软土、淤泥、塘处理技术研究与应用

陈佳培 任 磊 何 倩

(南京市水利建筑工程有限公司，江苏 南京 210000)

软土、淤泥处理问题一直是我国新区建设、河道治理的重要难题,淤泥具有含水率高、有机质含量高、力学物理性能差等特点，施工场地无法进行施工机械行走。在新区地块开发建设、河道治理施工过程中，需对淤泥区域进行挖除，采用回填土进行换填或者进行抛石挤淤。但是淤泥开挖、置换具有工程量大、占用场地多、环保要求严、造价高等缺点。因此，采用固化剂对淤泥进行固化处理，研究以节能、降耗为指导的淤泥固化技术，改善场地现状，提高场地地基承载力，保证大型机械设备安全通行、施工道路及临时设施妥善布置，对新区、新城镇在地块开发、河道治理等方面具有重要意义。

1 工程概况

南京江北新区中心区地下空间一期建设工程包含12个地块，规划建设地下停车场、设备用房、地下室人防工程、道路工程、雨污水工程、管廊工程、过境隧道工程、地铁配套工程，以及其他市政空间及服务设施等。本区段为启动区二区1段(10号、13号、16号地块)，场地面积约54000m2，场地总延米为1100m，地块高程6.5～7.8m，场地内普遍存在淤泥、芦苇荡及水塘(见图1)。根据工程地质勘察报告，查获本工程地质条件(见表1～表3)。

图1 场地内淤泥、软土及水塘现状

表1 岩土体工程特性

表2 室内土工试验物理性质指标

表3 承载力特征值

2 淤泥处理方案比选

2.1 物理法、换填法、固化法比选

2.1.1 物理脱水固结

脱水固结是指采用自然风干，即将泥浆摊铺开，通过蒸发、渗漓、自然晾晒和溢流等方式实现脱水。自然脱水需要征用晾晒场所，脱水速度较慢，且受天气气候影响，容易影响施工工期，不适合大批量泥浆的处理。

物理脱水固结技术只是将孔隙水部分或全部脱出，并没有除去其中污染物质，也就是说处理后仍具有污染性。因此，对于有高含水率的泥浆，采用物理脱水固结后，仍应考虑采取措施防止二次污染，且脱水时间较慢，遇水后会二次泥化。

2.1.2 换填法

换填法是将基础地面以下一定范围内的软弱土挖去，然后回填强度高、压缩性较低，并且没有侵蚀性的材料的方法。常用换填材料有砂、砂石、建渣等。换填法需将软弱土全部挖出、外运，再外购合格换填材料摊铺、压实。采用砂、砂石，成本高。采用建渣，一是场地换填范围大、深度深，无充足料源；二是回填建渣后对打桩成孔不利；三是成本较高。

2.1.3 化学固化技术

化学固化技术是向泥浆中添加固化材料，通过搅拌混合、养护，使淤泥、水、固化材料之间发生一系列的水解和水化反应，使得松软无强度的淤泥变成具备一定力学性能的固化土。

化学固化技术的原理是：固化材料通过一系列的水解、水化反应，在淤泥颗粒表面产生胶凝物质(水化硅酸钙、水化铝酸钙等)，形成不可逆转的结凝硬化壳，使淤泥颗粒具备一定的水稳定性和强度稳定性。另外，具有胶凝性质的水化产物在淤泥颗粒之间形成了网状结构，即构成了淤泥的骨架，结晶类的水化产物则填充网状结构的孔隙，使淤泥内部变得致密，硬化后淤泥便具备了一定的结构强度。显然，化学固化处理通过固化材料的吸水作用可有效降低淤泥的含水率，另外，包裹着淤泥颗粒的凝结硬化壳可有效降低其中污染物质的活性，从而起到一定的“减污”作用。

化学固化处理后的泥浆具有强度可控、施工简便迅速等优点，适合大批量泥浆的固化处理。用固化技术处理废弃泥浆使其变为再生资源在国外已得到广泛的应用，技术比较成熟。

综合多方面因素，采用固化方案进行施工，施工简易，施工成本较为经济，能实现泥浆快速降水，固化后的泥浆满足清洁外运和资源化利用要求。

2.2 固结材料比选

2.2.1 生石灰固结

a.作用机理。生石灰与原泥拌和后，生石灰吸收土体中的水分消解成氢氧化钙即熟石灰，同时反应中释放出大量的热，体积增大1～2.5倍。生石灰与水的化学反应，放出大量的热量，可蒸发部分水分，同时生石灰与水反应产生氢氧化钙后会继续与原泥中其他物质发生进一步反应，增加固体物总量，进而增加处理后泥浆的含固量，起到降水效果。

b.优势。通过与水接触散热蒸发水分，能够快速实现降水，能有效抑制淤泥中的微生物。

c.劣势。生石灰干化的泥浆对水的亲水性较好，固化后的泥浆遇水会膨胀，增加泥浆的外运体积，固化体遇水会二次成泥，掺量大，成本高，固结后的泥浆呈碱性，不利于植被生长。石灰在施工过程中容易产生扬尘等二次污染。

