絮凝增渗真空预压现场处理钻孔灌注桩泥浆试验研究

崔允亮， 潘方然， 赵攀， 张兵兵， 马群超

（1.浙江大学建筑工程学院，杭州 310058；2.浙大城市学院土木工程系，杭州 310015；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 311122）

0 引言

在我国城市化进程不断加快的过程中，不断开展的基础建设工程往往会产生大量的工程废弃泥浆［1，2］，如钻孔灌注桩、地下连续墙等护壁泥浆。这些工程废弃泥浆存在着含水率高、强度低、呈流动状态等特点［3］，而面对这样的工程废弃泥浆，国内外目前的处理方法往往是固液分离和外掺固化剂固化两种，固液分离方法又包括静置分离和物理技术分离，常见的物理静置分离有机械脱水式固液分离以及真空预压处理如图1所示。

图1 废弃泥浆处理方法

近些年地基处理的过程中多采用排水固结的方法，传统的排水固结通过设置砂井等排水体来进行软土地基的排水固结加固。近些年随着大量的吹填土地基的处理需要以及材料技术的发展，真空预压技术取得了突破性的进展［4，5］。

真空预压法是通过向泥浆中插入排水板等竖向排水通道，竖向排水通道连接排水管道，然后上覆真空膜进行持续抽真空，使土体承受负压，利用负压进行土体加固的方法。

真空预压法进行废弃泥浆处理的机理可以归纳为3部分：一是分级预压延长排水时间［6-8］；二是絮凝后形成大颗粒减少淤堵［9，10］；三是外掺固化剂处理可以进行化学固化［11］。针对药剂处理的三方面机理，国内外学者进行了各种试验研究。赵森等［12］采用真空预压联合混合絮凝剂加固处理废弃泥浆，混合絮凝剂为聚丙烯酰胺与氢氧化钙的混合物，有效提高吹填土的加固效果，且絮凝剂的最佳掺量为1.5%。武亚军等［13，14］利用聚丙烯酰胺联合真空预压处理淤泥，通过添加聚丙烯酰胺促进土颗粒聚合，提高淤泥处理效率。

传统的真空预压，在持续抽水的过程中，自淤泥表面向下存在着直径随深度减少的致密“土柱”［15］，“土柱”区域渗透系数明显降低［16，17］，极大的影响了排水效率。为了增大真空预压前期泥浆的渗透系数，一些学者开始采用低渗油气田领域内的“增渗技术”［18，19］，通过在泥浆中掺入增渗材料，改善泥浆性质。武亚军［20，21］通过在工程泥浆中外掺 Fecl3、生石灰等材料，对真空预压联合外掺增渗剂的处理效果进行了研究，其中试验研究表明生石灰对真空预压的处理有增渗作用。

研究为了进一步提升真空预压的出水效率，增加抽水过程中泥浆的渗透性选用絮凝剂为阴离子聚丙烯酰胺（APAM），泥浆增渗剂为生石灰，通过室内沉降柱试验对絮凝剂和增渗剂的最佳掺量配比进行筛选，随后通过开展室内模型试验和工程现场试验对真空效果进行验证，得到理想的真空预压联合絮凝剂的工程泥浆处理方法。

1 药剂筛选

1.1 泥浆性质

钻孔灌注状泥浆来自于浙江省温州市一钻孔灌注桩的施工现场，从钻孔灌注桩废浆池中抽取，通过室内试验可得废弃泥浆基本物理性质见表1。

表1 试验土样的基本参数

1.2 药剂筛选

试验选用的絮凝药剂为有机絮凝剂阴离子聚丙烯酰胺（APAM），选用的增渗剂为生石灰，通过沉降柱试验来进行最优剂量的筛选。在试验过程中加速泥浆颗粒成团，加速碰撞，增大颗粒间孔隙，实现快速泥水分离。

1.2.1 APAM掺量筛选

首先选取600万分子量的APAM，溶于蒸馏水，充分搅拌配置成0.3%浓度的溶液，分别加入20、25、30、35、40、45ml配制好的聚丙烯酰胺溶液于盛有200ml工程废弃泥浆的烧杯中，充分搅拌后移入5L的量筒中，做好标记，持续读取下层絮凝泥浆液面读数，绘制絮凝泥浆沉降读数如图2所示。

图2 絮凝泥浆沉降读数

由上图絮凝泥浆沉降读数图可以看出200ml废弃泥浆中添加25ml和35ml的0.3%APAM溶液絮凝效果最佳。

1.2.2 生石灰掺量筛选

分别添加占废弃泥浆质量分数的0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%、0.7%的生石灰于盛有200ml工程废弃泥浆的烧杯中，充分搅拌后移入5L的量筒中，做好标记，持续读取下层泥浆液面读数，绘制泥浆液面高度读数如图3所示。

1.1.2 试验分组 （1）透析组：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。平均年龄（59.60±15.16）岁，透析龄（59.01±7.98）周。透析剂量为7～9 L/d。（2）对照组：无锡市中西医结合医院药物临床试验中心健康受试者22例。其中，男10例，女12例。平均年龄（59.14±8.29）岁。红细胞计数、血红蛋白、红细胞压积、肌酐、尿素氮、血磷水平均正常。对照组、PD组、HD组年龄、性别一般资料比较，差异无统计学意义（P＞0.05），具有可比性。

