真空抽吸方法处理某建筑废弃泥浆池试验研究

2016-09-03沈华荣

浙江建筑 2016年8期

关键词：泥浆池排水板分区

沈华荣

（天颂建设集团有限公司，浙江台州 317500）

真空抽吸方法处理某建筑废弃泥浆池试验研究

沈华荣

（天颂建设集团有限公司，浙江台州 317500）

采用3种不同排水系统的真空预压方法对泥浆池的处理开展了试验研究。分析了气管、滤管、气管+滤管等3种不同的真空预压抽吸方法，对泥浆池的表面沉降、孔隙水压力等监测数据的影响。真空卸载后，通过原位十字板试验和平板载荷试验对地基承载力进行了检测，并对处理前后的土体物理力学特性变化进行了分析。结果表明，3个区块（场地）的地基承载力均有显著提高，其中以气管+滤管结合的真空抽吸排水方法效果最优。

废弃泥浆；真空预压；沉降；孔隙水压力；地基承载力

基本建设工程施工往往会产生一定数量的建筑泥浆，如桥台、高层建筑基础桩基工程所用的施工泥浆。这些泥浆主要起确保孔壁稳定，作为输送介质携带钻渣出孔的作用，使用完成后废弃，基本上采用管道输送或车运方式集中倾倒堆放到空地贮存，按沉淀池方式处理。

建筑泥浆的排放不仅占用土地，而且会带来诸多环境问题。随着城市基础设施建设的日益推进，建筑废弃泥浆的处理日益引起了人们的关注。目前常用的方法有化学固化处理法［1］、化学絮凝固液分离处理法［2-4］和土地耕作处理法［5］等。这类泥浆由于形成时间短，通过室内试验了解到其工程特性表现为高含水率、高孔隙比、高压缩性，以及低强度、低渗透性，自重条件下未完成固结，属欠固结土，具有不稳定性和一定的流动性，称为超软土。基于建筑泥浆的这些性质，本文提出采用就地真空吸水水土分离方式处理废弃泥浆的新方法。通过在泥浆中插设排水通道，铺设密封膜，接入真空泵，在泥浆中产生负压，抽吸泥浆中的水分，利用大气压外荷产生挤压作用，形成排水、密实同步叠加效能，最大限度降低泥浆含水率，并形成一定的结构强度。试验表明：该方法能够就地解决泥浆处理问题，泥浆经这样处理后其承载力可达到40～50 kPa，可以作为建筑填料在一般公共场地使用，这样既处理了废弃污染物，又获取了有用的建筑土料，达到综合处理建筑泥浆的目的。

1 场地概况

本试验选定一面积约3 000 m2的泥浆池作为现场试验区。通过对试验场区泥浆池浅层开挖初步踏勘，可见分布全区植物根系，表面长满小手指粗细的芦苇等灌木植物，植物平均高度达2 m 左右。泥浆沉积土为灰黄—灰黑色，饱和，地下水位约为地表下0.5 m。试验区泥浆深度约为2 ～2.5 m，虽经长期晾晒，表面失水，但场地硬壳层厚度只有100 mm，不能满足人员及机械的施工承载力需求。其天然含水率大于液限，由现场十字板剪切试验得到的不排水强度极低，泥浆范围内均小于4 kPa。颗粒分析试验结果表明该泥浆土所有粒组的粒径小于0.075 mm的黏粒含量为87.8%，其中粒径小于0.005 mm 的黏粒含量为26.5%。基本的物理力学指标见图1、表1。

从常规土工试验结果来看，试验区泥浆土与附近海底吹填淤泥的颗粒级配、液塑限、渗透性等物理性质均相近。而吹填淤泥采用真空抽吸水土分离方法处理取得了成功［6］，因此对经济开发区内的泥浆土也可以采用类似方法进行处理。泥浆土与淤泥物理性质对比见表2。

图1 试验前场地十字板剪切强度

表1 处理前泥浆土物理力学性质指标

表2 泥浆土和海底淤泥物理性质比较

2 试验方案设计

就地真空吸水抽吸水土分离是通过在泥浆中插设塑料排水板作为竖向排水通道，然后地表布置水平向滤管或者气管与排水板相连，铺设密封膜封闭后接入真空抽吸装置（射流泵），形成负压，负压沿塑料排水板向下传递，进而向土中传递。在负压作用下，孔隙水渗流到排水通道排出，降低了泥浆含水率，使泥浆土得到排水固结［7-8］。泥浆经这样处理后其承载力预计可以达到40～50 kPa，可以作为建筑地基或填料，从而达到综合处理建筑泥浆的目的。真空抽吸水土分离方法见图2。

图2 真空抽吸水土分离剖面图

将泥浆池分为3个区块，每个区块1 000 m2，采用3种不同排水系统的真空抽吸方法进行处理，探索建筑泥浆技术可行、经济快速、环境污染最小的处理技术方法。具体试验分区实施方案如下：