2.2.2 水泥固结

a.作用机理。水泥与原泥拌和后，水泥和泥浆里的水分发生化学水化反应，体积增大，发出热量，使水体脱水挤压固结。水泥的水化反应产物中具有胶凝物质的水化物，对土粒颗粒产生胶化作用。水泥水化反应的凝结及硬化作用也提高了土体强度。

b.优势。水泥通过吸水固结将泥浆进行胶结，形成的胶结体有良好的耐久性和强度。

c.劣势。水泥遇水胶结成团，无法对泥浆充分固结，固结效果较差，且掺量较大，成本高。

2.2.3 HAS固化剂

a.作用机理。HAS固化剂及其系列产品是以工业废渣为主要原材料生产的一种新型水硬性硅铝基灰渣胶凝材料。该系列产品能有效固结土壤、淤泥、尾砂、粉煤灰等各种细颗粒，具有早期强度高，后期强度稳定发展、无“倒缩”等特点，通过同相类同相固结，使固结体具有良好的耐水性和水稳性。

b.优势。与传统的固化方式如水泥、石灰固化等相比，在同等条件下，同龄期固化体的强度得到了很大的提高，且抗渗、抗冻、防腐蚀性能更好，掺量更低。

固化后的泥浆相比固化前的体积降低30%。可以减少外运的土方量，节约外运成本。

经固化剂固化的泥浆，其强度和水稳定性能均有较大幅度的提高，遇水不会二次成泥，固化土可以作为回填土料再利用，这是区别于石灰固化泥浆二次成泥的最大优势。

HAS固化剂用于固化泥浆，由于掺量低，施工简易，使固结土更均匀，可以提高施工效率，避免泥浆直接外运需专用堆场的处置费用，大幅度降低综合施工成本。并且通过HAS固化剂进行改性处理后，可有效降低土壤中的有毒有害物质及金属浸出，能有效避免对环境造成二次污染。

2.2.4 经济成本比较

参考航道疏浚技术交通行业重点实验室关于固化材料配比试验结果分析：当淤泥初始含水率在60%～70%时，单掺水泥的处理效果好于生石灰，且水泥的掺灰比7%为比较合适的值，而根据单掺生石灰的淤泥含水率变化规律，生石灰掺量为12%较适宜。根据葛洲坝地下空间泥浆现场取样实验室试验数据对比分析，HAS固化剂掺量5%可以满足固化外运要求。

根据地勘报告：杂填土重度为18.3kN/m3，素填土重度为18.8kN/m3，淤泥质粉质黏土重度为18.0kN/m3。经换算，杂填土密度为1.865t/m，素填土密度为1.916t/m3，淤泥质粉质黏土密度为1.835t/m3。

现暂以湿密度1.835t/m3计算每方淤泥各固结材料成本。

固化剂用量：5%×1835kg=91.75kg；

水泥用量：7%×1835kg=128.45kg；

生石灰用量：12%×1835kg=220.2kg。

参照南京市场造价通网，水泥价格为510元/t，生石灰价格为310元/t，固化剂价格680元/t，因此各固结材料成本为：

固化剂：0.09175×680=62.39元/m3；

水泥：0.12845×510=65.51元/m3；

生石灰：0.2202×310=68.26元/m3。

3 HAS固化剂试验研究分析

本工程在10号地块西侧定山大街西路泥塘处进行试验，通过配比试验，确定最佳配比为5%。泥浆固化后，土的物理性能和力学指标等均有效提高，48h后固化剂改良淤泥的改性土符合回填土要求，从而使淤泥质软土变成良好的基床填土。根据现场试验泥浆含水率变化，泥浆土经现场拌和后闷料3～4天便可进行基床填筑施工(见图2)。

图2 HAS固化剂试验机械拌和

4 淤泥处理深度确定

根据总体规划，地下连续墙施工道路、三轴搅拌桩施工平台下铺设300mm厚C30混凝土，内含HRB400级φ14@300双层双向钢筋。根据施工规划，确定设备选型及材料自重(见表4)。

表4 设备及材料自重

由表4可知，最大自重为300t的履带吊吊装钢筋笼行走过程，视吊车与吊物为整体，故最大自重=3792.6+980=4772.6kN。

在机械行走过程中，根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)，考虑受力方式为轴心受压。钢筋笼竖起时，吊车及吊物整体重量为4772.6kN。吊车两个履带尺寸为6.89m(长)×1.16m(宽)。应力分配到两条履带上，不平均分配系数取1.2，则履带传递到混凝土硬化层表面的压应力为

