海底淤泥固化土的工程特性

2010-06-30朱耀庭高燕希

中国港湾建设 2010年4期

朱耀庭，高燕希

（1.长沙理工大学，湖南长沙 410114；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

随着我国国民经济的不断发展，许多沿海地区特别是经济发达地区的可利用土地资源越来越少，从北到南的主要沿海城市都在规划或实施填海工程，而实施填海工程最常用的工法之一包括土工织物充填袋（被），目前这些土工织物充填袋（被）的充填材料多为砂性土。由于可供开采利用的砂性土资源在不断地减少，该工法的材料成本也在不断增加，基于这一考虑，提出了水泥搅拌土作为填充材料的设想，来替代目前在水上围埝工程中大量采用的砂性土。在实施填海工程的地区通常拥有大量的海底淤泥土，现实中这些土可能用于吹填造陆，也可能在疏浚过程中被当作废物抛撒到大海中，污染了海洋环境。如果将这些淤泥直接利用起来，并运用到就近的相关工程当中则具有更大的意义[1]。

海底淤泥的加固或固化目前已成为沿海地区建设工程领域较为热门的话题之一。本文阐述的是在海底淤泥中添加一定的固化剂使其转变为可充填的材料，作为海底淤泥利用的又一研究方向。

1 海底淤泥土的基本情况

天津港位于渤海湾西部，所辖地区全部为淤泥质土海岸，现新港高程系统-13 m以上主要为淤泥质软土，按地质历史划分这一层土属第四纪“全新世”，土层形成时间很短，而表层下一定深度更是近年自然回淤形成，在天津港及周边，这一层土的厚度最大将近20 m，最小的也有12～13 m[2]。

根据多年来对天津港地区软土的研究成果，海底表层淤泥土中所含黏土矿物以蒙脱石为主，非黏土矿物中主要为石英、方解石、长石，土颗粒形状不规则，但厚度较均匀，呈片状，且颗粒间形成架空结构，孔隙比较大。软土（±0～-10 m）的超固结比（OCR）比值大约为0.8左右，属于未完全固结型软土，具有高压缩性、低强度等特点。

2 试验研究方案

本次试验研究选择了天津东疆保税港区附近的海底淤泥作为研究对象，这些土本身的渗透性差、结构强度相当低，外观表现为黏稠状，直接作为充填材料灌装入充填袋中是不可能的。但如果适当增加一些强度和稳定性，并采用适宜的设备进行充灌整平，应该是具有可行性的。

水泥作为一种常用的建筑材料在软土地基加固工程中的应用已经相当普及，如水泥搅拌桩、高压旋喷桩、CFG桩等等。由于这些工法对水泥土的强度要求较高，因此水泥的掺入量也比较高，在有些工程中的掺量甚至高达25%以上（水泥与被加固原土质量的百分比）。而作为充填材料的淤泥固化土的强度要求不需很高，因此水泥的掺量也不必太高。初步试验研究的成果表明，一般掺入量在6%～10%时即可满足使用要求。

鉴于依托工程的施工条件等多方面的原因，我们对课题研究成果提出了以下几项原则：

1）由于充填袋的体积比较大，最大的可达50 m×30 m×0.5 m，1个袋尽可能在1个潮水周期内充灌完成，必须有较高的作业效率；

2）海上围埝施工工期较长，属水上作业，有一定的水深，具有作业区面积小（船上作业）、作业时间短（风潮影响）等特点，要求施工工艺尽量简单，便于操作；

3）最大限度就地取材的原则（一般建筑材料的运输、储存不方便）；

4）与砂性土充填袋相比工程上具有一定的优势；

5）尽量减少对环境的影响（仅水泥1种外购材料）。

研究采用室内试验与现场试验相结合的方式进行。

3 室内试验研究

3.1 水泥掺量的初步确定

大量的室内试验结果表明，在水泥掺量为6%的情况下，固化土强度虽然比原淤泥土有较大的改善，但其强度还较低；当水泥掺量超过7%以后，固化土的成形状态有了进一步提高，1 d龄期的强度足以满足施工时充填袋上的荷载要求，且固化土已具有较好稳定度的形态。考虑到现场施工同时存在水泥产量损耗以及均匀性差于室内试验等因素，建议依托工程现场施工采用水泥掺量为8%。实践表明，8%左右的水泥掺量对固化土的充灌过程、模袋的稳定性和上1层模袋充灌前所需达到的强度等都有较好保证。

