水泥、粉煤灰等土壤固化材料,存在質量不能滿足要求、造價高等諸多不足,自20世紀60年代以來[1-2],許多新型固化材料不斷研究并在廣東、海南、北京等鐵路、公路、水利工程中應用,取得了較好的社會、市場、經濟和環保效益。然而,新型固化材料在浙江省的研究與應用尚處于探索階段,因此,有必要開展海堤閉氣土方填筑淤泥固化技術的研究。本文主要通過典型土樣室內強度試驗對固化劑性能進行研究比選,并結合經濟性、施工工藝分析,提出淤泥固化技術可應用于海堤閉氣土方填筑的初步結論。

2 室內試驗

2.1 固化劑與土樣選擇

按照具備環保性能、固化技術成熟,生產運輸方便、經濟性、高效性、適應性強、工程應用效果良好等原則,經大量調研,選擇A型固化劑進行室內試驗,并有針對性地選擇了浙江省溫州、臺州地區土樣,試驗土樣基本物理性質指標見表1。

表1 土樣基本物理性質指標表

2.2 室內試驗

根據有關規范規程[3-4]進行了室內試驗分析,對選定的固化劑按不同的摻入量(4%,6%,7%,8%,10%)在標準養護條件 (無水環境)下,測定不同齡期 (7,28,90 d)的無側限抗壓強度,并根據試驗成果,確定固化劑的最佳摻入量。同時按最佳摻入量在標準養護條件(無水環境)及模擬水環境條件(浸水養護)下,進行初、終凝時間與不同齡期 (1,3,7,14,28 d)時含水率、無側限抗壓強度 (qu)及7,14 d齡期時的快剪試驗。

3 淤泥固化土筑堤技術的可行性

3.1 不同固化劑摻量強度的變化

圖1為不同固化劑摻量情況下,淤泥固化土的強度增長情況圖。從圖1中可以看出固化土強度隨著固化劑摻量的增大而增大,同時固化土強度隨著齡期的增加而增大。

圖1 固化劑不同摻量強度增長圖

3.2 含水率對固化效果的影響

圖2為A型固化劑固化1#、2#土樣的固化效果圖。從圖2中可以看出,無側限抗壓強度隨著含水率的增加而降低,含水率對強度的增長影響較大,2種土樣含水率相差12.2%,1#土樣在齡期7 d的強度就已經接近或超過2#土樣90 d強度,在齡期90 d的強度遠大于2#土樣在齡期90 d的強度。

圖2 含水率對A型固化劑固化效果的影響圖

3.3 最佳摻入量分析

圖3為A型固化劑固化1#土樣的無側限抗壓強度增長率(強度增值/摻入量增值)圖,從圖3中可以看出無側限抗壓強度增長率折線規律明顯,齡期7～28 d的強度增長率增長幅度相差不大,在摻入量4%～6%變化平緩,在6%～7%變化劇烈,在摻入量7%時達到峰值,當摻入量大于7%時,數值開始減小折線下行,從以上分析可以看出,A型固化劑固化1#土樣的室內最佳摻入量取7%。經試驗分析,此次2#、3#土樣的室內最佳摻入量分別取7%,6%。

圖3 A型固化劑最佳摻入量分析圖

3.4 初、終凝時間

根據實驗結果,2#、3#土樣,在A型固化劑摻量分別為6%,7%時,達到初凝需22 h左右,終凝則需4～5 d。

3.5 養護條件對強度的影響

根據實驗,浸水養護條件比之標準養護條件,無側限抗壓強度都有不同程度的降低,根據對實驗數據統計分析,初步可得到以下關系式:qu水下=(0.6～ 0.8)qu標準,C水下=(0.8～ 0.9)C標準,φ水下=(0.75～ 0.9)φ標準。

4 經濟性分析

A型固化劑用土方填筑,經分析其摻入量可考慮為3%～4%情況,以固化土的平均容重為1.6 t/m3,固化劑價格按450元/t,每立方米土所用固化劑價格為1.6 t/m3×(3%～4%)×450元/t=21.6～28.8元/m3,考慮攪拌、轉運費用,固化土價格約55～60元/m3。

水泥市場價格約350～400元/t,雖然A型固化劑市場價格比水泥高50～100元/t,但由于A型固化劑的固化效果明顯比水泥好,尤其對高有機質、高塑性黏土,相比于水泥效果更佳。而且在相同固化效果的情況下A型固化劑的摻入量小于水泥摻入量,參考有關成果[5]水泥固化土造價約80～90元/m3,所以A型固化劑固化土綜合價格應低于水泥固化土價格,尤其是在砂石料缺乏的地區經濟上更具有優勢。

