黄朝煊

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002)

0 引 言

淤泥固化技术源自日本、美国等国家，所采用固化剂一般为复合型固化材料，固化剂可使淤泥土颗粒、水产生水化作用，其中的MgO、CaO、Al2O3等活性物质能更充分的水化、水解反应，生成更多的胶凝物质，这些胶凝物质会凝结、包裹淤泥中的细小颗粒，使之团粒化，形成一个由水化胶凝物为主的骨架结构，从而能增加土体的强度和稳定性。黄英豪等[1]对淤泥固化后的土体的压缩特性等进行了室内试验研究；王东星等[2]对大掺量粉煤灰淤泥固化土的强度与耐久性进行了研究研究，为工程应用积累了一定的室内试验数据资料；郑旭卫[3]对滩涂淤泥固化土特性进行正交试验研究；薛颖慎[4]对滨海淤泥固化填筑路基技术的应用进行了研究；陆建阳[5]对宁波淤泥质土的固化进行深入研究，通过室内正交试验分析其最优固化剂配比，为工程实际应用提供参考。

表1 交叉段地基土层物理力学指标建议值

目前，工程实际应用中已有不少回填工程和路基工程采用淤泥固化技术，其中一些软基处理工程为了优化工程投资，其地基处理仍采用塑料排水板处理，黄朝煊等[6，7，8]对塑料排水板处理地基的固结理论进行了深入研究，并给出了便于工程实际应用的计算理论。本文对某大型围垦工程的海堤与跨海大桥交叉段地基进行淤泥固化处理设计、施工经验进行了总结分析，为相关工程设计提供参考。

1 工程概况

浙江省某围垦工程围区面积1 750万m2，海堤总长15.95 km。主要任务是通过科学利用滩涂资源，增加土地面积，同时提高区域御潮能力，围区用于农业综合开发和发展水产养殖。浙江省某沿海高速工程路线全长54.509 km，其中宁海段线路长为19.874 km。两工程在平面布置上存在局部交叉，大桥桥墩布置在堤身范围，由于海堤沉降大，对桥墩桩基础存在负摩阻力等不利影响，进而影响桥墩横向变位。经过多方深入研究论证[9，10]，建议海堤先施工并采用可靠的结构形式，以控制海堤的沉降和位移影响，其中地基土物理力学指标见表1。

为了减小海堤对桥墩的不利影响，对海堤与桥梁正交处300 m范围采用桩基框架肋板结构海堤，并对海堤地基土深10 m内淤泥质土进行满堂固化处理，淤泥固化采用双轴搅拌固化，搅拌桩单桩直径1.0 m，中间间距0.8 m，其中淤泥搅拌固化布置如图1所示。

2 固化剂掺量及配比对淤泥固化土力学指标的影响

通过现场及室内试验，对固化剂配比成分(水泥、粉煤灰、石膏、石灰、减水剂以及三乙醇胺等)进行了正交试验。

2.1 水泥

水泥掺量分别选取10%、12%、14%、16%、18%、20%(按质量比)，其固化土7、28 d的无侧限抗压强度随水泥掺量之间的关系曲线如图2所示。由图2可知，淤泥固化土无侧限抗压强度随水泥掺入量的增加而提高，强度增长几乎呈线性关系。

图2 水泥掺量对固化土无侧限抗压强度影响

滩涂淤泥固化土强度与水泥掺量呈正相关关系，其主要原因是发生了水化反应、离子交换作用、火山灰反应和碳酸化作用等化学反应。离子交换作用是水泥水化产物Ca(OH)2中的钙离子Ca2+与淤泥土体内的钠离子Na+、钾离子K+发生当量交换，使得土颗粒变大，进而形成团粒结构；火山灰作用是土体中活性Al2O3与SiO2和石灰产生反应，形成含水的铝酸钙和硅酸钙并逐渐硬化；碳酸化作用是石灰在水化作用下生成的氢氧化钙Ca(OH)2与空气中二氧化碳CO2反应生成强度较高的碳酸钙。

水泥在水化反应作用过程中生成的C-S-H凝胶，该凝胶具有凝固作用，并具有很高的强度，可以在淤泥土颗粒之间构成网状结构，进而保证了土体整体强度。

2.2 粉煤灰

粉煤灰掺量分别取0、3%、6%、9%、12%、15%(按质量比)，粉煤灰的作用基本同水泥，也属于胶凝剂的一种，其固化土7、28 d的无侧限抗压强度随粉煤灰掺量之间的关系曲线如图3所示。粉煤灰对早期固化土强度的影响不明显，而对其后期强度较显著。这是由于粉煤灰中的活性SiO2与AlO3和水泥水化生成物Ca(OH)2产生火山灰反应，形成水化硅酸钙与水化铝酸钙，使土体颗粒胶凝。

图3 粉煤灰掺量对固化土无侧限抗压强度影响

2.3 石膏

石膏掺量分别取0、2%、3%、4%、5%、6%(按质量比)，其固化土7、28 d的无侧限抗压强度随石膏掺量之间的关系曲线如图5所示。由图4可知，石膏掺量存在合适的掺量值，当石膏掺量小于或大于该临界掺量时，其固化土的抗剪强度均要小于合适掺量时的抗剪强度值。由于石膏与水泥水化产物中的水化铝酸钙作用产生钙矾石，钙矾石有体积膨胀的特点，能够有效填充孔隙，提高固化土密实度，增加强度；但是掺量过多会降低固化土的强度，这是由于钙矾石不具备C-S-H凝胶所具有的胶结作用，只有充填孔隙的作用，进而石膏掺量过多时将反而坡坏土颗粒之间已有的联络结构，从而降低固化土强度。

