高含水量深厚碱渣地基处理及效果评价

陈少青 张 吉

(天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300000)



高含水量深厚碱渣地基处理及效果评价

陈少青 张 吉

(天津市北洋水运水利勘察设计研究院有限公司，天津 300000)

介绍了碱渣的基本性质，从真空预压法、堆载预压法、堆载+井点降水法三方面，阐述了碱渣填埋场区的地基处理方案，并对处理效果进行了评价，为今后类似工程提供参考。

碱渣，地基，井点降水法，孔隙水压力

0 引言

利用氨碱法制纯碱，每吨纯碱使用原盐约为1.5 t，其总利用率仅29%，其余均摒弃不用。为了分解氯化氨使氨循环利用，需在系统中加入石灰乳进行蒸氨，此过程中所形成的氯化钙、碳酸钙、石灰石带来的二氧化硅、碳酸钙以及由原盐带来未除尽的少量杂质都从蒸馏塔底排出，每吨碱约排10 m3，其中固体废渣约为300 kg～350 kg[1]。天津碱厂建厂多年产生了废渣2 000万 t以上，在临海地区形成了多座堆放高度在10 m以上的碱渣山，天津港碱渣山是天津滨海新区核心区仅存最大的碱渣排放区，位于天津港北疆港区的中心位置。天津港碱渣山总占地面积约为169万 m2，碱渣总量约为1 121.73万 m3[2]。碱渣山占用了大量土地资源，且常年露天堆放极易起尘，不可避免的带来了污染和安全问题。

为了解决碱渣堆放带来的安全、环境以及占用土地问题，提出了以开挖纳渣坑进行碱渣填垫为主、以碱渣拌制粉煤灰制工程土为辅的联合搬迁治理方案。碱渣山场区附近开挖纳渣坑4块用于填埋碱渣，每块面积约20万 m2，开挖深度16 m，然后将碱渣山堆放的纯碱渣运输至此填埋。但由于碱渣含水量高、压缩性大、抗剪强度低，填埋后的碱渣场地无法直接使用，必须进行适当的工程处理。

1 碱渣的基本性质

1.1 碱渣的化学成分

碱渣是氨碱法生产纯碱过程中留下的废渣，其化学成分取决于原料石灰石以及粗盐的成分，碱渣的化学成分含量显示碱渣主要由难溶的盐类如CaCO3,CaSO4及铝,铁,硅的氧化物等形成碱渣的骨架，其化学含量检测结果如表1所示[3]。

表1 碱渣的化学成分含量 %

1.2 碱渣的物理性质

碱渣具有与天然土类似的特点，碱渣由碳酸钙等难溶盐、含有可溶性盐的液相、气体组成，这正是一般土的三相性，同时属于非连续性介质。但是碱渣也具有很多不同于一般土的性质，其比重明显低于一般土，仅为2.34，在物理力学性能等方面有着较大差异。碱渣颗粒是由细小的颗粒团聚而成，其成分以文石为主以及Mg(OH)2,CaSO4等结晶物。通过扫描电镜分析，碱渣由粒径在2 μm～5 μm的颗粒团聚而成，团聚体粒径大部分在0.01 mm～0.074 mm之间，属于粉粒范围。

2 碱渣填埋场区地基处理方案

本次项目碱渣填埋场区埋深达16 m，与以往浅埋碱渣地基并不相同，因而以往的工程实践经验并不一定适用于本项目。为保证4个碱渣纳渣坑共计80万 km2填埋场区地基处理达到预定效果，在二号纳渣坑选取三块试验区进行预处理，以期为大面积深厚碱渣场区地基加固处理提供借鉴。各试验加固处理区面积2 500 m2，分别采用真空预压法、堆载预压法以及堆载+井点降水法进行地基加固处理，三种地基处理方案交工控制标准相同，以地基变形控制为依据即按实测沉降曲线推算的固结度大于90.0%且连续5 d地表实测平均沉降速率不大于2.0 mm/d。

2.1 真空预压法地基处理施工方案

真空预压法地基处理首先在碱渣填埋场区地表回填50 cm素填土作为施工工作垫层并整平，然后铺设中粗砂水平垫层400 mm，打设竖向排水板，排水板呈正方形布置，间距为1.0 m，排水板穿透碱渣进入坑底原泥面；铺设水平滤管，安装射流泵，并铺设一层编织布和两层密封膜，连接抽真空设备施加真空压力。

2.2 堆载预压法地基处理施工方案

堆载预压法地基处理场地整平打设竖向排水板同真空预压法；采用碱渣制土作为堆载料，堆载前先铺设一层400 g/m2土工布，总堆荷80 kPa；按图1堆载“加荷—时间”示意图施加荷载。

