盾构渣土固化处理后作为路基填料的综合评价研究

武兴

摘要：针对隧道盾构施工渣土含水率高，饱和度高，液塑限高，天然含水率较大等复杂特点，通过室内试验，研究不同的水泥含量以及固化后的含水率情况下，水泥作为固化剂改良淤泥渣土的工程特性。结果表明，加固化剂后土的级配发生了变化，合理的水泥含量以及最佳的含水率，使其CBR承载比与回弹模量有明显的提高;浸水后改良土的承载比CBR值会明显降低;压实度越低，浸水后，土体吸水率越大，越容易发生松散破坏，降低土体强度。合理的水泥含量，最佳的含水率以及较大的压实度有助于提高路基的承载能力以及抗变形能力。

关键词：水泥  淤泥  盾构渣土  最佳含水率  回弹模量  CBR

随着近年来福州地铁的大量建设，城市的交通情况有了明显的改善，然而地铁施工产生的渣土也是成倍的增长，渣土不仅占用土地，降低土壤质量，同时淤泥渣土中的有害细菌微生物还会渗透进土壤中，造成水源的污染。另外，堆积的淤泥所散发的腐殖质气味，在温度以及水的作用下，会产生源源不断的臭味，产生大气的污染，其次，渣土占用空间大，堆放无序，甚至侵占了城市的各个角落，恶化城市环境卫生，与城市的美化理念格格不入。基于此种状况，盾构渣土的改良处理有着非常巨大的实用性价值。目前盾构土的改良方式有很多种，包括物理和化学方法。物理的改良方式主要是改变土的级配，包括掺入砂砾以及其他最优土再加入胶结颗粒的方式，化学方法有掺加粉煤灰、生石灰、熟石灰、水泥、沥青、柏油等方式，此外还可加入炉渣、碎砖、石粉、或加入少量泥炭增加连接力等。本文针对水泥改良盾构渣土进行研究，通过击实试验确定最佳含水率，通过承载比试验以及土的回弹模量试验，得到在不同的水泥含量状况下，浸水后，土的CBR值以及回弹模量，来评价改良土的工程特性。

盾构渣土处理的一般流程为：将盾构施工运出的渣土中的石块、砂石与泥浆在水的冲击下进行振动分离，分离出的大块砂石通过传送设备集中堆积，同时对分离出的细沙和泥浆混合料进行绞笼分离，将细沙排出，对分离出的泥浆通过导流槽或管进行一次絮凝处理，将絮凝处理后的泥浆在泥浆池中经沉淀分离出泥浆和清水，清水排进清水池作为施工的循环用水，泥浆泵入凹凸型泥浆输送管进行二次絮凝处理，将二次絮凝处理后的泥浆送入带式压滤机中经压滤得出干泥饼。然后在泥饼中加入水泥等固化剂，以此来改良渣土的工程特性。

1.盾构淤泥渣土性质

1.1颗粒分析试验

土的级配对于土的击实效果有着主要影响，级配良好的土可以得到更大的最大干密度，土粒的周围有结合水膜，黏粒越多的土其吸水率越高，同时结合水膜的存在会减小土粒之间的咬合力，减小其抗剪强度，使土更容易破坏。表1为盾构原状淤泥土的颗粒分析结果，采用筛分法与移液管法进行测定。

由表中分析可知，土里主要分布于粉粒0.002-0.075mm范围内，含量达到72%，其次小于0.002mm，含量22.4%。可以得出土的吸水能力强。

1.2物理性质实验

盾构淤泥土具有高孔隙比，密度小，颗粒细小，但由于存在一定的连接，土场处于软塑状态，但是一经扰动结构就会遭到破坏，福建省淤泥质土，有机质含量比较高，亲水性强。工程性质复杂。物理性质实验结果见表2.

从表2可以看出，盾构土的液限为59，塑性指数21.6，属于高液限土，含水率与饱和度高，力学性能复杂。需要进行改良方可用于公路路基的填筑施工。

2.实验方案

根据《公路无机结合料稳定材料试验规程》结合《公路土工试验规程》，建立试验方案，对比实际工程经验，考虑经济适用性情况。本文采用4%水泥含量掺量进行试验。

2.1改良土物理性质

2.1.1颗粒分析试验

掺加4%水泥作为固化剂后，进行搅拌，盾构渣土成块状，经过碾压粉碎，使土颗粒粉散开来，进行筛分与颗粒分析试验。试验结果如表3所示，粉粒与黏粒含量有所增加，为水泥颗粒。