图4 石膏掺量对固化土无侧限抗压强度影响

2.4 石灰

石灰掺量分别取0、2%、3%、4%、5%以及6%(按质量比)，其固化土7、28 d的无侧限抗压强度随石灰掺量之间的关系曲线如图5所示。由图5可知，石灰掺量也存在合适的掺量，掺入石灰的主要作用是增加离子交换、火山灰作用与碳酸化作用。但是当石灰掺量较大时，土体中没有足够活性的氧化铝和氧化硅与石灰发生化学反应，使固化土内稳定矿物相对减少，降低固化土的强度。

图5 石灰掺量对固化土无侧限抗压强度影响

2.5 减水剂

减水剂掺量分别取0、1%、1.5%、2%、2.5%、3%(按质量比)，其固化土7、28 d的无侧限抗压强度随减水剂掺量之间的关系曲线如图6所示。由图6可知，减水剂掺量也存在合适的掺量；由于减水剂由表面活性剂构成，而表面活性剂的分子是由憎水基团和亲水基团组成。当加入适量的减水剂时，表面活性剂能够降低水泥颗粒和水之间的表面能，使水泥颗粒更容易均匀分散，扩大水泥颗粒反应面积，增大水泥水化的空间，促进水泥的水化反应。

图6 减水剂掺量对固化土无侧限抗压强度影响

表3 淤泥固化前、后土体物理力学指标对比

2.6 三乙醇胺

三乙醇胺掺量分别取0、0.02%、0.05%、0.08%、0.10%以及0.12%(按质量比)，其固化土7、28 d的无侧限抗压强度随三乙醇胺掺量之间的关系曲线如图8所示。三乙醇胺属于非离子型表面活性剂，乳化能力强，溶于水后可以降低溶液界面的张力，使得水与水泥颗粒更充分地接触，可以加速水泥的水化反应，但不改变水泥的水化产物，具有催化水泥水化的作用。

图7 三乙醇胺掺量对固化土无侧限抗压强度影响

3 淤泥搅拌固化施工及固化土检测

本工程海堤基础先采用固化剂满堂固化处理，为提高固化施工效率，采用双轴搅拌固化，单根搅拌桩直径100 cm，桩间中心间距80 cm，桩长10 m。淤泥固化施工采用湿喷法搅拌施工，选用双头搅拌机施工，搅拌桩截面为“∞”字形，搅拌速度<60 cm/min，根据成桩抗压强度(28 d)要求达到fc>1.0 MPa，固化剂掺入量为15%。

固化土28 d后的钻心取样见图8，经过无侧限抗压试验检测，其取样实测强度一般在1.1～1.5 MPa左右，满足设计要求，其中现场抽检成果见表2。

图8 淤泥固化后取芯

取样深度/m芯样长度/m采取率/%无侧限抗压强度/MPa芯样描述1.01.0851.1搅拌均匀,含灰量高,呈柱状,局部块状4.01.0911.3搅拌均匀,含灰量高,呈柱状,局部块状9.01.0961.5搅拌均匀,含灰量较高,呈柱状,局部块状

现场检测结论为：实际搅拌桩桩长达到设计要求，整体喷浆基本均匀，无断浆现象，桩体能去除完整的柱状芯样，芯样完整且连续，主要呈柱状或短柱状，局部松散块状或片状，桩身上、中、下段强度均满足设计要求，所取芯样的柱状加块状取芯率大于80%。 其中淤泥固化前、后土体物理力学指标变化对比见表3，由表3可知，固化土的含水率、孔隙比、压缩系数明显降低，抗剪强度、压缩模量显著提高。

室内多种试样的试验检测成果见表4。根据现场及室内试验成果，通过统计相关分析，得出的固化土强度类比预测公式

(1)

式中，R为固化剂掺量的质量百分比；qcu(R，T)为掺量R在龄期T时的固化土无侧限抗压强度，kPa；qcu(R1，28)为已知某一掺量R1的固化土龄期28d时的固化土无侧限抗压强度，kPa；wL为土体的液限，%。

表4 固化土室内多种试样检测成果

根据式(1)可由某一固化剂掺入比下28 d龄期的固化土无侧限抗压强度来预测任意掺入比下任意龄期时的强度，为相关工程应用提供参考。

4 结论与建议

依托于浙江省某围垦工程海堤地基淤泥土固化技术应用，对淤泥固化技术中固化剂成分配比、固化剂掺量以及施工中的关键技术参数等进行了分析总结，主要结论和建议如下：

(1) 分别基于现场正交试验和室内平行试验研究，对固化剂中主要配方如：水泥、粉煤灰、石膏、石灰、减水剂以及三乙醇胺等合适掺量进行了试验研究，绘制了各配方掺量(质量比)对淤泥固化土无侧限抗压强度的敏感关系曲线，认为水泥、粉煤灰的掺量与固化土无侧限抗压强度之间呈正相关关系，而石膏、石灰和减水剂等掺量存在最优掺量值。

(2) 根据现场正交试验和室内试验资料，利用统计分析法，给出了固化土强度类比预测公式，即可由某一固化剂掺入比下28 d龄期的固化土无侧限抗压强度来预测任意掺入比下任意龄期时的强度，为相关工程应用提供参考。

(3) 同一固化剂掺量下，随着不同地区水文地质条件差异，其28 d龄期的无侧限抗压强度不同，建议根据室内平行试验和现场试桩试验成果综合确定合适的固化剂掺量及配比，并采用合适的施工设备和工艺，以保证固化土强度达到设计要求。