水泥固化剂改善吹填超软土渗透特性研究

张华

（同济大学，上海 200092）

随着城市化进程的不断推进，土地资源短缺成为限制经济发展的一大难题，为此，大量的吹填工程应运而生[1-2]。为便于满足现场管道运输，吹填土大多为超软土（指淤泥性土中的流泥（85%＜ω＜150%）和浮泥（ω＞150%）），该土体虽有利于吹填作业，但是自身工程性质不良，表现为压缩性高、含水率高、承载力低、渗透性差[3-4]。现场处置方法多为真空预压处理，但是由于超软土颗粒较细、渗透性能差等原因，在真空预压过程中，往往会在竖向排水板周围形成致密的“土柱”，造成排水板淤堵，影响周围土体继续排水固结，导致最终的处理效果达不到预期设计目标[5]。针对这一问题，国内外众多学者采取不同方法处理，例如电渗—真空预压[6]、交替式真空预压[7]、防淤堵排水板[8]、絮凝—真空预压[9]等方法，从现场施工工艺、施工材料、土体性质等多方面出发。其中较为显著的就是絮凝—真空预压，通过改善土体性质，从而从根本上解决淤堵问题[10]。

絮凝—真空预压就是通过往土体中加入外加剂，例如石灰、氢氧化钙、聚丙烯酰胺等[11-12]，使细小的土体颗粒在水解、水化、离子交换等复杂反应下絮凝成团，形成大颗粒，从而达到增加土体大孔隙，构建稳定土体骨架结构，提高渗透性能，预防淤堵的目的。

常用的絮凝剂多为石灰和高分子聚合物，而工程应用最广泛的水泥作为絮凝剂研究较少，前人多研究水泥作为固化剂，较低土体的渗透性能[13]，通常水泥掺量都大于10%，因为所研究主题大多为传统软土水泥搅拌桩的抗渗特性，而不是超软土排水固结的渗透特性。本文在前人研究的基础上，开展不同水泥掺量对超软土的渗透特性研究。

1 水泥掺量对超软土的泌水特性研究

根据斯托克斯沉降定律，土颗粒的沉降速度与粒径成正比，而吹填超软土的粒径通常小于0.1mm，研究超软土的泌水特性，能够有效反应不同水泥掺量对超软土的絮凝效果。

试验所用土体为上海第四层软土，液限为40.2。通过自然风干、粉碎，过0.01mm 筛，然后根据目标含水率120.6%（3 倍液限），配置试验所需超软土。泌水试验所用量筒容积为1000mL，水泥掺量（水泥重量与土样干重比值）分别为0%、0.5%、1%、2%、5%，每24h 读数一次，记录泌水高度。

图1 水泥掺量条件下超软土的泌水曲线

通过图1 可知，随着超软土水泥掺量越高，泌水稳定速率越快。其中，5%水泥第一天就泌水完毕，从配置过程成也能发现，随着5%水泥加入，搅拌时越来越黏稠，只有最开始有2mm 泌水，泌水3d 针刺表面不愈合，说明已基本达到固化状态。除此之外，2%和1%水泥掺量在7d 时基本泌水稳定，1%水泥掺量泌水效果最为显著，初期快速泌水，随后在5d 左右趋于稳定。而0.5%和0%水泥掺量的泌水缓慢，0%水泥掺量在21d 时还未完全稳定，但是其泌水高度最高。综上所述，从泌水试验可以看出1%和2%水泥掺量超软土泌水效果表现较好。

2 水泥掺量对超软土的固结特性研究

传统固结试验的环刀只有20mm 高，雷华阳等[14]研究过尺寸效应，为更好通过室内试验反应现场施工情况，本文将环刀尺寸改为100mm 高。试验土样为泌水结束后量筒内同一高度的土样，分7 级加载，初始荷载6.5kPa，最高荷载400kPa。通过一维固结理论反算渗透系数。

图2 不同水泥掺量超软土固结系数曲线

图3 不同水泥掺量超软土渗透系数曲线

通过图2 和图3 可知随着水泥掺量增加，超软土的固结系数和渗透系数越高。因为荷载在100kPa 以下时，5%水泥掺量的超软土基本无固结沉降，所以没有数据，虽然其后期的固结系数与渗透系数较好，但是真空预压的真空度不会超过100kPa，因此与预期目标不符。综上所述，2%水泥掺量效果最好。

3 结论与展望

本文通过开展不同水泥掺量条件下，超软土的泌水和固结试验，研究水泥作为絮凝剂，通过半固化超软土，从而改善超软土渗透性，达到预防淤堵的效果。结论如下：

原状超软土泌水缓慢，添加1%水泥能有效改善超软土的泌水特性，初期泌水速率快，并且能在7d 内稳定。水泥掺量达到5%的时候，土体基本无泌水，已达到固化状态。

2%水泥掺量超软土的固结特性最佳，低荷载状态下渗透系数比原状土高2 个数量级，并且在400kPa 状态下，仍然具有很好的渗透性能，完全能满足真空预压100kPa 的需求。

综合工程需求和经济效益，现场施工水泥掺量可在1%～2%范围内选择。

本文只是基于室内单元试验，后续可开展室内模型试验，从而能更好地反映现场的实际情况。