改良前后颗粒组成并无太大的变化，可以得出结论，水泥改良盾构沙土，不是通过改变土的颗粒级配来改良土的性能。

2.1.2物理性质实验

改良土后物理性质有了极大的改善，具体实验结果如下表4所示。

根据现有研究成果，土的可塑性与土中的矿物成分有关系，同时也与同种溶液的化学成分PH值有关同。亲水性矿物增多则可塑性加强，由大多数次生物矿组成的黏粒通常带有负电，由阳离子构成反粒子层，高价离子易于被土粒表面静電吸附，扩散层较薄，结合水的数量减小。盾构土中加入水泥改变了粒度组成，增加了可塑性粒径含量，同时Ca含量增加减少可塑性。由此可知水泥中的阳离子减小了盾构土的可塑性。

2.2盾构改良土的击实试验

本次试验采用重型击实试验，具体实验方法见JTG E40-2007土的击实试验。通过对不同含水率的改良土进行击实试验，得出了改良前最大干密度1.484g/cm，最佳含水率26.5%。改良后盾构土最大干密度1.534g/cm，最佳含水率22.7%。同时改良前最佳含水率曲线不明显。实验结果见图1，表5所示。

由上可知改良后土的最大干密度有所提升，土的最佳含水率有所减小。水泥的掺入，不仅降低了土的吸水能力减小了路基干燥的时间，同时令土更加的密实，还可以与水反应成为胶结物将分散的土颗粒连接在一起，增强了土的强度。

2.3盾构改良土的承载比试验

为了更好的了解改良土的力学特性，在最佳含水率的情况下用不同的压实度，进行土的承载比试验。试验结果如图2，表6所示。

承载比是由美国加州公路局首先提出的，在我国的柔性路面设计中，虽然以路基土和路面材料的回弹模量作为设计参数，但是在路面施工规范中CBR仍是一项重要的力学指标。CBR是指试料贯入量达到2.5mm时，单位压力对标准碎石压入相同贯入量时标准荷载强度的比值。从图上可以明显看出，随着压实度的增加，土的承载比逐渐增大，直到压实度达到接近100%，这时土的干密度达到最大。同时改良后的土承载比有明显提高，在没有改良前承载比在11.0，改良后承载比增加到19.0。可以得出水泥作为改良的固化剂拥有明显作用。改良后的渣土已经可以用于道路94区路基用土。水泥作成分一般为硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙，与水反应生成了一部分凝胶，还有氢氧化钙，这些土体形成了一定的空间网状结构，将土颗粒包裹于其中，加强了土体的整体性，同时一部分物质硬化形成钙矾石，与土粒之间产生咬合，进一步提高土的强度。不考虑经济因素可以适当增加水泥含量，借以提高承载力。

2.4盾构改良土的吸水量及膨胀量

改良前盾构土与改良后盾构土分别制备30击，50击，98击的试样各3个，对应于承载比的3个压实度，实验结果如表7所示。

膨胀量与吸水率可以更加直观地观测到土体泡水后后体积的变化，反映出了土在浸泡之后，土颗粒的分散状况，从侧面显示出了土的强度降低情况。从上表可以看出，改良后的土在泡水后，膨胀量与吸水量都要小于未改良土，说明水泥可以提高路基土的工程性能。

2.5盾构改良土的回弹模量试验

分别制备30击，50击，98击的试样各3个，对应于承载比的3个压实度，实验结果如表8所示。

回弹模量是指路基，路面及筑路材料在荷载作用下产生的应力与其相应的回弹应变的比值。土基回弹模量表示土基在弹性变形阶段，在垂直荷载作用下，抵抗竖向变形的能力。如果垂直荷载为定值，土基回弹模量值愈大则产生的垂直位移就愈小;如果竖向位移是定回弹模量值愈大，则土基承受外荷载作用的能力就愈大，因此，路面设计中采用回弹模量作为土基抗压强度的指标。可以看出，改良后的土的回弹模量，明显得到了提高，已经可以作为次干路的路基填料使用。

3.结论

通过实验可以得知，在盾构渣土中加入水泥固化剂可以明显的改善盾构渣土的工程特性。使其承载能力得到大幅度提升。在一定的范围内，随着水泥掺量的增大，其最大干密度增大，最佳含水率减小。随着压实度的增大，改良渣土的承載比以及回弹模量随之增大，抗变型能力明显增强。盾构渣土的液塑限在加入水泥后明显的减小，其可塑性得到增强，土体内的粘聚力，内摩擦角随之增大。不过在浸水后其承载比会有所下降。综上所诉盾构渣土固化处理后可以作为低等级公路路基填料。

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