淤泥质软基堤坝闭气土方快速固结试验及施工工艺探讨

徐森朋，潘 崇

（1.永嘉县水利局，浙江 永嘉 325100；2.永嘉县建设投资集团有限公司，浙江 永嘉 325100）

1 问题的提出

多数沿海堤坝工程需要在软基及超软基上建造，主要包含地基的快速处理、坝体的快速堆积以及闭气土方快速形成这3 个方面的工作[1-3]。闭气土方是堤坝工程的重要组成部分，一是起到防渗作用，二是起到支撑作用。调查研究发现：大量的堤坝出现毁堤、决堤的主要原因在于闭气土方孔隙大、防渗性差、工后沉降变形过大，因此闭气土方施工质量的好坏关系着堤坝工程的长期安全与稳定[4-7]。由于近海堤基淤泥土含水率高、承载力差、土性极差，一般的工程设备无法在上面行走，因此，在修建沿海堤坝时，首先需对泥土进行固化处理。当前最常用的固化施工方法是将淤泥挖出，在陆地上进行固化后，再回填至施工区域，这种方法处理量小，施工效率低下，固结时间长，工程成本太高，一旦遇到远距离大面积的固化回填时根本无法实现。因此，有必要对淤泥质堤坝软基闭气土方快速固结施工工艺进行研究[8-11]。

文章以室内快速固结试验为基础，结合现场实际工程施工工艺，对淤泥质堤坝软基闭气土方快速固结施工方案进行探讨分析，以期能为沿海堤坝闭气土方工程施工提供借鉴。

2 工程概况

温州蓝色海湾生态建设项目海岸带生态建设状元南片堤坝闭气软基处理工程，上部为淤泥质土和黏性土，下部为黏性土和砂土，堤基底主要为风化片麻岩。淤泥质土的平均含水率为60.70%，天然湿密度和干密度分别为1.81，1.12 g/cm3，液限值W1为45，塑限值Wp为22，塑性指数Ip为23，液性指数为1.68，最优含水率为22.30%，最大干密度为1.67 g/cm3，小于0.05 mm 粒径颗粒质量分数为68.50%。设计要求地基承载力＞800 kPa，淤泥质土固化处理深度约为5 m，总固化体积约为140 000 m3。

3 室内试验

3.1 主要试验材料

原料土：取自该河堤工程现场上部的淤泥质土，取样深度约为3 m，取回的土样需要经过烘干、粉碎、磨粉以及过筛等多个工序，然后放在防潮密闭桶内备用。

水泥（C）：选取P·O42.5 普通硅酸盐水泥，比表面积为348 m2/kg，密度为3.07 g/cm3，MgO质量分数为3.60%，SO3质量分数为1.95%，平均烧失量为2.80%。

垃圾飞灰（F）：取自珠海某垃圾焚烧厂，灰白色，比表面积为9.4 cm2/g，密度为2.96 g/cm3，铅（Pb）、镉（Cd）、铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）的质量浓度分别为20.5，6.8，3.0，2.8，73.2 mg/kg。

3.2 试验方案

根据JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》进行固化试验方案设计。相关设计规范及工程经验显示，水泥土的固化剂掺量一般介于10%～20%，考虑到本次加固工程方量较大，如果使用纯水泥，工程造价较高。为降低工程造价，本次工程拟采用水泥+垃圾飞灰对淤泥质土进行固化处理。水泥（C）+飞灰（F）的掺量设置为加固土样质量（（C+F）/S）的8%、12%、16%和20%，粉煤灰在固化剂中的占比（F/（C+F））分别为20%、30%、40%和50%，水灰比（W/（C+F））设计为0.45、0.50、0.55 和0.60 四种（W 为水的用量），进行正交试验。试验方案设计见表1。

表1 试验方案设计表

3.3 试验步骤

（1）将处理后的淤泥质土样、水泥（C）、飞灰（F）和水（W）按配比放入搅拌桶中进行电动搅拌，搅拌方式为：慢搅60 s，快搅120 s，暂停30 s（将桶壁和搅拌叶上的粘连土刮下），然后再快搅120 s。