2.3 堆载+井点降水法地基处理施工方案

堆载+井点降水法地基处理场地整平打设竖向排水板同真空预压法；埋设降水井，降水井间距为15 m，按正方形布置；待降水10 d后再进行堆载，采用碱渣制土作为堆载料，堆载前先铺设一层300 g/m2土工布，总堆荷80 kPa，堆载时注意对降水井采取适当的保护措施。

3 碱渣场区地基处理效果评价

通过地基处理需消除地基主要沉降，提高地基强度。为评价地基处理效果，在地基处理前后分别钻取碱渣试样进行室内土工试验以及现场十字板剪切强度原位测试，在地基加固处理过程中布置了沉降观测、孔隙水压力观测等观测项。

3.1 地基沉降变形情况

各地基处理试验区达到交工固结度和沉降速率时，真空预压试验区沉降量598.5 mm；堆载试验区沉降量1 260.3 mm；堆载+井点降水试验区沉降量1 668.7 mm。

图2是各试验区地表沉降随时间变化曲线，真空预压试验区的沉降主要发生在施加真空荷载初期；堆载预压区前期沉降几乎可以忽略，当开始施加荷载后，沉降速率增加明显，尤其是在第三级荷载满载后沉降速率增大幅度较大；堆载+井点降水区在首级荷载未施加但已开始井点降水后，区内已有明显沉降，堆载荷载施加后沉降速率显著增长。

3.2 地基孔隙水压力变化情况

各试验区在不同深度埋设有孔隙水压力测头用于观测孔隙水压力变化情况，图3是各区选取地表以下2 m处孔隙水压力随时间变化曲线，真空预压区孔隙水压力消散主要发生在前期，中期由于现场检修停止抽真空加载孔隙水压力迅速反弹，但恢复正常抽真空后孔隙水压能够再次消散到前期水平；堆载预压区孔隙水压力消散较慢，加载过程中孔隙水压力明显反弹，恒载过程中孔隙水压力持续消散，但消散速率较小；堆载+井点降水区前期首级荷载未施加但已开始井点降水后，孔隙水压力消散较快，一旦进行堆载加载孔隙水压力反弹明显(加载期间停止降水)，恒载降水过程中孔隙水压力迅速消散。

3.3 地基处理前后碱渣物理力学指标变化情况

各试验区在地基处理前后进行室内土工试验，三种地基处理方法均能明显提升碱渣物理力学指标，但堆载+井点降水区效果最为显著，堆载预压区效果次之，真空预压区效果最差。表2为堆载+井点降水区地基处理前后物理力学指标变化情况。

表2 地基处理前后碱渣物理力学指标

各试验区在地基处理前后进行现场十字板剪切原位测试，由于十字板剪切强度随深度变化较大，因而分地表至10 m深度和10 m深度以下两层进行指标统计。图4显示三种加固方法均能有效的提高碱渣的抗剪强度，但堆载+井点降水区效果最好，堆载预压区效果次之，真空预压区效果最弱。

4 结语

1)由于碱渣具有高孔隙比、高渗透性的特点，利用真空预压法处理碱渣地基时真空荷载能够通过水平滤管和竖向排水板很快传递到碱渣地基内，碱渣内的自由水也能迅速排除，因而在抽真空初期阶段地基沉降和孔隙水压力消散就能迅速发生。

2)堆载+井点降水法处理碱渣地基时，通过井点降水方法也能迅速将碱渣内的自由水排除，同时将堆载压力快速转化为有效应力，但在第三级堆载压力施加后沉降快速加大，因而在实际工程使用中为保证地基稳定一定不能超载使用。

3)真空预压法、堆载预压法以及堆载+井点降水法用于高含水量深厚碱渣地基处理都能取得不错的效果，但是堆载+井点降水法对于消除碱渣地基沉降，提高碱渣物理力学指标是最为有效的。

[1] 大连化工研究设计院.纯碱工学[M].第2版.北京:中国化工工业出版社，2004.

[2] 黄泰坤,庞 然,闫澍旺,等.天津港碱渣搬迁治理方案[J].港工技术，2013,50(6)：44-46.

[3] 闫澍旺,孟祥忠,刘 润.碱渣土的工程性能研究[J].岩土工程界，2002,5(5)：25-28.

High water content deep-thick sludge foundation treatment and effect evaluation

Chen Shaoqing Zhang Ji

(TianjinBeiyangShippingHydrologySurvey&DesignInstituteCo.,Ltd，Tianjin300000,China)

The paper introduces basic properties of sludge, describes foundation processing methods of sludge filling field from three aspects of vacuum preloading method, preloading method and well-point dewatering method, and makes an evaluation of the treatment effect, which has provided some guidance for similar engineering in future.

sludge, foundation, well-point dewatering method, pore water pressure

1009-6825(2017)18-0052-02

2017-04-07

陈少青(1984- )，男，硕士，工程师

TU441.6

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