3.2 室内试验方法

在研究初期，主要沿用传统的水泥土试验研究方法，对被研究的对象主要进行无侧限抗压强度试验和含水量、密度试验，经过多组不同参数的试验后，我们了解到，研究对象的工程特性更接近黏土的性质，因此参照黏土的方式来评价固化土的强度等特性可能更为合适。主要原因在于，传统意义上的水泥土的破坏形式主要表现为脆性破坏，塑性变形量一般不大，而研究对象的破坏一般都有较大的塑性变形量，表现为塑性破坏特征。因此在试验后期，侧重对研究对象开展了剪切试验、固结试验、渗透试验等。

3.3 室内试验结果

3.3.1 固化土的物理特性

虽然固化搅拌土的形成原理与普通的水泥搅拌桩土相比基本一致，但由于其水泥掺入量较低，且在掺入时一般需加入一定量的水，因此其含水量明显较原土大，密度明显较原土小，孔隙比较原土增加许多，且具有良好的保水性等特点。固化土的液限含水量、塑限含水量较原土更大，试验研究情况如表1所示。

表1 固化土的物理性质指标

3.3.2 固化土的力学特性

在剪切强度方面，固化土更多地具有“老黏土”的一些特性。经过对多组数据的统计，其28 d龄期的黏聚力多在（58±30）kPa 范围内，内摩擦角在 29°±10°范围内，试验数据见表2。

表2 固化土直剪试验情况（28 d）kPa

在压缩特性方面，固化土的固结e-P曲线不同于常规土样的“双曲线”型曲线，一般在150～200 kPa的荷重下，固结曲线出现明显向下的拐点，如图1所示。按照GB50007-2002《建筑地基基础设计规范》4.2.5的规定，固化土可以定为中压缩性土。

图1 固化土的典型e-P曲线

4 现场试验研究

4.1 表观特征

根据施工现场取土试验情况看，现场搅拌土一般在24 h以内即可形成一定的强度，并使搅拌土成为块状结构，如图2所示。这种块状结构具有一定的黏结强度，并能承受一定的垂直荷重，在一定时间内的较小波浪力作用下，仍可保持良好的完整性。图3为充填袋破损后滚落在埝体旁的搅拌土块[3]。

由于搅拌土在充灌入袋以后，除少量水分通过模袋析出外，大部分水分仍保持在土体中，因此，这种土的普遍特征是孔隙发达。从现场取土的照片中可以看出，土的孔隙较多，呈明显的蜂窝状（图4）。

搅拌土经搅拌后，初始时含水量较大，具有良好的流动性，便于充灌入袋，且很容易整平或做成某种模型。图5为围埝建设时的大型水泥搅拌土充填袋码放情况。

图2 搅拌土24 h以后的状态

图3 滚落在围埝旁的固化土块体

图4 钻探取土土样的状态

图5 逐层码放的水泥搅拌土充填袋

4.2 强度特征

依托工程施工过程中，对拟充灌的固化土进行了取样和室内养护，试验结果表明，现场固化土的强度较室内试验的有所降低[4]，现场固化土的无侧限抗压强度一般也可以达到0.10～0.14 MPa（如图6所示）。虽然固化土的强度比室内试验预期结果有一定的减小，但固化土与模袋已基本形成了一个整体，因此具备了一定的抗波浪能力（主要是冲刷、卷起以及袋间滑动等）。

图6 现场8%掺量条件下的固化土强度（含水量65%～120%）

在进行固化土的现场检测时，主要通过原位测试手段进行。在围埝形成后，分别进行了8个钻孔的标准贯入试验，试验结果表明标贯击数平均在6.1左右；同时，对现场的取芯进行了微型贯入试验，试验结果表明现场固化土的贯入阻力在0.8 MPa左右。现场检测时也发现，长龄期的固化土强度明显高于短龄期的强度，说明固化土的强度随着龄期的增加不断增长。