（2）将试样制成80 mm×39.1 mm（高×直径）的圆柱形试件，并用保鲜膜包裹试件，以防水分蒸发。

（3）将制作好的试件放到标准养护箱中养护，时间为28 d。

（4）养护龄期达到28 d 后，将试件取出放置在全自动三轴仪上，进行单轴抗压试验，试验加载速率为0.4 mm/min。

（5）试验数据整理和分析。

3.4 试验结果分析

试验得到的不同试验组无侧限抗压强度与固化剂掺量的关系见图1。从图1（a）可知：当水灰比为0.45 和0.50 时，固化土的强度随着固化剂掺量的增加呈动态变化特征；当水灰比为0.55 和0.60时，固化土的强度随固化剂掺量的增加呈逐渐增大的变化特征。这是因为当水灰比较小时，水泥和飞灰的水解和水化反应不充分，导致部分土颗粒出现团粒化，土颗粒之间的胶结联结力降低，未反应的水泥和飞灰只能起到物理扩散和填充孔隙的作用，对于提高土体自身强度的作用有限，因而很可能出现固化剂掺量越多，强度反而越低的现象。

从图1（b）中可以看到：当固化剂掺量一定时，固化土的强度随飞灰掺量的增加而逐渐降低；当飞灰掺量一定时，固化土强度随固化剂掺量的增加而逐渐增大。飞灰作为一种廉价材料，具有一定的活性，在水化产物Ca（OH）2的激发下消耗部分水分，另一方面，飞灰掺量增加，意味着水泥用量减少，水化产物也随之减少，填充于土颗粒之间的钙矾石、C-S-H 凝胶等晶体和胶凝物质减少，因而强度随着飞灰掺量增加而降低。因此应该根据堤基承载力设计要求，适当调整水灰比和飞灰掺量。当水灰比为0.55，固化剂掺量为20%，飞灰占比为30%时，固化土的强度最大，这说明在使用混合固化剂进行淤泥固化时，针对不同的混合固化剂配比，存在一个最佳水灰比，同时在充分考虑经济性和施工可行性的基础上，通过调整固化剂掺量和水灰比，既节省工程投资，又可达到较高加固土强度的效果。

图1 无侧限抗压强度试验结果图

4 现场施工

4.1 施工方案选取

（1）原地闭气土方中喷搅固结剂施工法：利用螺旋式淤泥固化机在淤泥软基上行走及施工。螺旋式淤泥固化机自带搅拌系统，搅拌系统通过高压输送系统与固化材料储存罐相连，高压输送系统将固化材料输送至搅拌系统，然后进行高压旋喷搅拌和强制式搅拌，使淤泥质软基与固化材料充分拌和。固化材料通过物理和化学作用，使淤泥颗粒接触面相互黏合，同时水化反应生成的胶凝物质促进土颗粒胶结，从而实现淤泥质软基的快速固结。施工现场布置见图2。

图2 原地闭气土方中喷搅固结剂施工法现场布置图

（2）管道输送掺拌固结剂施工法：利用活塞式土方输送船自配抓斗将淤泥质土抓取到集料斗内，掺入固化材料并拌和，再通过输送管将掺拌过后的土方连续不断均匀地输送至坝体上，并通过纵横布料、薄层轮加、分层加高，调整修坡的施工方式实现淤泥质软土在堤坝上的快速固结。施工现场布置见图3。

图3 管道输送掺拌固结剂施工现场布置图

方案对比：原地闭气土方中喷搅固结剂施工法适用于软基处理深度≤8 m，淤泥含水率＞50%，固化后基础承载力＜20 t 的软基工程；管道输送掺拌固结剂施工法适用于含水率＞40%的软黏状泥土，且不受软基处理深度和处理后承载力的限制，同时管道输送掺拌固结剂施工法可以将吸取的土方进行脱水处理后，按照实验室配比进行精准固化施工，既能实现长距离的运输需求，又可以解决固结剂的掺拌难题，固结效率更高，固化效果更好。因此，本工程选择管道输送掺拌固结剂施工法进行闭气土方的固化施工。

