疏浚泥固化处理填海筑岛现场试验研究

2019-03-10乐绍林高文波李华威

水道港口 2019年6期

路洋，乐绍林，陈伟，高文波，李华威

(武汉二航路桥特种工程有限责任公司，武汉 430071)

近年来，我国交通基础设施建设蓬勃发展，为了建设开放的现代综合运输体系，以港珠澳大桥为代表的“桥、岛、隧”集群工程将更多的列入区域发展规划，包括深中通道、大连湾跨海交通工程以及渤海湾大桥等。在“桥、岛、隧”连通中，人工岛起着海上桥梁和海底隧道转换的重要作用。人工岛的建设通常包括填砂法和吹填淤泥法，填砂法成本高；吹填淤泥法后期地基处理周期长，且难有效减小差异沉降[1]。近年来，淤泥的固化处理技术日益发展，将淤泥与固化材料混合反应后能够明显降低淤泥的含水率，提高土体强度，而且整体性和均匀性好，能最大化减少地基差异沉降，使得淤泥固化土成为良好的土工材料[2-7]。利用海底隧道开挖的淤泥固化处理填筑人工岛，不仅可以避免淤泥外抛对海洋环境的影响，也充分利用了自然资源，符合可持续发展的理念[8-9]。

朱伟等[10]在深圳盐田港进行了海洋疏浚泥的固化填海现场试验，采用反转出料式混凝土搅拌机对疏浚泥和普通硅酸盐水泥进行搅拌混合，再以倾倒的方式进行水下回填，通过现场取样和静力触探测试对回填地基的处理效果进行了检验。但是，这种倾倒的处理方式无法满足海上大规模、远距离的回填施工。张春雷等[11]自制了较大型的淤泥固化处理设备，并在无锡五里湖进行了清淤底泥的固化筑堤现场试验。试验采用双轴搅拌机进行混合搅拌，并使用了自主研发的复合型固化材料，固化处理效率达到60 m3/h，最后使用挖机对堤体进行了分层填筑。但是，检测结果也发现了由于混合效果差而导致填筑堤体性质差异大以及干缩产生的裂缝问题。目前，国内尚无淤泥固化土远距离泵送水下浇筑进行填海筑岛的研究，本文基于前期室内试验的成果，在大连港大窑湾进行了疏浚泥固化土泵送浇筑工艺的现场试验，并对成型地基的效果进行了现场检测和评价。

1 现场试验概况

现场试验位于大连港大窑湾港区，该场区为早期疏浚吹填的纳泥区，地基承载力分布不均，介于50～80 kPa不等，围堰由抛石填筑而成，宽度为25 m，表层铺有砾石和砂，可以满足现场试验设备安装要求。试验场主要分为4个区域，包括临时码头区、淤泥存储区、设备区以及浇筑区。储存区基坑尺寸为55 m×20 m×4 m，浇筑区4个浇筑基坑呈L形分布，尺寸均为20 m×20 m×4 m，按坡比1:1放坡开挖。为了保证试验过程中原泥含水率的稳定性，储泥基坑和浇筑基坑的四周以及底部均铺设了土工布和防渗膜，浇筑基坑在试验前用潜水泵抽满海水，浇筑过程中海水随着固化土的填筑，从预设的排水沟排除。现场试验的平面布置图如图1所示。

图1 现场试验平面布置图Fig.1 Layout plan of the field test

试验用泥取自大连湾甘井子航道某区域，抓斗船取泥后由驳船运至试验场的临时码头区，再由长臂反铲挖机卸泥、装车后倾倒至淤泥储存区；淤泥由挖机给料，称重计量后通过皮带机输送至混凝土强制式双轴搅拌机，通过管道添加固化材料浆液和海水，完成强制拌和；新拌固化土通过高压活塞泵和管道输送至浇筑区完成水下浇筑。整个现场试验完成固化土水下浇筑方量4 000 m3，泵送距离超过300 m，系统处理能力达到100 m3/h。现场试验工艺流程如图2所示。

图2 现场试验工艺流程图Fig.2 Process flow chart of the field test

2 试验材料与方法

试验用泥的物理性质指标如表1所示。固化材料选用42.5普通硅酸盐水泥和一种复合固化剂。前期室内研究成果表明，复合固化剂的固化效果明显优于42.5普通硅酸盐水泥，故以两者作为对比材料进行现场试验。该固化剂的组成成分为工业废渣65%～75%、偏高岭土20%～30%、硅酸钾5%～12%、活化剂0.3%～1%。

表1 试验用泥物理性质分析Tab.1 Physical properties of the soil

前期室内试验成果表明，固化材料的掺量和固化土的含水率是影响固化土成型强度的主要因素。固化材料的掺量越高，固化土的强度越高，固化土的含水率越高，固化土的强度越低[12-15]。而固化土的含水率又是影响固化土流动性能的主要因素，含水率越高，固化土流动性越好，泵送性能也越好。为了顺利泵送，试验前期进行了不同含水率固化土的泵送性能试验。试验结果如图3所示。

图3 固化土泵送性能试验Fig.3 Pumping performance test of the solidified soil

从结果中可看出，固化土泵送性能受其含水率影响较大，含水率越低，活塞泵对固化土的吸入率越低，泵送压力也越大，直接导致泵送效率降低。尤其是含水率低于85%后，泵送效率降低明显。而当固化土的含水率高于95%时，泵送效率达到100 m3/h，再增加含水率泵送效率增加不明显，而且施工为了保证强度要求会增加固化材料的掺量。因此，固化土泵送适宜的含水率为95%。