σ=1.2×4772.6/(6.89×1.16×2)=

358.28kPa<[fc]=14.3MPa

满足要求。

混凝土扩散角按45°考虑，传递到混凝土硬化层下地基应力为

σ=358.28×6.89×1.16/[(6.89+0.3×2)×

(1.16+0.3×2)]+0.3×24=224.42kPa

根据该区域的勘察资料，固化土层下为淤泥质土层，该层的承载力特征值为60kPa。以固化后表层土的目标承载力特征值224.42kPa为前提，计算软弱下卧层的承载力(见表5)。

表5 淤泥质土的标准承载力要求

通过计算可以发现，为保证固化表层承载力达到224.42kPa承载力的要求，经对固化层以下软弱下卧层承载力的校核验算：最小固化深度为1.8m，结合现场试验段试验数据及固化处理施工经验，为保证固化土层压实度，固化处理后最小厚度为2.0m。

硬化层下采用HAS固化剂处理软土，扩散角按30°考虑，传递到原始地面地基应力为

σ=224.42×6.89×1.16/[(6.89+0.3×2+2.0

×1.73×1.4)×(1.16+0.3×2+2.0×1.73×

1.4)]+0.3×24+2.0×14=57.22kPa<60kPa

满足要求。

5 HAS固化处理施工方法

5.1 施工准备

淤泥固化施工前，进行现场踏勘，复核杂填土、素填土、淤泥、水塘等软土区域，确定处理范围。现场存在水塘，淤泥处理前需先将水抽排。水泵选用7.5kW清水泵及7.5kW泥浆泵，通过消防水带就近将水排入已建排水沟中。现场水塘处存在较多芦苇，施工前先予以清除，植被清理完成后，将芦苇塘中带根淤泥及带腐淤泥清除干净。

同时对场地内杂填土、素填土、淤泥质粉质黏土等进行承载力检测，作为固化剂投加量及固化深度复核依据。在场地软土区域内进行软土取样，检测含水率、湿密度等参数，复核固化剂投加配合比。

5.2 投料拌和

检测完成后进行投料拌和，由于处理深度较深，若一次性全部处理后期无法进行压实回填，回填压实度、承载力无法保证。故需分层处理，处理层厚为40cm/层。以二区1段(10号、13号、16号地块)为例，拟将场地划分为33个40m×44m区域，先施工东西两侧再施工中间部位。为加快施工，南北相向施工。

图3 投料拌和流程(尺寸单位：m)

由于软弱土层需分层固化，在施工过程中1～11号、23～33号底部留40cm厚软弱土层，上部采用推土机及挖机将淤泥转至中间区域(12～22号)，待底部40cm处理完成后再层层进行转移、投料、拌和。处理过程中需采用台阶法斜坡搭接，形成均匀过渡。

采用人工与机械配合投料，按照确定的配合比直接将固化剂均匀摊铺在待拌和的淤泥的表面，采用挖掘机拌和，拌和2～3遍，至较均匀为止。

5.3 闷料

闷料期间做好防雨措施，防止拌和料因雨导致含水率增大，不利于回填碾压。

5.4 摊铺回填

摊铺集中进行，摊铺均匀后的混合料应根据含水率变化情况选择合适的碾压时机，防止水分过度蒸发或降雨损失。

采用18t压路机碾压固化后混合料。

5.5 养护

混合料经拌和、压实后，养护期间要保持稳定土层表面经常湿润，应限制重型机械进场。养护完成后，进行地基承载力复检，合格后进行道路、加工场地等后续施工。

6 结 语

通过本工程实践表明，HAS固化剂仅需小块场地，在施工场地受限时具有突出优势，环保效益、经济效益及社会效益等优势巨大。

a.环保效益方面。采用生石灰处理泥浆使泥浆呈碱性，泥浆外运堆弃会影响植被的生长。HAS固化剂本身为低碱低钙环保材料，固结后的泥浆可用作绿化用土，并能有效固结泥浆中的重金属，防止重金属浸出。

b.经济效益方面。生石灰固结泥浆会使泥浆体积膨胀，外运成本增加，而HAS固化剂能减少泥浆外运体积达30%，节省了外运成本。水泥、石灰固结泥浆的掺量高，HAS固化剂固化掺量综合成本更低，大大节省了材料成本。

c.社会效益方面。本工程地处国家级新区——南京江北新区，对于泥浆的处置，HAS固化剂作为一种环保型处置材料，在解决了泥浆环保处置、清洁外运问题的同时，也为泥浆资源化利用提供了解决方案，既助力了江北新区的环保建设也为节约南京土资源起到了良好的社会效应。