4.2 施工工艺流程

管道输送掺拌固结剂施工工艺流程见图4。首先，将600 m3/h 活塞式输泥船移动到施工区域，将所有输送管路连接好，为了让输送管路浮在水面，在输送管路外面套上一层圆型空心的泡沫浮子，以便于输送管路移位和检修，同时在输送管路出口约20 m 处搭设一个工作平台，工作平台上设置一套移动锚机和布料操作系统，以方便工作人员进行装料、卸料等操作。其次，将需要加固的土层吸取到集料斗进行脱水处理，并按实验室最佳配比：水胶比0.55，固化剂掺量20%，飞灰占比30%进行拌和，施工配比在拌和过程中要根据现场淤泥质土含水率情况进行适当调整，再利用输送管路将拌合好的泥浆输送至堤坝坝体上。闭气土方施工应遵循“纵横布料、薄层轮加、分层加高，调整修坡”的施工原则，每一层厚度应控制在0.3～0.5 m，层与层之间的施工间隔时间应大于15 d，以确保填筑土体安全稳定；由于固化淤泥本身强度较低，下级边坡坡度尽量放缓，控制在1:12～1:16，上级边坡坡度应控制在1:30 左右，并留足沉降固结预留量，等待固结一段时间后，再采用挖机将边坡修整至设计坡度；分段填筑时，两相邻段的结合边坡不宜陡于1:30，严禁闭气土方与石块、石渣混杂，以免给堤坝留下潜在的渗流通道。

图4 管道输送掺拌固结剂施工工艺流程图

4.3 固结施工效果

对海涂泥固化土有害物质进行检测可知：工程现场淤泥质土经固化施工后的多氯联苯质量浓度低于0.2×10-6mg/kg，汞、镉、铅、铬、砷、铜、锌的质量浓度分别为0.150，0.097，18.000，20.800，6.100，32.200，75.300 mg/kg，六六六（六氯环己烷）、滴滴涕（双对氯苯基三氯乙烷）均小于0.005 mg/kg。由此可见，采用实验室最佳配比方式，经管道输送掺拌固结剂施工之后的固化淤泥对海水的防渗效果较好，各项有害物质含量均比较低，重金属和有害物质均得到有效阻隔、包裹与固化。

为了对固结施工效果进行评估，对固化后闭气土方强度进行钻孔取芯强度试验（见图5）。由图5 可知：固化土的强度随着龄期的增长逐渐增大，水泥+飞灰固化淤泥的早期强度增长较快，后期强度增长较慢，强度从6 d 时的0.57 MPa 增加至62 d 时的1.28 MPa，满足堤坝基础强度和承载力设计要求。

图5 钻孔取芯强度试验结果图

5 结 论

本文针对淤泥质堤坝软基闭气土方快速固结问题开展了室内试验和现场施工工艺探讨，得出如下结论：

（1）当水灰比≤0.50 时，固化土的强度随着固化剂掺量的增加呈动态变化特性，当水灰比＞0.50 时，固化土的强度随固化剂掺量的增加逐渐增大；当固化剂掺量一定时，固化土的强度随飞灰掺量的增加而逐渐降低；当飞灰掺量一定时，固化土强度随固化剂掺量的增加而逐渐增大。根据室内试验结果确定的最佳固结配比为：水胶比0.55，固化剂掺量20%，飞灰占比30%。

（2）介绍原地闭气土方中喷搅固结剂施工法和管道输送掺拌固结剂施工法，对比分析2 种施工方法的适用性，最终决定现场选用管道输送掺拌固结剂施工法进行闭气土方的固化施工，并对该方法的施工工艺流程进行关键技术分析。

（3）对固化后的淤泥质土进行有害物质检测和钻孔取芯强度试验，结果表明：固化淤泥对海水的防渗效果较好，重金属和有害物质均得到有效阻隔、包裹与固化，固化土强度和承载力满足设计要求。