消石灰改良淤泥质土在水运工程上的应用研究

2016-11-12杜珊珊安徽省交通勘察设计院有限公司安徽合肥230011

安徽建筑 2016年2期

杜珊珊（安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011）

杜珊珊（安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽合肥 230011）

安徽省内河水运工程中往往产生大量的淤泥质土，对其进行合理利用可以节省费用，并节约土地和保护环境。文章对工程实践中的试验研究进行了总结，采用掺10%消石灰的方法，能够降低淤泥质土的含水率，提高其抗剪强度指标，其水稳定性能好，可以作为水运工程建设中的港区道路路基和新改建堤防堤身填筑用填料。

消石灰；改良；淤泥质土；水运工程

1 概述

近年来安徽省全力加快水运工程发展。由于水运工程多处于河流河岸及近岸，地貌单元多为河床及河漫滩，往往发育有深厚层淤泥质土，在这些工程中往往产生大量的淤泥质土，特别是挖入式港池和船闸改扩建工程。对这些淤泥质土，如果将其废弃，一方面需运离场址，需要大量的运费和修道路费用，同时产生环境污染；另一方面废弃的淤泥质土需要堆放场所，需要征地费，会对居民的生产和生活产生不良影响。同时水运工程建设中的港区道路路基和新改建堤防堤身填筑需要大量的土料，而场址附近土料多缺失，需要从远处外运，又产生大量的征地费和运费，并对环境造成破坏。如果将工程建设中产生的淤泥质土经处理改良作为路基、堤防填料，不仅能解决其外运需运费、占地和环境污染问题，而且能解决工程建设中所需填料问题，符合经济、科学发展和环保的政策方针。

淤泥质土，一般具有含水量高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高、渗透性低和灵敏度高等不良工程特性。如何经济、高效处置这类土，前人提出了不少有效的处理方案，如掺石灰、水泥、粉煤灰、石膏、水玻璃等对淤泥和淤泥质土进行改良固化，其中掺石灰是处理淤泥质土最普遍和经济的方法。诸多研究证实，不同地区的石灰改良土，由于淤泥质土在结构和化学组成上的差异，以至于在强度、压缩性改善程度和特征规律上会因为淤泥质土天然特性的不同而有所不同。

安徽省内水运工程建设中遇到的淤泥质土，除具有淤泥质土一般特性外，还具有自身的特性。因此现结合巢湖港巢城港区（一期）工程建设的实际情况，以该地区的淤泥质土为研究对象，在淤泥质土中掺入不同量的消石灰后，通过界限含水率试验、直剪试验、击实试验和无侧限抗压试验等研究石灰土的液塑限特性、强度特性、压缩特性和击实特性，为安徽省内港口和水运建设中遇到淤泥质土的改良方案选择以及相关淤泥质土工程的设计提供科学依据和参考。

2 工程概况

巢湖港巢城港区（一期）工程位于安徽省巢湖市区东南裕溪河左岸。港口设计年吞吐量290万t，设计代表船型1000 t级。码头设计高水位10.17m，设计低水位4.6m，码头顶面高程10.67～10.71m，前沿线布置在原有大堤后方平均约 80m处，港池为挖入式，底高程1.0m。整个码头占用岸线788m。该工程为皖中内陆最大货运港口工程。港区地处微弯河段，沿河建有人工大堤，堤顶标高11.0～11.5 m，堤坡 1∶3～1∶4。港区前沿位于左岸大堤内侧，以水稻田、沼泽地和水塘为主。地貌单元为裕溪河河漫滩。

本工程港池开挖后产生大量的淤泥质粉质黏土，如果将其废弃，则需要大量的运费和修建道路费用，还会产生环境污染；而新建堤防堤身填筑需要大量的土料，场址附近土料缺失，最近的取土料场运距约20 km，如果采用取土料场中的土料，需要大量的征地费和运费。为了减少费用和环保，决定采用经消石灰处理后的淤泥质粉质黏土作为新建堤防堤身填料。通过对淤泥质粉质黏土取样，对其进行各项配比改良，相应开展多项物理力学指标试验，为掺消石灰量的多少提供理论依据。

3 淤泥质土的物理力学性质

本工程港池区开挖的淤泥质粉质黏土，层顶埋深0.50～2.80 m，层厚6.90～12.20 m，深灰色，流塑状态，夹淤泥、淤泥质黏土和粉土薄层。经取样在试验室按《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）对其物理力学性质进行试验，其主要物理力学性质指标如表1所示。

