崔允亮， 潘方然， 趙攀， 張兵兵， 馬群超

（1.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058；2.浙大城市學(xué)院土木工程系，杭州 310015；3.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，杭州 311122）

0 引言

在我國城市化進(jìn)程不斷加快的過程中，不斷開展的基礎(chǔ)建設(shè)工程往往會(huì)產(chǎn)生大量的工程廢棄泥漿［1，2］，如鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等護(hù)壁泥漿。這些工程廢棄泥漿存在著含水率高、強(qiáng)度低、呈流動(dòng)狀態(tài)等特點(diǎn)［3］，而面對這樣的工程廢棄泥漿，國內(nèi)外目前的處理方法往往是固液分離和外摻固化劑固化兩種，固液分離方法又包括靜置分離和物理技術(shù)分離，常見的物理靜置分離有機(jī)械脫水式固液分離以及真空預(yù)壓處理如圖1所示。

圖1 廢棄泥漿處理方法

近些年地基處理的過程中多采用排水固結(jié)的方法，傳統(tǒng)的排水固結(jié)通過設(shè)置砂井等排水體來進(jìn)行軟土地基的排水固結(jié)加固。近些年隨著大量的吹填土地基的處理需要以及材料技術(shù)的發(fā)展，真空預(yù)壓技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展［4，5］。

真空預(yù)壓法是通過向泥漿中插入排水板等豎向排水通道，豎向排水通道連接排水管道，然后上覆真空膜進(jìn)行持續(xù)抽真空，使土體承受負(fù)壓，利用負(fù)壓進(jìn)行土體加固的方法。

真空預(yù)壓法進(jìn)行廢棄泥漿處理的機(jī)理可以歸納為3部分：一是分級預(yù)壓延長排水時(shí)間［6-8］；二是絮凝后形成大顆粒減少淤堵［9，10］；三是外摻固化劑處理可以進(jìn)行化學(xué)固化［11］。針對藥劑處理的三方面機(jī)理，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了各種試驗(yàn)研究。趙森等［12］采用真空預(yù)壓聯(lián)合混合絮凝劑加固處理廢棄泥漿，混合絮凝劑為聚丙烯酰胺與氫氧化鈣的混合物，有效提高吹填土的加固效果，且絮凝劑的最佳摻量為1.5%。武亞軍等［13，14］利用聚丙烯酰胺聯(lián)合真空預(yù)壓處理淤泥，通過添加聚丙烯酰胺促進(jìn)土顆粒聚合，提高淤泥處理效率。

傳統(tǒng)的真空預(yù)壓，在持續(xù)抽水的過程中，自淤泥表面向下存在著直徑隨深度減少的致密“土柱”［15］，“土柱”區(qū)域滲透系數(shù)明顯降低［16，17］，極大的影響了排水效率。為了增大真空預(yù)壓前期泥漿的滲透系數(shù)，一些學(xué)者開始采用低滲油氣田領(lǐng)域內(nèi)的“增滲技術(shù)”［18，19］，通過在泥漿中摻入增滲材料，改善泥漿性質(zhì)。武亞軍［20，21］通過在工程泥漿中外摻 Fecl3、生石灰等材料，對真空預(yù)壓聯(lián)合外摻增滲劑的處理效果進(jìn)行了研究，其中試驗(yàn)研究表明生石灰對真空預(yù)壓的處理有增滲作用。

研究為了進(jìn)一步提升真空預(yù)壓的出水效率，增加抽水過程中泥漿的滲透性選用絮凝劑為陰離子聚丙烯酰胺（APAM），泥漿增滲劑為生石灰，通過室內(nèi)沉降柱試驗(yàn)對絮凝劑和增滲劑的最佳摻量配比進(jìn)行篩選，隨后通過開展室內(nèi)模型試驗(yàn)和工程現(xiàn)場試驗(yàn)對真空效果進(jìn)行驗(yàn)證，得到理想的真空預(yù)壓聯(lián)合絮凝劑的工程泥漿處理方法。

1 藥劑篩選

1.1 泥漿性質(zhì)

鉆孔灌注狀泥漿來自于浙江省溫州市一鉆孔灌注樁的施工現(xiàn)場，從鉆孔灌注樁廢漿池中抽取，通過室內(nèi)試驗(yàn)可得廢棄泥漿基本物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)土樣的基本參數(shù)

