CN105970922A - 工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法 - Google Patents

工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法 Download PDF

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    • E02D3/12—Consolidating by placing solidifying or pore-filling substances in the soil

Abstract

本发明提供了一种工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，所述方法包括步骤：清除待处理场地表面杂物，整平场地；根据设计图纸，依次测放、定出各个桩位，并予以标识；依据桩位标识，移动双向钉形搅拌桩机就位并对中指定桩位；首喷首搅复合固化剂浆料；复喷复搅废弃轮胎橡胶粉；本发明采用多种工业废渣配制复合固化剂，不仅可大面积处治海涂围垦形成的滨海盐渍软基，而且较好解决了多种废弃物占用土地和环境污染等难题，可取得良好的经济、社会和环保效益，具有较为广阔的工程应用前景。

Description

工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法
(一)技术领域
本发明属于岩土工程中地基处理技术领域，具体涉及一种滨海盐渍土的工业废渣湿/干法喷射双向钉形搅拌桩处治施工方法。
(二)背景技术
随着我国海洋经济发展战略实施，“海涂围垦、吹填造陆”成为缓解滨海城市土地资源短缺的重要手段。新围海涂是海水长期浸渍下形成的盐渍淤泥，母质的含盐量很高，含盐类型为氯盐。滨海盐渍土除具有盐胀性、溶陷性和腐蚀性工程特性外，还有着强烈的吸湿特性。
传统处理方法主要包括换土垫层法、排水预压法、高压注浆法、粉喷或石灰桩法。换土垫层法挖方量大，土石方调配成本高；排水预压法工期较长，处理效果欠佳；高压注浆法和粉喷或石灰桩法中的注浆或固化材料存在性能缺陷，从而达不到改良、加固和防渗的目的。例如，在常用石灰桩法中，处治后的盐渍土易发生吸湿软化而丧失部分强度，以致难以达到预期处治效果。
在经济持续快速发展过程中，工业废渣(如碱渣、磷石膏、高炉渣和电石渣等)不断产生和弃置。这不仅占用土地资源，而且污染环境、破坏生态。与此同时，世界上各类型汽车总量不断攀升，因磨耗、损坏而报废更换产生的废弃轮胎数量亦迅速增长，为了循环利用废旧轮胎常被粉碎、研磨成黑色粉末(即废弃轮胎橡胶粉)。目前，许多发达国家已将各类工业废弃物作为“可再生资源”加以开发利用。循此理念，可用多种工业废渣开发、配制复合固化剂，并用废弃轮胎橡胶粉作为物理填充剂，对滨海盐渍土(包括淤泥)进行联合改良处治，从而达到废弃物处治和保护生态环境的目的。
为克服常用水泥搅拌桩存在的搅拌不均匀、冒浆、喷浆阻塞等缺点，本发明在东南大学刘松玉等提出的“双向搅拌桩的成桩操作方法”(公开号CN1632233A)和“钉形桩成桩的工艺方法”(公开号CN1542234A)两项专利技术的工艺基础上，采用双向钉形搅拌桩操作方法，同时结合滨海盐渍土的化学、物理改良原理，形成了首喷(湿喷)首搅复合固化剂和复喷(干喷)复搅废弃轮胎橡胶粉的湿/干法喷射双向钉形搅拌桩施工工艺。