淤泥质粉质黏土物理力学性质指标表表1

4 试验设计与试验的开展和试验结果

4.1 试验设计

工程中掺石灰法有掺消石灰和生石灰粉法。生石灰的主要成分是CaO和MgO。生石灰与水发生作用，生成Ca（0H）2，即消石灰（也称熟石灰）。近几年的研究表明，掺生石灰粉的效果优于掺消石灰的，因为生石灰粉与土的作用能力强，掺生石灰粉受气温和雨期影响较小；此外生石灰粉撒布拌和易均匀，返工率小，环境污染也相对较小，而且能节省投资。但生石灰粉法失效快，储运时间不能长，因此掺生石灰粉法虽然在国外应用较广，但在国内因生产和使用环节上尚存在一些障碍，生石灰粉的质量难以保证，储运条件也不易达到要求，所以目前掺生石灰粉法仍停留在研究阶段，还不能用于大面积施工，故本试验研究釆用掺消石灰的方法。

试验分别对不掺灰的素土和掺灰10%和15%的灰土样进行物理性质试验（包括液限、塑限）、压实制备试样进行力学性质试验（包括重型击实试验、压缩试验和无侧限抗压强度试验），研究掺灰对土样塑性、压实性、压缩性和强度的影响。试验所用消石灰系由生石灰消解而成，生石灰等级为二级。

试验方法对于物理性质试验和压缩试验按照《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999）进行；重型击实试验参照《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）进行；无侧限抗压强度试验参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）进行。

堤身填土的击实试验，水利规范要求采用轻型击实试验。对于本工程，由于堤防上有重型车辆通过，采用轻型击实试验后的参数不符合堤防建成后的实际情况，因此根据本工程特点，采用了公路规范路基填料击实试验方法，即重型击实试验。

4.2 试验的开展和试验结果

4.2.1 素土试验

选取了4组淤泥质粉质黏土做试验。首先做淤泥质粉质黏土的天然含水量和液塑限试验；晾晒，做素土的击实试验，得出素土的最大干密度和最佳含水量。得出的有关试验试验数据如表2所示。

4.2.2 掺10%消石灰试验

采用同样的4组淤泥质粉质黏土，掺入10%消石灰（消石灰含水量为8%），测定灰土的天然含水量和液塑限试验；通过击实试验确定灰土最大干密度和最佳含水量。得出的有关试验试验数据如表3所示。

4.2.3 掺15%消石灰试验

采用同样的4组淤泥质粉质黏土，掺入15%消石灰（消石灰含水量为8%），测定灰土的天然含水量和液塑限试验；通过击实试验确定灰土最大干密度和最佳含水量。得出的有关试验试验数据如表4所示。

淤泥质粉质黏土素土试验结果表2

掺入10%消石灰灰土试验结果表3

掺入15%消石灰灰土试验结果表4

4.2.4 掺 10%消石灰制作不同含水率灰土无侧限抗压强度试验

采用掺入10%消石灰（消石灰含水量为8%）灰土，制备含水量分别为20%和25%的直径50 mm，高50 mm无侧限抗压强度试样，标准养护7d，测定灰土的无侧限抗压强度，结果是：含水量20%的灰土，无侧限抗压强度为0.37 MPa；含水量25%的灰土，无侧限抗压强度为0.31 MPa。

5 试验结果分析

5.1 掺灰对淤泥质粉质黏土塑性的影响

掺消石灰后，液限、塑限和塑性指数均提高，但随着消石灰掺入量提高，塑性指数有下降的趋势。这与消石灰与水作用产生胶体有关，当掺消石灰量增多时，粉粒增加，塑性进而减少。

5.2 掺灰对最佳含水量的影响

掺消石灰后，最佳含水量增加，最大干密度减小。这样有利于填料的晾晒和压实。

5.3 掺灰对抗剪强度的影响

掺消石灰后，土体的抗剪强度内摩擦角得到大幅度提高，用其填筑堤防、路堤，有利于堤防、路堤的稳定。

5.4 不同掺灰率改良淤泥质土的效果分析

通过以上对比试验结果发现，掺消石灰后可使淤泥质粉质黏土的含水率降低，有利于填料的晾晒，掺10%消石灰和掺 15%消石灰，对含水率降低幅度改变；同样两种比例掺灰，对液限、塑限、最佳含水量和抗剪强度指标的改善变化均不大。由此验证了前人的研究结果：掺石灰改良淤泥质土的效果并不是随着掺灰率的增加无限增长，而是达到某一掺灰率后呈变化不大的趋势。

5.5 掺灰土水稳定性

掺入 10%消石灰含水量分别为 20%的灰土和25%的灰土，无侧限抗压强度分别为0.37 MPa和0.31 MPa，差别不大，说明掺灰10%的灰土水稳定性很好。