改良桩基清渣淤泥土承载力特性及机理研究

李琴

（1 中交一公局厦门工程有限公司；2 中交一公局厦门检测技术有限公司）

0 引言

随着经济的高速发展，交通基础工程发展迅速，一方面，随着公路工程大量的扩建、新建，路基需要很多的填土材料，通常情况下，填土材料的获取主要通过开山采土或者开挖田地等方式，这种取材方式对环境的破坏程度很大，触碰了保护生态环保的红线；另一方面，公路工程建设过程中，经常会产生许多难以直接利用的淤泥土，包含且不限于桩基清渣淤泥土等，这些淤泥土具有高含水量、低强度等特性，以致于无法满足路基工程填料的要求，因此通常采用废弃堆放方法，不仅危害环境，还浪费资源。若能将这些废弃的淤泥土改良，使之成为满足要求的填土材料，然后用于路基填筑，不仅有助于满足公路建设的填土需求，还可以避免由于堆放废弃淤泥土引起的废固污染。本研究通过处理改良桩基清渣淤泥土，旨在提供一定的淤泥改良技术及试验应用指导。

1 试验材料与方法

1.1试验材料

1.1.1桩基清渣淤泥土

选取海南铺前大桥桩基清出来的淤泥土作为样品，性能见表1，粒径分配图见图1。

综合表1、图1数据可以得出：铺前大桥桩基清渣淤泥属于低液限粉质黏土，CBR 性能指标不满足《公路路面基层施工技术规范》要求。

表1 桩基清渣淤泥技术指标

图1

1.1.2改良剂

根据该淤泥含水量高、力学性质差、不易搅拌与分散等特点，优选改良剂如下：

⑴水泥：42.5普通硅酸盐水泥。

⑵生石灰：CaO+MgO含量≥75%。

1.2试验方法

⑴层铺+翻铺法。

根据工程施工实际情况，模拟路拌法工艺在试验室内采取层铺+翻铺法相结合的混合技术，具体操作如下：称取合适质量的淤泥土与改良剂，将淤泥土与改良剂均分为两份，均匀铺撒一层淤泥土后，在淤泥土上面均匀铺撒改良剂，然后用铲子进行翻铺，待混合较充分后，再均匀铺撒另一层淤泥土与改良剂，再进行翻铺，混合较充分后放置室外进行风干，见图2、图3。

图2 室内试验

图3 室外风干

⑵击实试验。

参照JTGE40-2007《公路土工试验规程》中重型击实试验方法。

⑶承载力试验。

参照JTGE40-2007《公路土工试验规程》中承载比试验方法。

2 击实试验结果

2.1水泥改良淤泥土击实试验结果

取水泥掺量为0、3%、6%、9%、12%的淤泥土进行击实试验，试验数据结果见表2。

表2 水泥-淤泥改良土最佳含水量和最佳干密度试验结果

分析表2可以得出：

随着水泥掺量提高，淤泥改良土最佳含水量随之提高，掺量为0 时，最佳含水量为10.2%，掺量为12%时，最佳含水量为14.6%，整体增幅为43.1%；另外，随水泥掺量提高，最大干密度不断降低，掺量为0 时，最大干密度为1.97，掺量为12%时，最大干密度为1.74，整体减小幅度为11.7%。分析原因为：水泥加入淤泥中后，与淤泥土中的水发生了水化反应，土颗粒表面水膜因此变薄，从而导致最大干密度减小，最佳含水量提高。

2.2生石灰改良淤泥击实试验结果

取生石灰掺量为0、3%、6%、9%、12%的淤泥土进行击实试验，试验数据结果见表3。

表3 生石灰-淤泥改良土最佳含水量和最佳干密度试验结果

分析表3可以得出：

随着生石灰掺量增加，淤泥改良土最佳含水量随之提高，掺量为0 时，最佳含水量为10.2%，掺量为12%时，最佳含水量为14.3%，整体增幅为40.2%，略小于掺水泥的增幅；另外，随生石灰掺量增加，最大干密度不断降低，掺量为0 时，最大干密度为1.97，掺量为12%时，最大干密度为1.77，整体减小幅度为10.2%，略小于掺水泥的减幅。