(三)发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，为解决盐渍软基病害和合理处置工业废渣提供一条有效技术途径。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，所述方法按如下步骤进行：
(1)清除待处理场地表面杂物，整平场地；
(2)根据设计图纸，依次测放、定出各个桩位，并予以标识；
(3)依据步骤(2)的桩位标识，移动双向钉形搅拌桩机就位并对中指定桩位；
(4)首喷(湿喷)首搅复合固化剂浆料：
喷浆下沉：启动双向钉形搅拌桩机，使其沿导向架向下切土，同时开启送浆泵向土体喷复合固化剂浆料，双向钉形搅拌桩机外钻杆、内钻杆上的两组叶片同时正、反向旋转(即外钻杆上的叶片逆时针旋转，内钻杆上的叶片顺时针旋转，反之也可)以充分拌合复合固化剂浆料与盐渍软土，双向钉形搅拌桩机持续下沉，直到扩大头设计深度；
下部成桩：在扩大头底面，将内、外钻杆上的两组叶片收缩到下部桩体直径，再次使双向钉形搅拌桩机沿导向架向下切土，同时开启送浆泵喷复合固化剂浆料，利用两组叶片同时正、反向旋转，保持搅拌桩机持续下沉，直至设计标高，并且在桩端位置持续喷复合固化剂浆料搅拌10～30s。
提升搅拌：关闭送浆泵，提升双向钉形搅拌桩机，在提升的同时，双向钉形搅拌桩机内、外钻杆上的两组叶片仍然保持正、反向旋转以搅拌复合固化剂浆料与盐渍软土，当外钻杆上的搅拌叶片达到扩大头标高以下45～55cm处时，再次开启送浆泵喷射复合固化剂浆料，直至扩大头底面标高，以使变截面处受到保护。
伸展叶片：改变内、外钻杆的旋转方向，将叶片打开到扩大头直径大小，提升钻杆并喷射复合固化剂浆料，内、外钻杆上的两组叶片继续搅拌复合固化剂浆料与盐渍软土，直到内钻杆上的叶片到达桩顶设计标高；
所述复合固化剂为Ca2+基材料：粉煤灰：激发剂质量比60：30：10的混合物；所述Ca2+基材料为电石渣、碱渣、高炉渣、磷石膏中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述粉煤灰为火电厂湿排低硫高钙粉煤灰；所述激发剂由如下质量百分数的组分组成：MgO或碱渣中的一种或两者以任意比例的混合物50％、磷石膏30％、水泥(例如普通硅酸盐水泥)20％；所述复合固化剂浆料是将复合固化剂加水搅拌而成，所述复合固化剂与水的质量比一般为1：0.45～0.55；
(5)复喷(干喷)复搅废弃轮胎橡胶粉(废弃轮胎经粉碎、研磨所得的20目橡胶粉)：
重复步骤(4)的操作，完成桩体的复喷复搅过程，在此过程中，将步骤(4)中的送浆泵替换为送灰泵，所述送灰泵喷射废弃轮胎橡胶粉；复喷复搅废弃轮胎橡胶粉过程结束后，即完成一个工业废渣喷射双向钉形搅拌桩的施工。
需要说明的是：为增强步骤(5)粉体喷射效果，可采用先四周而后中间的施工方案，使加固范围内土体形成一道帷幕，以防止后续粉喷浆液向外围扩散。
本发明所述方法中，盐渍土：废弃轮胎橡胶粉：复合固化剂＝70：20：10(质量比)，满足的基本技术指标为：盐胀缩总率＜0.7％，7d无侧限抗压强度≥0.8MPa，以及浸水饱和无溶陷性。
本发明中土性改良原理是：
(1)物理改良
废旧轮胎橡胶粉对盐渍土起到物理改性作用。
橡胶粉理化性质稳定，具有高弹性和高韧性等特点。通过搅拌桩机喷射入土后，橡胶粉能渗入、充填和隔离盐渍土基团。由于橡胶粉比表面积大，与基团接触面积也大，接触面上摩阻力就大，因而能阻滞、抑制或缓解盐渍土盐胀、溶陷和吸湿作用。
橡胶粉中还含有约3％的纤维。而纤维具有较大表面粗糙度，增大了橡胶粉与基团的界面摩擦作用。盐渍土基团发生盐胀、溶陷和吸湿反应时，纤维与基团界面产生摩阻力，消耗部分胀缩内力，有效减小盐渍土的胀缩势，从而有效约束盐渍土基团胀缩作用。
(2)化学固化