为保证浇筑后地基承载力要求又便于施工过程中的远距离泵送，4个浇筑基坑使用不同的方法进行现场水下浇筑。其中1#浇筑基坑采取分层浇筑，沿水深方向将浇筑基坑分为底层、中层以及面层，考虑到承载力的分布规律，固化剂的掺量从底层到面层依次增加。其他浇筑基坑采用同一掺量整体浇筑。浇筑方法如表2所示。浇筑后的地基进行养护，分不同龄期进行现场检测。检测内容包括开挖取样试验、静力触探试验以及平板载荷试验。其中，开挖取样按照不同点位和不同深度进行多点取样，现场取样后用塑料袋密封带回实验室，制样后测试无侧限抗压强度，试验方法按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)[16]进行，制样尺寸为Φ39.1 mm×80 mm；静力触探试验使用CLD-3型静力触探-十字板剪切两用仪，方法参考《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)[17]。平板载荷使用0.5 m2的方形承压板，尺寸为70 cm×70 cm，试验方法参考《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[18]。

表2 现场试验分区浇筑方法Tab.2 Different filling methods of the field test zone

3 试验结果与分析

3.1 无侧限抗压强度

试验数据采用正态分布进行统计学分析，并按照《岩土工程勘察规范》中有关岩土工程分析评价的方法进行修正，计算其标准值。岩土参数的标准值是岩土工程设计的基本代表值，是岩土参数的可靠性估值。对岩土设计参数的估计，实质上是对总体平均值作置信区间估计。岩土参数的标准值按下列公式进行确定。

(1)

Φk=γs×Φm

(2)

式中：n为样本数量；δ为变异系数；γs为统计修正系数；Φk为岩土参数标准值；Φm为岩土参数平均值。

表3 28 d无侧限抗压强度试验结果Tab.3 Test results of 28 d unconfined compressible strength

现场试验中，浇筑固化土采用开挖取样，每个点位均为8组，分别测试其28 d无侧限抗压强度后再进行统计学分析。现场固化土28 d无侧限抗压强度试验结果如表3所示。

从试验结果可以看出，1#浇筑区由于不同掺量分层浇筑，所以整体上变异系数最大。此外，由于现场试验存在均匀性差异以及取样过程中的扰动，都造成取样检测结果低于室内试验指标，试验分别统计了相同固化材料掺量和相同固化土含水率条件下，室内制样-室内养护、现场浇筑管口取样-室内养护、现场浇筑-现场养护取样3种不同条件的固化土无侧限抗压强度，三者比值为1.8:1.56:1.0。前两者的差别主要源于搅拌的均匀性，而第三者则是自然环境下的折损。所以，现场施工一定要最大化的提高淤泥与固化材料的搅拌均匀程度，同时考虑自然环境下的折损，本次现场试验的折损率达到室内试验的55%。

3.2 静力触探试验

试验分别在浇筑养护后14 d、28 d，在现场进行静力触探试验。试验结果如图4所示。

图4 静力触探实验结果Fig.4 Test results of the static penetration图5 平板载荷试验结果Fig.5 Test results of the plate load

从图4可以看出，养护28 d的固化土承载力比14 d承载力具有明显的提高趋势，且各浇筑区养护28 d的比贯入阻力均超过1.5 MPa。其中，1#浇筑区增长幅度为36%；2#浇筑区增长幅度为38%；3#浇筑区增长幅度为51%；4#浇筑区增长幅度为43%，增长幅度与室内试验增长的规律基本一致。此外，试验过程中也发现，表层受温度影响，反应速度较中、底层慢，而随着反应的进行，也逐步形成强度；固化土中层的反应速度最快，均一性更好；且随着反应的进行，固化土的强度均一性逐渐增加。

3.3 平板载荷试验

浇筑地基养护28 d后进行浅层平板载荷试验，平板载荷试验结果如图5所示。

从图5可以看出，各浇筑区地基承载力特征值均满足地基承载力设计值大于120 kPa的要求。1#与3#的对比表明，在固化剂总体用量相同的条件下，单一掺量的整体浇筑效果优于不同掺量的分层浇筑；2#与3#的对比表明，相同条件下，使用固化剂的处理效果达到使用水泥处理的1.8倍。

由于1#浇筑区采用不同固化材料掺量的分层浇筑方法，而各层间的无侧限抗压强度差别较大，无法准确衡量各层对平板载荷试验结果的影响，所以只选择2#、3#以及4#的28 d试验结果并对其进行数值分析，最终得到无侧限抗压强度、比贯入阻力与地基承载力特征值之间的线性关系。无侧限抗压强度与地基承载力特征值拟合关系如图6所示，比贯入阻力与地基承载力特征值拟合关系如图7所示。

图6 无侧限抗压强度与承载力关系Fig.6 Relationship between unconfined compressible strength and bearing capacity图7 比贯入阻力与承载力关系Fig.7 Relationship between penetration resistance and bearing capacity

根据现场浇筑地基28 d指标的检测结果，对固化土的无侧限抗压强度和比贯入阻力两者与地基承载力特征值的关系进行数值拟合，可以得到经验公式fak=1.49quk(R2=0.916)以及fak=0.20Ps+43.38(R2=0.983)，再考虑到现场环境施工中固化土无侧限抗压强度55%的折损，可以通过调配室内试验中固化土无侧限抗压强度来控制地基的承载力，由固化土的目标强度来确定固化材料的掺量。采用疏浚泥固化处理远程泵送水下浇筑工艺进行填海筑岛，无需再进行地基处理，可明显缩短施工工期，有效减小差异沉降，且在桥隧连接的跨海交通建设中，采用本工艺建设人工岛，浇筑地基的初期强度有利于节省桥隧转换通道开挖的支护费用。