3 CBR试验结果

取水泥和生石灰掺量为0、3%、6%、9%、12%的淤泥改良土进行CBR试验，试验数据结果见表4、表5。

表4 水泥-淤泥改良土CBR值试验结果

表5 生石灰-淤泥改良土CBR值试验结果

分析表4、表5可以得出：

⑴随着水泥掺量的增加，淤泥改良土的CBR 值呈增大趋势。水泥掺量为0 时，淤泥土92 区、94 区、96 区的CBR 值分别为1.1、1.9、3.6，均不满足二级公路路基施工要求；当水泥掺量为3%时，淤泥改良土92 区、94 区、96 区的CBR 值分别为5.6、6.2、11.5，其CBR 值强度满足二级公路路基施工要求；随着水泥掺量增加为6%、9%、12%，淤泥改良土的CBR 值显著提高。说明水泥作为淤泥土的改良剂，能较好地改善其强度指标。

⑵随着生石灰掺量的增加，淤泥改良土的CBR 值呈增大趋势。当生石灰掺量为3%时，淤泥改良土92区、94区、96 区的CBR 值分别为4.5/5.8/7.6，其CBR 值强度满足二级公路路基施工要求，随着生石灰掺量增加为6%、9%、12%，其淤泥改良土的CBR 值显著提高。说明生石灰作为淤泥土的改良剂，能较好地改善其强度指标。

⑶对比改良后的CBR 值，可以看出水泥较生石灰改良效果更好。

⑷掺入水泥和生石灰后，淤泥改良土的膨胀率有所降低，但改良剂掺量与膨胀率的变化并无明显规律，且变化也不明显，膨胀率在0.12%～1.24%上下浮动，说明改良剂掺量对淤泥改良土的膨胀率影响不大。

4 SEM微观结果分析

4.1水泥改良淤泥土的影响研究

水泥作为改良剂的淤泥改良土的SEM 图见图4、图5。

图4

图5

从图4、图5 我们可以看到纤维状的钙矾石花簇及针状的钙矾石晶体，也能够观察到絮状C-S-H 胶凝体和大颗粒团聚，这是因为水泥作为改良剂与淤泥土混合之后，水泥与土中的水发生了水化反应，水化产物生成后，有的产生大量纤维状钙矾石晶体，纤维状的晶体向外延伸，在泥土颗粒间隙形成网状构造，进一步形成水泥石骨架，有的则与泥土中具有活性的细颗粒反应，加强骨架结构。水化产物中生凝胶粒子C-S-H 的比表面积很大，具有强大的表面能，因此，其表面有很大的吸附力，可以吸附较大颗粒土团，进一步团聚起来形成水泥土的团粒结构，形成坚固的结合体，宏观表现为淤泥改良土的CBR 值强度提高。此外，水化产物的另一种物质Ca(OH)2，会与空气中的CO2发生化学反应生产CaCO3，进一步提高淤泥改良土的强度。

4.2生石灰改良淤泥土的影响研究

生石灰作为改良剂的淤泥改良土的SEM 图见图6、图7。

图6

图7

从图6、图7 我们可以看到大量的针片状Ca(OH)2晶体和胶结物，这是因为将生石灰作为改良剂掺入淤泥土后，在淤泥土中水的作用下，生石灰迅速消解，产生Ca(OH)2和少量Mg(OH)2，并离解出Ca2+，Ca2+和K+和Na+发生离子交换反应，使胶体吸附层变薄，降低了电位，从而使黏土的胶体絮凝形成胶结物，使淤泥土的塑性指数下降并水稳定成型，形成早期强度。其次，Ca(OH)2绝大部分以结晶水的形式存在，形成(Ca(OH)2·nH20)晶体，此晶体与土粒结合形成共晶体，进一步填充了淤泥土颗粒间的孔隙，将土粒胶结成一个整体，使改良土的强度和水稳定性得到改善。最后，Ca(OH)2会不断和空气中的CO2反应，生成具有较高强度和水稳定性的CaCO3颗粒，进一步提高土体的强度。

5 结论

⑴水泥和生石灰掺量在0～12%范围内，随着改良剂掺量的提高，淤泥改良土的最佳含水量随之提高，最大干密度随之降低。

⑵水泥和生石灰掺量在0～12%范围内，随改良剂掺量提高，淤泥改良土的CBR 值随之提高，而膨胀率有所降低但变化无规律且不明显，其中，水泥较生石灰改良效果更理想。

⑶通过SEM 微观分析发现：水泥作为改良剂主要通过水化反应形成的水泥石起骨架作用，并通过Ca(OH)2的物理、化学作用来增加土体的强度。

⑷生石灰作为改良剂主要通过Ca(OH)2的物理、化学作用来形成土体的早期强度和后期强度。