淤泥固化技术在围垦工程建设中的初步应用研究

夏永成,陈秀良,2,吴文华,2

(1.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020;2.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

近年来,随着浙江经济的快速平稳发展,人多地少的矛盾日益突出,围垦造地是浙江省缓解土地紧张状况、拓展经济发展空间的重要措施。在围垦工程建设中,海堤闭气土方往往就地取材,就近取表层淤泥及淤泥质土。该层土天然含水率高、压缩性高、抗剪强度低、稳定性差、承载能力低,必将造成闭气土稳定边坡缓、占地大,不利于湿地生态保护;必将造成施工速度慢,建设工期长,无法满足 “又好又快”围垦建设的要求。由于传统的石灰、水泥、粉煤灰等土壤固化材料,存在质量不能满足要求、造价高等诸多不足,自20世纪60年代以来[1-2],许多新型固化材料不断研究并在广东、海南、北京等铁路、公路、水利工程中应用,取得了较好的社会、市场、经济和环保效益。然而,新型固化材料在浙江省的研究与应用尚处于探索阶段,因此,有必要开展海堤闭气土方填筑淤泥固化技术的研究。本文主要通过典型土样室内强度试验对固化剂性能进行研究比选,并结合经济性、施工工艺分析,提出淤泥固化技术可应用于海堤闭气土方填筑的初步结论。

2 室内试验

2.1 固化剂与土样选择

按照具备环保性能、固化技术成熟,生产运输方便、经济性、高效性、适应性强、工程应用效果良好等原则,经大量调研,选择A型固化剂进行室内试验,并有针对性地选择了浙江省温州、台州地区土样,试验土样基本物理性质指标见表1。

表1 土样基本物理性质指标表

2.2 室内试验

根据有关规范规程[3-4]进行了室内试验分析,对选定的固化剂按不同的掺入量(4%,6%,7%,8%,10%)在标准养护条件 (无水环境)下,测定不同龄期 (7,28,90 d)的无侧限抗压强度,并根据试验成果,确定固化剂的最佳掺入量。同时按最佳掺入量在标准养护条件(无水环境)及模拟水环境条件(浸水养护)下,进行初、终凝时间与不同龄期 (1,3,7,14,28 d)时含水率、无侧限抗压强度 (qu)及7,14 d龄期时的快剪试验。

3 淤泥固化土筑堤技术的可行性

3.1 不同固化剂掺量强度的变化

图1为不同固化剂掺量情况下,淤泥固化土的强度增长情况图。从图1中可以看出固化土强度随着固化剂掺量的增大而增大,同时固化土强度随着龄期的增加而增大。

图1 固化剂不同掺量强度增长图

3.2 含水率对固化效果的影响

图2为A型固化剂固化1#、2#土样的固化效果图。从图2中可以看出,无侧限抗压强度随着含水率的增加而降低,含水率对强度的增长影响较大,2种土样含水率相差12.2%,1#土样在龄期7 d的强度就已经接近或超过2#土样90 d强度,在龄期90 d的强度远大于2#土样在龄期90 d的强度。

图2 含水率对A型固化剂固化效果的影响图

3.3 最佳掺入量分析

图3为A型固化剂固化1#土样的无侧限抗压强度增长率(强度增值/掺入量增值)图,从图3中可以看出无侧限抗压强度增长率折线规律明显,龄期7～28 d的强度增长率增长幅度相差不大,在掺入量4%～6%变化平缓,在6%～7%变化剧烈,在掺入量7%时达到峰值,当掺入量大于7%时,数值开始减小折线下行,从以上分析可以看出,A型固化剂固化1#土样的室内最佳掺入量取7%。经试验分析,此次2#、3#土样的室内最佳掺入量分别取7%,6%。

图3 A型固化剂最佳掺入量分析图

3.4 初、终凝时间

根据实验结果,2#、3#土样,在A型固化剂掺量分别为6%,7%时,达到初凝需22 h左右,终凝则需4～5 d。

3.5 养护条件对强度的影响

根据实验,浸水养护条件比之标准养护条件,无侧限抗压强度都有不同程度的降低,根据对实验数据统计分析,初步可得到以下关系式:qu水下=(0.6～ 0.8)qu标准,C水下=(0.8～ 0.9)C标准,φ水下=(0.75～ 0.9)φ标准。

4 经济性分析

A型固化剂用土方填筑,经分析其掺入量可考虑为3%～4%情况,以固化土的平均容重为1.6 t/m3,固化剂价格按450元/t,每立方米土所用固化剂价格为1.6 t/m3×(3%～4%)×450元/t=21.6～28.8元/m3,考虑搅拌、转运费用,固化土价格约55～60元/m3。

水泥市场价格约350～400元/t,虽然A型固化剂市场价格比水泥高50～100元/t,但由于A型固化剂的固化效果明显比水泥好,尤其对高有机质、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况下A型固化剂的掺入量小于水泥掺入量,参考有关成果[5]水泥固化土造价约80～90元/m3,所以A型固化剂固化土综合价格应低于水泥固化土价格,尤其是在砂石料缺乏的地区经济上更具有优势。

