疏浚淤泥固化技术填筑路基工艺应用研究

汪吉青

中冶天工集团有限公司 天津 300308

摘 要：以霸州市滨河东路道路及管网工程为依托，探索应用固化疏浚淤泥对路基区域填筑处理，不仅可以节约工程成本，而且对推动生态城市建设起到了积极的作用。通过室内试验测定淤泥作为路基填料的土性物理参数，通过对不同石灰固化剂掺入比例对淤泥性能影响进行试验，研究了最佳含水量、最大干密度、液塑限、CBR值随固化剂掺量的变化规律，为固化剂最佳掺量的选择提供依据。同时探究了淤泥固化填筑路基施工工艺及质量控制标准。确定了工艺方法的适应性和可行性，旨在为类似道路工程使用河道淤泥进行路基填筑施工提供参考。

关键词：河道疏浚淤泥；固化技术；路基填筑；施工工艺；质量控制；

中图分类号：TU472

0 引言

在对河道进行改造疏浚的过程中随之产生大量的污泥，其中大部分被运送到郊区或农村采用露天堆放或掩埋方式处理。这不仅耗费大量征地和污泥清理费用，而且在填埋和堆放过程中，随之产生的填埋渗滤液和气体等也会导致严重的水源和土壤污染。疏浚淤泥的处理关系到资源的循环利用和环境保护，越来越得到政府部门的重视。市政道路工程是带状构造物，霸州牤牛河河道中存在着大量的淤泥，因此研究如何利用淤泥为填料对道路路基进行处理，以满足路基的力学稳定性和环境保护要求，成为道路工程建设中亟待解决的问题，同时也具有广阔的应用前景。

近年来，国内外科研人员对疏浚淤泥的固化处理技术展开研究，通过添加固化剂使淤泥成为一种良好的路基填料。河海大学朱伟通过测试固化疏浚淤泥作为填筑材料的基本力学性能，分析了固化系数、最小水泥掺量等参数的物理意义，并给出了无侧限抗压强度与水泥掺加量之间函数关系的推导公式。其研究结果表明，污泥经过固化处理能够满足作为路基填土材料的要求，为实际工程应用奠定了基础。张春雷等首次利用国内大型固化处理专用设备和固化处理复合材料，以无锡市五里湖的疏浚底泥处理项目为依托，对河底淤泥进行固化处理和筑堤试验。通过对填土试样的强度、变形以及渗透性等参数的测定，结果表明固化后的28天淤泥的强度、变形量和渗透系数均能满足路堤施工要求。丁建文基于扰动状态概念和重塑土固有压缩特性建立疏浚淤泥固化土的一维压缩模型，并通过试验结果表明所建立的压缩模型对淤泥固结土一维压缩条件下的力学响应预判良好，所提方法可以用于实际工程中疏浚淤泥固化土的压缩分析和沉降计算。Yong 和 Ouhadi 通过测定固化后的耐久性、比表面积测量、加利福尼亚承载比(CBR)、阿特伯格极限测试和x射线衍射等一系列物理化学试验，验证了石灰-粉煤灰作为固化剂处理淤泥的有效性。Sezer A和Yilmaz H.R等在土耳其伊兹密尔某军区的淤泥中加入粉煤灰固化剂掺量比例分别为0%、5%、10%、15%和20%。在标准普洛克托试验确定的最佳含水量条件下，制备了四种不同的稳定土样。分别在试验第1、7、28、90 d后确定无侧限抗压强度、抗剪强度参数、黏聚力和内摩擦角。结果表明粉煤灰的掺入有效的改善了淤泥的性能。

国内外的大量研究推动了淤泥固化技术的发展和应用，但目前仍存在对固化淤泥性能的研究相对单一，固化剂的类型一般由单一的强度指标来决定以及对固结淤泥填筑路堤缺乏系统深入的综合性能研究，缺乏相应的施工方法和控制标准等问题，本文通过重击压实试验、液塑限试验、CBR试验，研究了不同掺量比例的固化剂对河道淤泥的影响。在此基础上，提出了固结淤泥的施工工艺和质量控制标准，可以为生态道路工程填筑污泥技术的推广应用以及相关规范的修订改进提供参考。

1 工程概况

1. 本项目依托霸州市滨河东路道路及管网工程，滨河东路起点与现状裕华东道相接，终点与现状建设东道接顺，道路全长2699.623m，规划红线宽度20m。滨河东路红线宽20m，滨河东路与规划益众北道为T型平面交叉，与现状迎宾道、规划东城路、规划金康路均为十字平面交叉）。