1.2 藥劑篩選

試驗(yàn)選用的絮凝藥劑為有機(jī)絮凝劑陰離子聚丙烯酰胺（APAM），選用的增滲劑為生石灰，通過沉降柱試驗(yàn)來進(jìn)行最優(yōu)劑量的篩選。在試驗(yàn)過程中加速泥漿顆粒成團(tuán)，加速碰撞，增大顆粒間孔隙，實(shí)現(xiàn)快速泥水分離。

1.2.1 APAM摻量篩選

首先選取600萬分子量的APAM，溶于蒸餾水，充分?jǐn)嚢枧渲贸?.3%濃度的溶液，分別加入20、25、30、35、40、45ml配制好的聚丙烯酰胺溶液于盛有200ml工程廢棄泥漿的燒杯中，充分?jǐn)嚢韬笠迫?L的量筒中，做好標(biāo)記，持續(xù)讀取下層絮凝泥漿液面讀數(shù)，繪制絮凝泥漿沉降讀數(shù)如圖2所示。

圖2 絮凝泥漿沉降讀數(shù)

由上圖絮凝泥漿沉降讀數(shù)圖可以看出200ml廢棄泥漿中添加25ml和35ml的0.3%APAM溶液絮凝效果最佳。

1.2.2 生石灰摻量篩選

分別添加占廢棄泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的生石灰于盛有200ml工程廢棄泥漿的燒杯中，充分?jǐn)嚢韬笠迫?L的量筒中，做好標(biāo)記，持續(xù)讀取下層泥漿液面讀數(shù)，繪制泥漿液面高度讀數(shù)如圖3所示。

1.1.2 試驗(yàn)分組 （1）透析組：腹膜透析（PD）患者26例，血液透析（HD）患者23例。49例患者中，男26例，女23例。平均年齡（59.60±15.16）歲，透析齡（59.01±7.98）周。透析劑量為7～9 L/d。（2）對照組：無錫市中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院藥物臨床試驗(yàn)中心健康受試者22例。其中，男10例，女12例。平均年齡（59.14±8.29）歲。紅細(xì)胞計(jì)數(shù)、血紅蛋白、紅細(xì)胞壓積、肌酐、尿素氮、血磷水平均正常。對照組、PD組、HD組年齡、性別一般資料比較，差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），具有可比性。

圖3 泥漿液面高度讀數(shù)

由圖3中泥漿液面沉降讀數(shù)圖可知，當(dāng)生石灰的添量為0.3%、0.4%時(shí)泥漿的沉降效果最好。因此選取0.4%、0.5%摻量的生石灰與25、35ml的APAM溶液兩兩組合，形成4種混合溶液如下表，分別摻入盛有200ml工程廢棄泥漿的燒杯中，攪拌均勻，做好標(biāo)記，持續(xù)讀取下層絮凝泥漿液面讀數(shù)，繪制絮凝泥漿液面沉降高度讀數(shù)如圖4所示。

圖4 絮凝泥漿液面高度讀數(shù)

由圖4中絮凝泥漿液面沉降讀數(shù)可知，采用生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.3%濃度的APAM摻量175ml/L配比的混合溶液在摻入96h時(shí)泥漿液面沉降讀數(shù)從190ml下降到110ml，在所有的沉降柱試驗(yàn)中泥漿液面最低，配合絮凝效果最好，為后續(xù)的真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)提供了生石灰和絮凝劑的最優(yōu)摻量。

2 模型試驗(yàn)

通過前期沉降柱試驗(yàn)可以篩選得出理想的生石灰摻量為泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的0.5%和APAM添加方案配比為每升泥漿添加175ml濃度為0.3%的APAM溶液。采用此絮凝劑配比進(jìn)行模型試驗(yàn)，模型試驗(yàn)桶如圖5所示。

圖5 模型試驗(yàn)裝置

模型試驗(yàn)桶內(nèi)裝有40L的工程廢棄泥漿，按照上述質(zhì)量配比，需摻入0.3%的APAM溶液7L以及248g的生石灰，添加劑摻入后充分?jǐn)嚢?，插入速率排水板，進(jìn)行裝置連接。

裝置連接好后進(jìn)行真空抽氣，膜下真空度保持在80kPa以上持續(xù)抽水，記錄其排水量、沉降量如圖6、圖7所示。

圖6 沉降量監(jiān)測圖

圖7 排水量監(jiān)測圖

由圖5、圖6中的沉降量和排水量可以看出，該配比的絮凝劑混合液摻入后，真空預(yù)壓速率前期較快，在500min的時(shí)候，沉降量與排水量就已達(dá)到最終沉降的1/2，2000min以后，排水量和沉降量趨于穩(wěn)定，真空預(yù)壓總排水量為10.7L，總沉降量為9.7cm。添加生石灰和APAM對工程廢棄泥漿進(jìn)行處理，可以在4h內(nèi)結(jié)結(jié)束抽水，經(jīng)含水率監(jiān)測，處理后的泥漿含水率為65%。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