5 施工工艺分析

5.1 施工工序

总体采用化学固化方法对淤泥土进行资源化利用,施工工序如下:取泥—脱水—运输—拌合—填筑—养护。

5.2 施工机械选择

采用化学固化方法对淤泥土进行资源化利用所用机械主要包括挖泥设备、搅拌设备、运输填筑设备。挖泥设备:当近距离运输时,取泥机械推荐桁架式土方筑堤机、桥式土方筑堤机,当运输距离较远时可采用铲斗式、抓斗式挖泥船或绞吸式挖泥船。搅拌设备:搅拌设备目前处于初期开发阶段,定型产品不多,主要为有关厂家研制搅拌机械,今后随着固化土的大量应用,搅拌设备也会得到较大发展。运输填筑设备:近距离运输可采用桁架式土方筑堤机、桥式土方筑堤机,远距离运输可采用自卸汽车、泥驳、活塞式淤泥输送泵。总之,应根据具体条件对施工机械进行科学选择,以简化、方便施工,降低工程造价为原则。

5.3 施工工艺方案

5.3.1 取 泥

远距离运输情况下宜采用铲斗式或抓斗式挖泥船并配备活塞式淤泥输送泵及输泥管系统进行远距离运输。在近距离的情况下可以有几种选择,桁架式土方筑堤机、桥式土方筑堤机、铲斗式挖泥船和抓斗式挖泥船都可选用。

5.3.2 运 输

近距离运输情况下,淤泥搅拌后即利用自卸汽车、泥驳或筑堤机进行填筑。远距离输泥若采用绞吸式挖泥船、采用管道运输还需增加静置脱水工序,脱水后可采用活塞式淤泥输送泵接力泵站完成,但必须在初凝前完成运输,否则固化淤泥变硬,导致输送泵堵塞。

5.3.3 搅拌固化

对于搅拌固化的方式有2种,一种为移动式,另一种为固定式。移动式拌合即搅拌相关设备随着取土地点的移动而移动,如可以将搅拌设备河堤附近或挖泥船上实现搅拌固化。固定式搅拌即将固化设备置于养护场地,对运进的淤泥进行固化。

5.3.4 填筑养护方式

养护方式可采用无水或有水环境。但对于采用化学固化方法对淤泥资源化再利用,尽量创造无水环境养护条件,填筑完成后应做好防水至一定龄期,对于有水环境,固化土强度将有一定程度的降低。

5.4 施工工艺方案分析

综合以上分析,淤泥的含水率、养护方式对固化效果影响较大,因此取泥设备尽量采用铲斗式挖泥船或抓斗式挖泥船,养护采用无水环境养护,此外,为降低成本,应形成取泥—搅拌—运输—填筑—养护一体化的施工工艺。

6 结语与建议

本文采用A型固化剂对滨海淤泥典型土样进行室内试验分析,分析了淤泥固化土不同龄期的强度变化,同时分析了含水率、养护条件对固化效果的影响以及淤泥固化土初凝、终凝时间。此外,结合经济性、施工工艺分析,对围垦工程建设中淤泥资源化再利用进行了初步研究。研究结果表明,淤泥固化土的强度随着龄期、掺入量的增大而增大,含水率对淤泥固化土的强度增长影响较大,所以在进行施工工艺方案设计时,应尽量不增加淤泥含水率,同时尽量创造无水环境的养护条件,以使固化土获得较高的增长强度,同时考虑施工的便利性,应形成取泥—搅拌—运输—填筑—养护一体化的施工工艺,以降低工程造价。

本文认为淤泥资源化再利用技术在围垦工程建设中具有广阔的应用前景,尤其是砂石料缺乏地区,更具优势。

基于试验工作的局限性,还需对更多固化剂进行比选,以获得更经济更高效的固化剂,同时针对更多的典型土样综合考虑pH值、有机质含量、环境温度等因素对淤泥固化土强度增长进一步深入研究,此外在改进施工机械、加强施工工艺等方面提出合理化建议并进行相关专题试验研究,为工程推广应用打下坚实的理论基础与有力的技术支持。

[1]严六四.国内外河道疏浚工程施工技术发展 [J].水利水电施工,2006(4):33-39.

[2]赵永巧.浅谈土壤固化剂的发展与固化机理研究[J].水利科技与经济,2005,11(10):620-622.

[3]浙江省建筑设计研究院,浙江大学建筑工程学院.DB 33/1001-2003 J 10252-2003浙江省建筑地基基础设计规范 [S].杭州:浙江大学出版社,2003.

[4]南京水利科学研究院.SL 237—1999土工试验规程 [S].北京:水利水电出版社,1999.

[5]胡明华,俞炯奇.围垦海堤闭气土方加速固结应用研究 [R].

杭州:浙江省围垦局,浙江省水利河口研究院,2004.