工业废渣固化盐渍土与水泥/石灰稳定土的工程特性类似。
当工业废渣喷射入土后，在水的作用下与盐渍土发生以下反应：
(a)离子交换作用：工业废渣分解出的Ca2+与土中的Na+、K+等发生离子交换作用，使土表面双电层变薄，颗粒相互吸引成团，盐渍土的分散性、溶陷性和膨胀性不断降低。
(b)火山灰作用：随着反应过程中水分的不断参与，水稳定性良好的化合物(水化硅酸钙和水化铝酸钙)不断生成，盐渍土的强度则不断增长。
(c)Ca(OH)2结晶反应：随着反应过程中水分的不断减少，Ca(OH)2结晶析出，并由胶体变为结晶体和共晶体，盐渍土的水稳定性不断增强。
(d)碳酸化作用：部分Ca(OH)2与CO2反应生成CaCO3晶体，并形成网架结构与胶凝结构，使盐渍土固化形成水泥/石灰稳定土，显著提高了材料的水稳定性和后期强度。
本发明的有益效果是：
本发明采用多种工业废渣配制复合固化剂，不仅可大面积处治海涂围垦形成的滨海盐渍软基，而且还能实现多种废弃物的再利用，较好解决了多种废弃物占用土地和环境污染等难题，可取得良好的经济、社会和环保效益。
本发明相较于开挖换填法，降低了土石方调配成本。与石灰改良法相比，该工艺改良效果更优，可有效保持房屋地基稳定、耐久。
较之常规搅拌桩，双向钉形搅拌桩优势明显：一是质量有保证，相同地质与施工条件下，承载力获得了较大提高，变形沉降量则大为降低；二是工程进度快，“两搅两喷”施工工艺可有效缩短工期(常规为“四搅二喷”工艺)；三是相对造价低，采用工业废渣取代水泥或石灰等工业制成品固化盐渍软土，综合经济效益比常规搅拌桩占优。
无需大量借土、换土，无需大面积开挖，从而保护生态环境。实现工业废渣再生利用，缓解了环境污染问题，环保效益明显。
(四)附图说明
图1是本发明双向钉形搅拌桩机的结构示意图；
图1中，1-外钻杆、2-安装在外钻杆上的搅拌叶片、3-内钻杆、4-安装在内钻杆上的搅拌叶片、6-动力装置、5-动力传动装置；
图2是本发明双向钉形搅拌桩施工工艺流程图。
(五)具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1：工业废渣改良剂配合比设计
依据现场条件下盐渍软基处治技术要求，总结室内和现场测试成果，提出工业废渣(Ca2+基材料、粉煤灰和激发剂)配比，以及地基处治时复合固化剂、废弃轮胎橡胶粉和盐渍土的掺合比。
(1)复合固化剂配比：可选某一类Ca2+基材料(如电石渣)作为主要成分，辅以粉煤灰和激发剂(如MgO等)，按照Ca2+基材料：粉煤灰：激发剂＝60：30：10的配比制成工业废渣复合固化剂。试验研究表明：与单一钙基材料相比，复合固化剂具有凝结时间可调、强度高和黏结性好等优点，非常适用于处治滨海氯盐渍软基。
(2)喷射配合比：依据试验结果，推荐喷射材料的质量比为盐渍土：20目废弃轮胎橡胶粉：复合固化剂＝70：20：10的配合比，满足的基本技术指标为：盐胀缩总率＜0.7％，7d无侧限抗压强度≥0.8MPa，浸水饱和无溶陷性等。采用推荐配比进行地基改良，可显著增加盐渍软土的水稳定性和抗剪强度，大大减小地基盐胀、溶陷和吸湿变形。
实施例2：湿/干法喷射双向钉形搅拌桩施工
在已有双向搅拌桩和钉形桩的成桩工艺基础上，本发明改进原有的“四搅二喷”工艺，采用首喷(湿喷)首搅工业废渣复合固化剂和复喷(干喷)复搅废弃轮胎橡胶粉两道工艺环节，形成湿/干法喷射双向钉形搅拌桩施工工艺。该工艺可将喷浆(复合固化剂)和喷粉(废弃轮胎橡胶粉)分开，以防软土隔离固化剂和橡胶粉，导致三者间无法发生凝结硬化反应，从而达到现有条件下的最佳处治效果。