目前路基土以粉土为主，在本工程中，将土基上20cm的粉煤灰道路基层换填改为固结处理后的淤泥层。实施路面的桩号为K0 +480 - K1 +480，路基顶部20m。实验段距中线为 3m。河道淤泥填埋场的现场照片如图1和2所示。

图1 河道淤泥 图2 淤泥填埋场

2 淤泥的物理特性

本文淤泥室内试验采用的土样为牤牛河淤泥填埋场土层土样。在对淤泥进行固化处理之前，有必要了解掌握淤泥的物理特性。通过实验研究得到牤牛河淤泥的基本土性参数见表1：

表1 牤牛河淤泥的物理特性

由表1可知，所测定的河道疏浚淤泥含水量大、含砂量少、级配不良、可塑性高、收缩率大以及具有较高的吸附性和膨胀性，综上所述，河道淤泥的物理力学稳定性差，不能直接作为填筑材料在路基中使用，需要适用固化剂对其物理特性进行改良，本文采用石灰作为固化剂混合到淤泥中。淤泥固结改良的原理为：淤泥和自由水发生水化反应进而生成水化物,水合物从凝胶状态逐渐转变为一个更稳定的晶体,其填充到淤泥土颗粒的孔隙中从而形成一个强大的骨架,提高淤泥的强度。

3 疏浚淤泥固化后试验结果分析

为分析采用石灰作固化剂处理淤泥的效果，在实验室试验中，石灰的用量分别为4%、5%、6%、9%、12%、15%，通过实验结果确定石灰的适宜掺量。通过对最佳含水量、最大干密度、液塑限、CBR值等进行了试验分析。

3.1 最佳含水率和最大干密度试验结果与分析

重击击实试验得到最佳含水量和最大干密度结果见表2和图3及图4，由试验结果分析可知，随着淤泥中石灰固化剂掺量的增加，固化淤泥的最佳含水量逐渐呈增加趋势，整体增幅为32.1%；而最大干密度则逐渐降低，整体降幅为1.18%。产生此结果的主要原因为：当石灰掺入到淤泥中，与其发生水化反应，淤泥中土颗粒表面水膜变薄，进而导致最佳含水量增大，最大干密度减小。

表2 淤泥中石灰固化剂掺量与最佳含水量和最大干密度关系

图3 淤泥中石灰固化剂掺入比例 图4 淤泥中石灰固化剂掺入比例

和最佳含水量的关系 和最大干密度的关系

3.2 液塑限试验结果与分析

液塑限试验结果见表3和图5及图6。从试验结果可以看出，随着石灰掺量的增加，固化淤泥土的液限和塑性限均增大，表明石灰作为固化剂可以有效改良河道疏浚淤泥的工程特性，固以满足作为填筑材料在路基施工中的规范要求。

表3 石灰处治淤泥液塑限试验结果

图5 淤泥中石灰固化剂掺入比例 图6 淤泥中石灰固化剂掺入比例

和液限、塑限的关系 和塑性指数的关系

3.3 加州承载比（ California Bearing Ratio）试验结果与分析

加州承载比试验是在加利福尼亚州提出的评定路基及路面基层材料承载能力的判断指标。固化后的淤泥土性质需要满足CBR值相关规范后才能用于路基填料，在室内试验将石灰按比例掺入含水量为 35%的原状淤泥中。CBR测试结果见表4、图7、图8、图9和图10。试验结果表明，使用石灰固化处理后淤泥土的承载力可以得到明显的提升。随着淤泥中石灰掺量的增加，固化淤泥的承载能力明显提高，与此同时饱水后膨胀不明显，故满足路基材料的应用要求。CBR试验结果分析表明，5%和6%石灰掺量在低于400KPa ~ 500KPa的压力下，土体保持弹性特性，随着荷载的不断增加，土体开始发生塑性变形。固化淤泥中石灰掺量比例为8%时，其承受荷载达到900 KPa时，土体才会逐渐由弹性体向弹塑性体转变。

