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淤泥原位固化技术在淤泥软基处理中的研究与应用(一)

2024-01-03 新闻中心

  通常水利、交通、土建、市政设施建设工程遇到的最大难题就是淤泥软基处理。软土地基具有自身矿物质成分复杂、天然含水率高、天然孔隙比大、渗透系数小、压缩性高、强度低等特点,因此,地基承载力低,不均匀沉降大,易引起建筑物滑动、坍塌、倾斜等。针对淤泥软基的处理国内外也有不同的处理方法,主要有挖除换填法、复合地基法、排水固结法、化学加固法等。近年来,由于化学加固方法具有施工周期短、适合使用的范围较广、实施工程简单方便、固结形状可控制、耐久性较好等特点,被大范围的应用。这种方法的相应新技术发展较快,常见的有水泥搅拌桩施工方法、高压旋喷桩施工方法。淤泥原位固化技术是在此基础上研究开发的一项新技术,实现了在各种淤泥软基表面的原位直接施工,将淤泥进行原地固化,而且大幅度的降低了材料用量。

  淤泥原位固化技术主要是针对各类淤泥软基工程,在淤泥软基表面直接将固结材料与淤泥搅拌,使其充分发生固化反应,实现淤泥的原位固化处理。

  利用固化材料激发淤泥活性、以提高淤泥强度、降低污染物的可溶性为目标进行研发。通过一系列分析海涂淤泥的特性及其主要化学成分组成,针对海涂淤泥化学成分的各种特性,利用胶凝固化原理,以工业废渣粉煤灰、矿渣作为主要材料,同时配以特殊的比例的水硬性胶凝材料、碱性激发剂、膨胀剂、表面活性剂、减水剂、凝固剂和辅助剂混合制成固化剂。

  通过大量的室内试验研究分析与对比,开发了一种固化速度快、固结强度能满足软基处理设计的基本要求的固化剂。该固化剂充分的发挥了淤泥单元矿物成分中硅酸盐矿物质的活性,快速产生固化反应,不仅使淤泥颗粒各单元相界面牢固结合,而且能与淤泥颗粒中的活性物质发生反应生成膨化胶凝物质,既能经过化学激活产生结合,又能产生物理结合,同时还可以把重金属、有机物封存,防止有害于人体健康的物质溶出,使土体产生高强度的同时,还拥有非常良好的水稳性和耐久性。

  以宁海某工程的泥质为例,对不同固化剂掺和比、不同龄期下的淤泥固化土进行抗剪试验,按塑性状态换算地基承载力,假设基础受中心荷载,地基上刚慢慢的出现剪切破坏时的临界压力作为地基承载力值。试验结果见表1。采用淤泥原位固化技术做试验,28d取样效果见图1。固化后的淤泥芯样完整、强度大,固化8m范围内的芯样平均强度在1.0MPa以上,高于普通水泥搅拌桩的强度。固化桩搭接连成完整的固化区域,区域强度可根据置换率进行调节,以满足多种固化区的承载力设计要求。

  结合机械搅拌技术与高压旋喷技术,搅拌的同时结合加压旋喷,实现海涂淤泥与固化剂的充分均匀搅拌。根据下钻、提升速度与搅拌回转速度,设计采取了液压分流阀,调试淤泥施工机械设备各液压马达的技术参数。经试验可知,要实现海涂淤泥与固化剂的充分均匀搅拌,搅拌次数应达到24次以上,针对不同淤泥,施工前应先通过现场试验,确定最佳搅拌次数。设备的下钻、提升速度与搅拌回转速度、搅拌杆升降次数按式(2)确定。

  如海涂淤泥与固化剂搅拌次数按要求达到24次以上,则下钻、提升速度与搅拌回转速度的对应关系见式 (2) :

  式中:N为搅拌杆升降次数(采用四搅两喷,取4);n为回转速度,转/min;h为叶片高度,m;Z 为叶片数量,个;v为升降速度,m/min。

  利用输送系统变频器控制泥浆泵的电机,实现供浆流量的控制,通过安装浆液计量仪进行浆液计量监测;根据设计供浆流量、供浆压力、固化剂用量、水灰比以及搅拌杆升降速度,按式(3)确定泥浆泵的供浆流量,调试泥浆泵以设定供浆流量对应的泥浆泵电机功率。

  式中:Q为泵输送流量,m3/min;r为桩半径,m;γ为泥浆容重,kg/m3;n是固化剂添加比例;m为水灰比;v为升降速度,m/min;α为喷浆循环次数;ρ为固化剂容重,kg/m 3。

  在施工工艺流程中,采用了四搅二喷的工艺,四搅二喷有2种做法: 做法1: 第1次下钻,喷浆搅拌施工; 第1次提升,喷浆搅拌施工; 第2次下钻,复搅至设计深度、不喷浆;第2次提升,复搅至工作面、不喷浆。做法2: 第1次下钻,喷浆搅拌施工; 第1次提升,不喷浆; 第2次下钻,复搅至设计深度,喷浆搅拌施工; 第2次提升,复搅至工作面,不喷浆。经试验比较,第1种做法,淤泥固化后的强度更高。分析可知,这是由于做法1 更能保证2次喷浆都有2次以上的复搅。

  高强度的胶凝固结作用,使固化后的淤(污)泥稳定性好、渗透系数小、孔隙率小,防止淤(污)泥渗滤造成二次污染。经某工业大学的模拟稳定性试验分析得出,其固化产物稳定性可达到70d。淤(污)泥固化后在自然条件的水中浸泡5d后的情况见图4。