本发明所采用的双向钉形搅拌桩机的结构如图1所示，所述的双向钉形搅拌桩机包括外钻杆1、安装在外钻杆上的搅拌叶片2、内钻杆3、安装在内钻杆上的搅拌叶片4、动力装置6、动力传动装置5；通过动力装置6及动力传动装置5带动外钻杆1、内钻杆3旋转，进而使固定安装在内、外钻杆上的两组叶片也发生旋转，从而搅拌喷射材料与盐渍土。
具体施工步骤如下：
(1)施工前准备
表1盐渍土物理化学信息：
盐渍土素土试样 易溶盐含盐量/％ 盐渍土分类 无侧限抗压强度/MPa
I 2.25 氯盐渍土 0.35
II 2.49 氯盐渍土 0.42
III 3.84 氯盐渍土 0.31
注：上表所述无侧限抗压强度为含水率21％盐渍土素土试样未浸水无侧限抗压强度复合固化剂具体信息：
Ca2+基材料：高炉渣60％；
粉煤灰：火电厂湿排低硫高钙粉煤灰30％；
激发剂：碱渣5％、磷石膏3％、普通硅酸盐水泥2％；
配制浆料信息：
复合固化剂加水搅拌形成浆料，复合固化剂与水的质量比为1：0.45～0.55；
喷灰量为55kg/m；
开工时避开雨季或不良天气。
清除待处理场地表面浮土等各类杂物，保证表面干净平整，便于施工机械进场。如遇暗槽孔穴或局部松土应及时清除，并用同类材料分层填实补平。
根据设计图纸，依次测放、定出各个桩位，并用白色石灰予以标识。
(2)搅拌桩施工
①桩机就位，对桩机实施准确定位，而后移动桩机就位并对中指定桩位。
②首喷(湿喷)首搅固化剂
喷浆下沉：启动双向钉形搅拌桩机，使其沿导向架向下切土，同时开启送浆泵向土体喷工业废渣复合固化剂浆料。两组叶片同时正、反向旋转(外钻杆逆时针旋转，内钻杆顺时针旋转)切割、搅拌土体，双向钉形搅拌桩机持续下沉，直到扩大头设计深度。
下部成桩：在扩大头底面，将搅拌叶片收缩到下部桩体直径。再次使双向钉形搅拌桩机沿导向架向下切土、喷浆、下沉。利用两组叶片同时正、反旋转，保持桩机持续稳定下沉，直至设计标高，并且在桩端位置持续喷浆搅拌20s。
提升搅拌：关闭送浆泵，提升双向钉形搅拌桩机。在提升的同时，两组叶片仍然保持正反向旋转，继续搅拌土体。当外杆叶片达到扩大头标高以下50cm处时，再次开启送浆泵复喷复合固化剂浆料，直至扩大头底面标高，以使变截面处受到保护。
伸展叶片：改变内外杆的旋转方向，将叶片打开到扩大头直径大小；提升钻杆并复喷工业废渣复合固化剂浆料，继续搅拌土体，直到内杆叶片到达桩顶设计标高。
③复喷(干喷)复搅橡胶粉
重复步骤②的操作，完成桩体的复搅过程，在此过程中，将步骤②中的送浆泵替换为送灰泵开启送灰泵并喷射废弃轮胎橡胶粉。复喷复搅废弃轮胎橡胶粉过程结束后，即完成一个工业废渣喷射双向钉形搅拌桩的施工。
④关闭搅拌桩机并移至下一桩位，重复步骤①～③，依次完成后续搅拌桩的施工工作。
另外，为增强废弃轮胎橡胶粉粉体喷射效果，可先四周而后中间施工，使加固范围内土体形成一道帷幕，以防止后续粉喷浆液向外围扩散。
(3)成桩检测
按比例随机选取成桩(不少于5根)进行检测。
①轻便触探于成桩后3天左右，采用轻型动力触探检测
桩身均匀性。
②浅部开挖于成桩7d左右，可以进行浅挖检测。使用浅部开挖桩头，目测均匀程度并测量成桩直径。
③桩身取芯于成桩28d左右进行取芯、标贯和载荷试验，并结合室内试验检验桩身的强度。
表2水泥搅拌试验桩加固盐渍软基检测结果
表3工业废渣复合固化剂加固盐渍软基检测结果
水泥搅拌桩与工业废渣复合固化剂双向钉形搅拌桩改良盐渍软基的检测结果如表2和3，对比分析可知：尽管后者部分指标的检测值低于前者，然而两种处治方法均能满足设计要求。此外，采用工业渣替代石灰、水泥等工业制成品充当固化材料，可降低约1/3的原材料购置成本，并大大减少工业废渣所占用的土地面积，并取得经济、社会和环保等多重效益。因此，本发明涉及的方法更具有良好的工程推广与应用价值。