表4 石灰固化处理后淤泥CBR试验结果

图7 淤泥中石灰固化剂掺量比例 图8 淤泥中石灰固化剂掺量5%比例

和承载力的关系 承载力与变形的关系

图9 淤泥中石灰固化剂掺量6%比例 图10 淤泥中石灰固化剂掺量9%比例

承载力与变形的关系 承载力与变形的关系

4 工程处理方法

4.1 施工工艺步骤

（1）施工设备准备：本文采用路拌法的施工工艺进行石灰固化河道淤泥处理，并做好全线导线点和水准点的复测及施工放样等施工测量准备工作。

（2）地基表层处理：填筑路基前，将地面草皮、树根、腐殖质、垃圾杂物等清理干净，大致平整。

（3）确定淤泥和石灰固化剂的用量：计算出所需淤泥、石灰的体积。

（4）拌合：在拌合场地测定淤泥含水量，当含水量低于百分之四十时可以进行拌合，若不满足要求，则需要晾晒至含水量小于百分之四十以下方可拌合，在晾晒过程中定期测定淤泥的含水量。在拌合的过程中，搅拌深度需达到下承重层5 ~ 10mm，便于上下层粘结。在搅拌过程中，固结混合料含水率应保持在最优含水率的±2%范围内，同时固结混合料应多次搅拌。利用挖掘机翻料 2 遍后，静置 1 天，再利用挖掘机翻拌 2 遍，再静置 1 天，之后检测其含水量。施工过程中晾晒照片如图11所示。

（5）摊铺整平：用压路机以5km/h的速度静压固结淤泥土混合物，以暴露潜在不平，再使用平地机以及人工配合整平，最后用压路机快速稳压。随后测量了混合物的含水量和大于15cm的颗粒含量。

（6）碾压：对固化淤泥填筑路基的碾压分为进行振动碾压和冲击碾压。每层固化淤泥填筑完成后，采用大型压路机振动压实。每两层固化淤泥应填筑完成后进行冲击压实，为提高路基的密实度，减少路基的工后沉降，其压实厚度需超过 20cm。施工过程中碾压照片如图12所示。

图11 滨河东路道路工程实验路段晾晒 图12 滨河东路道路工程实验路段碾压

（7）检测：检测厚度、承载力、压实度、强度等控制指标。

4.2 施工质量管控

固化淤泥施工质量控制主要做:

（1）做好施工过程中的排水工作，保证淤泥的含水量达到最佳含水量。当地下水或地表水未排净时导致其渗入到固化淤泥中，将会导致固化淤泥的强度降低从而不能满足路基填筑的要求。

（2）做好保证固化淤泥的级配合理工作(包括颗粒粒径和均匀性) ，当固化淤泥土颗粒为级配良好的均匀的粗粒或细粒土时，可以达到良好的冲击压实效果。

（3）全过程控制固化淤泥含水量和固化剂用量，确保最佳固化效果。如果固化剂用量过少，则固化淤泥的强度不能满足。如果固化剂用量过多，不仅易造成路基开裂，还增加了工程的造价。

（4）做好检验试验工作，项目技术质量部和实验室按规定对固化剂进行现场检查和测试，以确保固化剂的质量。同时在施工过程中应加强路基的养护。

5 结论

本文结合霸州市滨河东路道路及管网工程，通过对该工程中使用的淤泥进行采样，在室内试验的基础上，通过重击压实试验、 液塑限试验以及 CBR试验，研究了不同掺量的石灰固化剂对淤泥的影响，并在现场展开相关试验并分析施工工艺参数影响，得到如下结论：

1. 通过试验研究得到霸州市牤牛河河道疏浚淤泥的基本土性参数，其具有高天然含水量、高黏粒含量、低抗剪强度和力学稳定性差等缺陷，不能直接用于道路工程路基填筑。

2. 经过石灰固化处理后河道淤泥承载能力得到显著提升，且各项指标均符合标准要求，验证了使用石灰固化剂处治河道淤泥进行填筑路基的可行性。6%石灰固化剂掺量比例更适合本研究地区淤泥的固化。

3. 本工程工艺利用石灰固化河道淤泥填筑路基，由于淤泥独特的工程特性，其施工质量控制方法不同于普通路基施工质量控制，除了要保证压实质量外，还需要控制外观质量。本项目在室内试验和现场试验的基础上，基于疏浚淤泥固化技术填筑路基时施工工艺，提出了淤泥填土路基的质量控制指标和检测方法，可以为其他类似工程提供参考与借鉴。

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作者简介：汪吉青（1981-），男，硕士研究生，高级工程师，中冶天工集团有限公司。