5 施工工藝分析

5.1 施工工序

總體采用化學固化方法對淤泥土進行資源化利用,施工工序如下:取泥—脫水—運輸—拌合—填筑—養護。

5.2 施工機械選擇

采用化學固化方法對淤泥土進行資源化利用所用機械主要包括挖泥設備、攪拌設備、運輸填筑設備。挖泥設備:當近距離運輸時,取泥機械推薦桁架式土方筑堤機、橋式土方筑堤機,當運輸距離較遠時可采用鏟斗式、抓斗式挖泥船或絞吸式挖泥船。攪拌設備:攪拌設備目前處于初期開發階段,定型產品不多,主要為有關廠家研制攪拌機械,今后隨著固化土的大量應用,攪拌設備也會得到較大發展。運輸填筑設備:近距離運輸可采用桁架式土方筑堤機、橋式土方筑堤機,遠距離運輸可采用自卸汽車、泥駁、活塞式淤泥輸送泵?？傊?應根據具體條件對施工機械進行科學選擇,以簡化、方便施工,降低工程造價為原則。

5.3 施工工藝方案

5.3.1 取 泥

遠距離運輸情況下宜采用鏟斗式或抓斗式挖泥船并配備活塞式淤泥輸送泵及輸泥管系統進行遠距離運輸。在近距離的情況下可以有幾種選擇,桁架式土方筑堤機、橋式土方筑堤機、鏟斗式挖泥船和抓斗式挖泥船都可選用。

5.3.2 運 輸

近距離運輸情況下,淤泥攪拌后即利用自卸汽車、泥駁或筑堤機進行填筑。遠距離輸泥若采用絞吸式挖泥船、采用管道運輸還需增加靜置脫水工序,脫水后可采用活塞式淤泥輸送泵接力泵站完成,但必須在初凝前完成運輸,否則固化淤泥變硬,導致輸送泵堵塞。

5.3.3 攪拌固化

對于攪拌固化的方式有2種,一種為移動式,另一種為固定式。移動式拌合即攪拌相關設備隨著取土地點的移動而移動,如可以將攪拌設備河堤附近或挖泥船上實現攪拌固化。固定式攪拌即將固化設備置于養護場地,對運進的淤泥進行固化。

5.3.4 填筑養護方式

養護方式可采用無水或有水環境。但對于采用化學固化方法對淤泥資源化再利用,盡量創造無水環境養護條件,填筑完成后應做好防水至一定齡期,對于有水環境,固化土強度將有一定程度的降低。

5.4 施工工藝方案分析

綜合以上分析,淤泥的含水率、養護方式對固化效果影響較大,因此取泥設備盡量采用鏟斗式挖泥船或抓斗式挖泥船,養護采用無水環境養護,此外,為降低成本,應形成取泥—攪拌—運輸—填筑—養護一體化的施工工藝。

6 結語與建議

本文采用A型固化劑對濱海淤泥典型土樣進行室內試驗分析,分析了淤泥固化土不同齡期的強度變化,同時分析了含水率、養護條件對固化效果的影響以及淤泥固化土初凝、終凝時間。此外,結合經濟性、施工工藝分析,對圍墾工程建設中淤泥資源化再利用進行了初步研究。研究結果表明,淤泥固化土的強度隨著齡期、摻入量的增大而增大,含水率對淤泥固化土的強度增長影響較大,所以在進行施工工藝方案設計時,應盡量不增加淤泥含水率,同時盡量創造無水環境的養護條件,以使固化土獲得較高的增長強度,同時考慮施工的便利性,應形成取泥—攪拌—運輸—填筑—養護一體化的施工工藝,以降低工程造價。

本文認為淤泥資源化再利用技術在圍墾工程建設中具有廣闊的應用前景,尤其是砂石料缺乏地區,更具優勢。

基于試驗工作的局限性,還需對更多固化劑進行比選,以獲得更經濟更高效的固化劑,同時針對更多的典型土樣綜合考慮pH值、有機質含量、環境溫度等因素對淤泥固化土強度增長進一步深入研究,此外在改進施工機械、加強施工工藝等方面提出合理化建議并進行相關專題試驗研究,為工程推廣應用打下堅實的理論基礎與有力的技術支持。

[1]嚴六四.國內外河道疏浚工程施工技術發展 [J].水利水電施工,2006(4):33-39.

[2]趙永巧.淺談土壤固化劑的發展與固化機理研究[J].水利科技與經濟,2005,11(10):620-622.

[3]浙江省建筑設計研究院,浙江大學建筑工程學院.DB 33/1001-2003 J 10252-2003浙江省建筑地基基礎設計規范 [S].杭州:浙江大學出版社,2003.

[4]南京水利科學研究院.SL 237—1999土工試驗規程 [S].北京:水利水電出版社,1999.

[5]胡明華,俞炯奇.圍墾海堤閉氣土方加速固結應用研究 [R].

杭州:浙江省圍墾局,浙江省水利河口研究院,2004.