Claims (6)

1.一种工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，其特征在于，所述方法按如下步骤进行：
(1)清除待处理场地表面杂物，整平场地；
(2)根据设计图纸，依次测放、定出各个桩位，并予以标识；
(3)依据步骤(2)的桩位标识，移动双向钉形搅拌桩机就位并对中指定桩位；
(4)首喷首搅复合固化剂浆料，所述复合固化剂为Ca2+基材料、粉煤灰、激发剂的混合物：
喷浆下沉：启动双向钉形搅拌桩机，使其沿导向架向下切土，同时开启送浆泵向土体喷复合固化剂浆料，双向钉形搅拌桩机外钻杆、内钻杆上的两组叶片同时正、反向旋转以充分拌合复合固化剂浆料与盐渍软土，双向钉形搅拌桩机持续下沉，直到扩大头设计深度；
下部成桩：在扩大头底面，将内、外钻杆上的两组叶片收缩到下部桩体直径，再次使双向钉形搅拌桩机沿导向架向下切土，同时开启送浆泵喷复合固化剂浆料，利用两组叶片同时正、反向旋转，保持搅拌桩机持续下沉，直至设计标高，并且在桩端位置持续喷复合固化剂浆料搅拌10～30s。
提升搅拌：关闭送浆泵，提升双向钉形搅拌桩机，在提升的同时，双向钉形搅拌桩机内、外钻杆上的两组叶片仍然保持正、反向旋转以搅拌复合固化剂浆料与盐渍软土，当外钻杆上的搅拌叶片达到扩大头标高以下45～55cm处时，再次开启送浆泵喷射复合固化剂浆料，直至扩大头底面标高，以使变截面处受到保护。
伸展叶片：改变内、外钻杆的旋转方向，将叶片打开到扩大头直径大小，提升钻杆并喷射复合固化剂浆料，内、外钻杆上的两组叶片继续搅拌复合固化剂浆料与盐渍软土，直到内钻杆上的叶片到达桩顶设计标高；
(5)复喷复搅废弃轮胎橡胶粉：
重复步骤(4)的操作，完成桩体的复喷复搅过程，在此过程中，将步骤(4)中的送浆泵替换为送灰泵，所述送灰泵喷射废弃轮胎橡胶粉；复喷复搅废弃轮胎橡胶粉过程结束后，即完成一个工业废渣喷射双向钉形搅拌桩的施工。
2.如权利要求1所述的工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述的复合固化剂为Ca2+基材料：粉煤灰：激发剂质量比60：30：10的混合物。
3.如权利要求1所述的工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述Ca2+基材料为电石渣、碱渣、高炉渣、磷石膏中的一种或两种以上任意比例的混合物；所述粉煤灰为火电厂湿排低硫高钙粉煤灰；所述激发剂由如下质量百分数的组分组成：MgO或碱渣中的一种或两者以任意比例的混合物50％、磷石膏30％、水泥20％。
4.如权利要求1所述的工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，其特征在于，步骤(4)中，所述复合固化剂浆料是将复合固化剂加水搅拌而成，所述复合固化剂与水的质量比为1：0.45～0.55。
5.如权利要求1所述的工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，其特征在于，所述方法中，盐渍土：废弃轮胎橡胶粉：复合固化剂的质量比＝70：20：10。
6.如权利要求1所述的工业废渣喷射双向钉形搅拌桩处治滨海盐渍软基的方法，其特征在于，步骤(5)采用先四周而后中间的施工方案，使加固范围内土体形成一道帷幕，以防止后续粉喷浆液向外围扩散。
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