分区A：滤管+排水板+覆膜，简称滤管区。B型排水板间距0.8 m，正方形布置。该区的滤管布设方法与常规真空预压施工方法一致［9］。

分区B：气管+排水板+覆膜，简称气管区。B型排水板间距 0.8 m，正方形布置。该区气管采用前期研究的气管直吸方法布设［10］，在排水板顶部插入带有出水口的塑料板帽。板帽为敞口内收间距形式，便于排水板插入。板帽通过PE专用快速气动接头和PU专用气管相连，气管内径8 mm。每排气管用主管串联后连接到真空泵，开启真空泵可以直接抽吸泥浆中孔隙水。该连接方法我们称为气管直吸法，连接效果见图3。

图3 排水板、板帽、接头、气管抽吸系统

分区C：滤管+气管+排水板+铺膜，二次抽吸模式，简称气滤区。采用B型塑料排水板，正方形布置，每部分排水板间距均为0.8 m。其中第1部分排水板采用滤管连接；第2部分排水板用气管连接，采用气管直吸方法。两部分抽吸系统相互独立。覆膜后气管部分先真空抽气，根据场地监测数据，1～2个月后开启滤管部分真空抽气；二次抽吸系统布置图见图4。

图4 分区C二次抽吸系统布置示意图

三个分区的排水板的插设深度根据泥浆池的深度而定，滤管区因位于泥浆池边缘位置，深度较浅，经探杆试探该区平均深度约为2 m；气管区和气滤区的泥浆平均深度约为2.5 m。

3 监测结果分析

每个区块布置一台7.5 kW的射流泵，做好维护工作，并对各区块进行了膜下真空度、地表沉降、土体中孔隙水压力等监测。抽真空历时90 d，抽真空过程中3个区块膜下真空度基本一致，均稳定在80 kPa以上。

3.1 地表沉降

地表沉降能够直观地反应真空预压的处理效果。3个区块真空预压过程中的总沉降为滤管区256 mm、气管区341 mm、汽滤区420 mm。沉降速率初期可达10～20 mm/d，70 d 后平均沉降速率已低于2 mm/d，趋于稳定。各分区表面的沉降历时曲线见图5。

图5 各分区表面沉降时程曲线

从沉降时程曲线看，气管区沉降量明显大于滤管区沉降量，这是由于气管直吸系统排水板芯通过板帽、气管与真空泵直接相连，泵与排水板之间是密封直通的，真空传递几乎没有损失。而滤管系统排水板芯要透过板芯外面包裹的滤布、滤管外面包裹的滤布、滤管与真空泵相连，泵与排水板之间多了2层滤布，真空传递有一定损失，影响了处理效果。

将滤管+气管区和气管区相比较，在抽真空的前45 d，两区的沉降曲线基本一致。但 45 d 后，气滤区停止气管抽吸，开启滤管抽吸，之后其沉降量明显超过气管区沉降量，说明二次抽吸系统即第二部分滤管及其下的排水板发挥作用且超过了单一气管抽吸系统。

地基的最终沉降量可根据实测沉降资料按下列公式推算［9］：

式中：St为t时间的实测沉降量，cm；

S0为开始时的实测沉降量，cm；

t为真空抽吸时间，d；

S为最终沉降量，cm；

a、b为待定系数，可根据实测资料确定。

地基的应变固结度可根据实测沉降资料按下式推算：

式中：Ut为t时间地基应变固结度，%。

Ut由上述方法计算得3个分区泥浆应变固结度以及工后剩余沉降量见表3。

表3 各分区泥浆土固结度

由表3可知，各分区的固结程度不一，其中以采用二次抽吸模式的分区C的固结效果最好，达到了84.6%。分区B的固结度也达到了80.4%，而分区A的固结度仅有75.5%，说明采用气管排水系统的加固效果优于传统的滤管加固效果。

3.2 孔隙水压力消散

根据有效应力原理，排水固结就是土中超静孔隙水压力消散，有效应力增长的过程。对于真空抽吸方法来说，就是土中孔隙水压力负向增长形成有效应力增长的过程。本次试验中监测了泥浆土中孔隙水压力的变化，1.2 m 深度处各区超静孔隙水压力消散（负压增长）结果见图6。

图6 各分区超静孔隙水压力消散时程曲线

由图6可知，在真空抽吸作用下，泥浆土中负向孔隙水压力增长明显，气管区比滤管区的负向孔隙水压力增长更大。气滤区与气管区在抽真空期间的前 45 d 孔隙水压力曲线基本重合，但在 45 d后，气滤区停止气管抽吸开启滤管抽吸，负向孔隙水压力增长明显超过单一气管区。

由监测数据分析可知气滤区的处理效果最好，其原因是：由于泥浆土呈流动状，在经过一段时间的真空抽吸之后，泥浆中部分细小土颗粒也会向排水板处集聚导致排水板淤堵。经试验发现，淤堵使排水板滤膜的渗透系数降低到原来的1/12［11］，这直接导致排水板的排水功能严重下降。这时开启第二部分未受淤堵的滤管排水板可以起到新打设排水板的排水效果。即气滤区的二次抽吸系统可以使排水板的淤堵影响降到最低。