在施工現(xiàn)場開挖泥漿池，作為真空預(yù)壓處理試驗(yàn)場地，泥漿池具體尺寸如真空預(yù)壓泥漿池示意圖8、圖9所示。

圖8 真空預(yù)壓泥漿池側(cè)視圖（單位：m）

圖9 真空預(yù)壓泥漿池俯視圖（單位：m）

圖10 水平排水管連接

膜下裝置連接好之后，鋪設(shè)真空膜，安裝真空表，監(jiān)測膜下真空度。為方便排出的上清液進(jìn)一步以上覆荷載的狀態(tài)密封壓蓋在真空膜上，將射流泵安裝在泥漿池中。此外，在泥漿池中央設(shè)置一沉降監(jiān)測點(diǎn)。

上述步驟安裝完成后，進(jìn)行真空間歇抽水，啟動(dòng)真空泵抽真空，采用間歇抽氣方式，前3d真空泵每運(yùn)行2h停泵2h，第4d～第6d真空泵每運(yùn)行4h停泵2h，第6d～第8d真空泵每運(yùn)行10h停泵2h，第9d開始全天持續(xù)運(yùn)行，直至廢棄泥漿表面沉降速率小于每天1cm。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 沉降量分析

真空預(yù)壓過程中每日兩次測量池中沉降監(jiān)測點(diǎn)的高度，繪制泥漿池表面沉降如圖11所示。

圖11 泥漿池沉降量

由圖11可知，泥漿池在真空預(yù)壓處理的20余天內(nèi)，泥漿池沉降量達(dá)65cm以上，約占原始泥漿高度的1/3。此外，前兩日的泥漿沉降速率明顯更快，這是由于剛開始泥漿絮凝結(jié)構(gòu)疏松多孔，團(tuán)聚大顆粒沉積在底部，自由水沿孔隙排出。第9d～第10d，沉降量出現(xiàn)一個(gè)小型的“平臺(tái)”期，這個(gè)階段真空射流泵開始全天抽水，隨著真空預(yù)壓的時(shí)間增加，沉降量開始再次上升，但上升速率略有下降。

4.2 真空預(yù)壓出水流量

由圖12可知，真空預(yù)壓在剛開始的1d內(nèi)流量達(dá)到了峰值，約為每秒250ml，這是由于剛開始真空抽水時(shí)，絮凝泥漿間孔隙較大，自由水較多。真空抽水第2d～第5d流量維持在一個(gè)較高的水平，此時(shí)APAM的絮凝作用和生石灰的增滲作用最為明顯，真空預(yù)壓第5d～第10d，隨著真空抽水時(shí)間的不斷增加，排水板附近土體滲透性降低，土柱開始形成，淤堵效應(yīng)增強(qiáng)。到23d之后流量小于20ml每秒，停止真空預(yù)壓。

圖12 真空預(yù)壓流量

4.3 十字板剪切強(qiáng)度

真空預(yù)壓結(jié)束后，對泥漿池內(nèi)土體進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 土體真空預(yù)壓十字板剪切強(qiáng)度

由表2中數(shù)據(jù)可知工程現(xiàn)場廢棄泥漿在絮凝增滲真空預(yù)壓處理后，表面十字板剪切強(qiáng)度為35kPa，處理后接近泥漿池底部的土體十字板剪切強(qiáng)度也達(dá)到了22kPa，由飽和狀態(tài)流塑性泥漿到整個(gè)泥漿池土體十字板剪切強(qiáng)度均達(dá)到20kPa以上，土體承載力得到了顯著提高。

5 結(jié)語

（1） 研究采用真空預(yù)壓結(jié)合絮凝劑及增滲劑，對工程現(xiàn)場泥漿的處理進(jìn)行了真空預(yù)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)后泥漿承載力顯著提高，是一種可行的工程泥漿處理方法。

（2） 研究進(jìn)行沉降柱試驗(yàn)，得到了生石灰作為增滲劑與聚丙烯酰胺絮凝劑的配比：生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.3%濃度的APAM摻量為175ml/L。

（3） 研究進(jìn)行了工程廢棄泥漿的真空預(yù)壓室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)采用間歇抽水的預(yù)壓方式，從真空預(yù)壓處理結(jié)果來看，處理效果良好。