图3 泥浆液面高度读数

由图3中泥浆液面沉降读数图可知，当生石灰的添量为0.3%、0.4%时泥浆的沉降效果最好。因此选取0.4%、0.5%掺量的生石灰与25、35ml的APAM溶液两两组合，形成4种混合溶液如下表，分别掺入盛有200ml工程废弃泥浆的烧杯中，搅拌均匀，做好标记，持续读取下层絮凝泥浆液面读数，绘制絮凝泥浆液面沉降高度读数如图4所示。

图4 絮凝泥浆液面高度读数

由图4中絮凝泥浆液面沉降读数可知，采用生石灰质量分数为0.5%、0.3%浓度的APAM掺量175ml/L配比的混合溶液在掺入96h时泥浆液面沉降读数从190ml下降到110ml，在所有的沉降柱试验中泥浆液面最低，配合絮凝效果最好，为后续的真空预压室内模型试验提供了生石灰和絮凝剂的最优掺量。

2 模型试验

通过前期沉降柱试验可以筛选得出理想的生石灰掺量为泥浆质量分数的0.5%和APAM添加方案配比为每升泥浆添加175ml浓度为0.3%的APAM溶液。采用此絮凝剂配比进行模型试验，模型试验桶如图5所示。

图5 模型试验装置

模型试验桶内装有40L的工程废弃泥浆，按照上述质量配比，需掺入0.3%的APAM溶液7L以及248g的生石灰，添加剂掺入后充分搅拌，插入速率排水板，进行装置连接。

装置连接好后进行真空抽气，膜下真空度保持在80kPa以上持续抽水，记录其排水量、沉降量如图6、图7所示。

图6 沉降量监测图

图7 排水量监测图

由图5、图6中的沉降量和排水量可以看出，该配比的絮凝剂混合液掺入后，真空预压速率前期较快，在500min的时候，沉降量与排水量就已达到最终沉降的1/2，2000min以后，排水量和沉降量趋于稳定，真空预压总排水量为10.7L，总沉降量为9.7cm。添加生石灰和APAM对工程废弃泥浆进行处理，可以在4h内结结束抽水，经含水率监测，处理后的泥浆含水率为65%。

3 现场试验

在施工现场开挖泥浆池，作为真空预压处理试验场地，泥浆池具体尺寸如真空预压泥浆池示意图8、图9所示。

图8 真空预压泥浆池侧视图（单位：m）

图9 真空预压泥浆池俯视图（单位：m）

图10 水平排水管连接

膜下装置连接好之后，铺设真空膜，安装真空表，监测膜下真空度。为方便排出的上清液进一步以上覆荷载的状态密封压盖在真空膜上，将射流泵安装在泥浆池中。此外，在泥浆池中央设置一沉降监测点。

上述步骤安装完成后，进行真空间歇抽水，启动真空泵抽真空，采用间歇抽气方式，前3d真空泵每运行2h停泵2h，第4d～第6d真空泵每运行4h停泵2h，第6d～第8d真空泵每运行10h停泵2h，第9d开始全天持续运行，直至废弃泥浆表面沉降速率小于每天1cm。

4 数据分析

4.1 沉降量分析

真空预压过程中每日两次测量池中沉降监测点的高度，绘制泥浆池表面沉降如图11所示。

图11 泥浆池沉降量

由图11可知，泥浆池在真空预压处理的20余天内，泥浆池沉降量达65cm以上，约占原始泥浆高度的1/3。此外，前两日的泥浆沉降速率明显更快，这是由于刚开始泥浆絮凝结构疏松多孔，团聚大颗粒沉积在底部，自由水沿孔隙排出。第9d～第10d，沉降量出现一个小型的“平台”期，这个阶段真空射流泵开始全天抽水，随着真空预压的时间增加，沉降量开始再次上升，但上升速率略有下降。

4.2 真空预压出水流量

由图12可知，真空预压在刚开始的1d内流量达到了峰值，约为每秒250ml，这是由于刚开始真空抽水时，絮凝泥浆间孔隙较大，自由水较多。真空抽水第2d～第5d流量维持在一个较高的水平，此时APAM的絮凝作用和生石灰的增渗作用最为明显，真空预压第5d～第10d，随着真空抽水时间的不断增加，排水板附近土体渗透性降低，土柱开始形成，淤堵效应增强。到23d之后流量小于20ml每秒，停止真空预压。

图12 真空预压流量

4.3 十字板剪切强度

真空预压结束后，对泥浆池内土体进行十字板剪切试验，得到试验结果如表2所示。

表2 土体真空预压十字板剪切强度

由表2中数据可知工程现场废弃泥浆在絮凝增渗真空预压处理后，表面十字板剪切强度为35kPa，处理后接近泥浆池底部的土体十字板剪切强度也达到了22kPa，由饱和状态流塑性泥浆到整个泥浆池土体十字板剪切强度均达到20kPa以上，土体承载力得到了显著提高。

5 结语

（1） 研究采用真空预压结合絮凝剂及增渗剂，对工程现场泥浆的处理进行了真空预压试验，试验后泥浆承载力显著提高，是一种可行的工程泥浆处理方法。

（2） 研究进行沉降柱试验，得到了生石灰作为增渗剂与聚丙烯酰胺絮凝剂的配比：生石灰质量分数为0.5%、0.3%浓度的APAM掺量为175ml/L。

（3） 研究进行了工程废弃泥浆的真空预压室内模型试验和现场试验，现场试验采用间歇抽水的预压方式，从真空预压处理结果来看，处理效果良好。