CN117003465B - 一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化方法及***，所述方法包括以下步骤：淤泥进行开挖并倒入搅拌池；通过具体公式确定第一阶段掺入淤泥的固化剂掺量，并倒入搅拌池进行搅拌和固化；将第一阶段固化后的淤泥进行堆放和闷料养生；将闷料养生后的第一阶段固化淤泥进行开挖破碎，并与具体公式确定的第二阶段固化剂掺量进行充分搅拌；将搅拌均匀后的固化淤泥运至仓面进行碾压。本发明提供的两段式固化方法能够有效减少碾压式固化淤泥的强度损失，降低固化剂用量，节省工程造价。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程淤泥固化技术领域，具体涉及一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化方法及***。
背景技术
为改善河流水质、保障河道泄洪能力以及航道与港口的畅通，我国每年都会产生数以亿计的河道疏浚淤泥。疏浚淤泥普遍具有含水率高、压缩性大、抗剪强度小、直接利用价值低等特点，如何处置疏浚淤泥已成为当今社会各界广泛关注的问题。化学固化是处理高含水率河道疏浚淤泥的一种常见且有效方法，该方法通过向淤泥中添加固化材料以及化学药剂，改变淤泥的物理化学性质，以达到改善工程特性、保护环境等目的。此外，固化后的淤泥还可以作为回填材料在堤防、道路、挡土墙等工程中进行资源化利用，实现“变废为宝”。
淤泥固化和资源化利用同步开展的情况下，工程中通常将固化剂一次性掺入的淤泥中进行搅拌，由于新搅拌完成的固化淤泥流动性较好，因此可以直接采用“浇筑式”方法对固化淤泥进行现场施工。现有发明专利CN200610040093.6“淤泥固化土的施工方法”、CN200810019339.0“淤泥固化方法”、CN201310183837.X“一种淤泥固化方法”、CN202110003710.X“一种淤泥脱水固化***及其施工方法”等均采用了这种一次性掺入固化剂的方法对淤泥进行固化。然而，在实际工程应用中，淤泥的固化搅拌与淤泥的资源化利用通常在时间和空间上是不同步的，这就需要将淤泥进行固化处理后先置于临时堆放场中进行闷料养生，待工程需要时再对固化淤泥开挖破碎再进行“碾压式”填筑，从而形成与固化淤泥性质不同的压实固化淤泥。
由于固化淤泥破碎后，其土体结构发生了破坏，固化淤泥即使在碾压压实后，其CBR强度、抗剪强度以及无侧限抗压强度等指标较碾压之前将损失50～60％，从而无法满足工程应用要求。因此，工程中不得不增加固化剂的一次性掺量，以提高固化淤泥在破碎碾压之前的强度。然而，这种方式不仅使得淤泥固化材料的添加量成倍增加，还增加了后续高强度固化淤泥开挖破碎的施工耗能，从而极大地增加了工程造价。因此，如何在固化剂使用量最小的情况下尽可能提高碾压式固化淤泥的强度，具有十分重要的工程价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化方法及***，能够有效减少碾压式固化淤泥的强度损失和固化淤泥开挖破碎的施工耗能，降低固化剂用量，从而大幅度节省工程造价。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化方法，所述方法分两个阶段进行固化：
第一阶段：将从预设河湖开挖的淤泥倒入搅拌池，并将预设的第一定量的固化剂倒入装有淤泥的搅拌池进行充分搅拌，进而对淤泥进行第一阶段的固化，将固化的淤泥堆放至预设的堆场进行闷料养生；
第二阶段：将闷料养生后的淤泥进行破碎，并将预设的第二定量的固化剂掺入破碎后的淤泥，并进行充分搅拌，将搅拌后的固化淤泥运至填筑仓面进行碾压施工。
优选的，所述固化剂选用水泥、高炉矿渣和磷石灰混合而成。
优选的，所述第一阶段中，倒入搅拌池的固化剂掺量按照以下公式计算：
式中：
ac1为第一阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
qu1为满足施工要求的第一阶段固化淤泥养护3天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k0为第一阶段不含有机质固化淤泥养护3天的固化系数，单位kN·m/kg；
acm为固化剂最低掺量，单位kg/m3；
w为淤泥初始含水率，单位％；
w0为固化前淤泥实际含水率，单位％；
Oc为淤泥有机质含量，单位％；
b为第一阶段固化淤泥固化系数k随淤泥有机质含量增长的衰减系数，无量纲单位；
所述acm和k0通过对第一阶段不同固化剂掺量的淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定；
b通过对第一阶段不同固化剂掺量、不同有机质含量淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定，b与k的关系为：
优选的，所述第二阶段中，搅拌至破碎后固化淤泥的固化剂掺量按照以下公式计算：
式中：
ac2为第二阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
qu2为第一阶段固化淤泥破碎前的无侧限抗压强度，单位kPa；
α为闷料养生后的第一阶段固化淤泥破碎再碾压后的强度折减系数，取值范围为0.3～0.5，无量纲单位；
qu3为满足设计要求的第二阶段固化淤泥碾压7天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k2为第二次淤泥固化后养护7天的固化系数，单位kN·m/kg；
所述qu2是通过对闷料养生后的第一阶段固化淤破碎前试样开展的无侧限抗压强度试验确定；
所述k2通过对第二阶段不同固化剂掺量下的固化淤泥养护7天后开展的无侧限抗压强度试验确定。
本发明还提供了一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化***，包括：第一固化模块和第二固化模块；
所述第一固化模块用于将从预设河湖开挖的淤泥倒入搅拌池，并将预设的第一定量的固化剂倒入装有淤泥的搅拌池进行充分搅拌，进而对淤泥进行第一阶段的固化，将固化的淤泥堆放至预设的堆场进行闷料养生；
所述第二固化模块用于将闷料养生后的淤泥进行破碎，并将预设的第二定量的固化剂掺入破碎后的淤泥，并进行充分搅拌，将搅拌后的固化淤泥运至填筑仓面进行碾压施工。
优选的，所述固化剂选用水泥、高炉矿渣和磷石灰混合而成。
优选的，所述第一固化模块中，倒入搅拌池的固化剂掺量按照以下公式计算：
式中：
ac1为第一阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
qu1为满足施工要求的第一阶段固化淤泥养护3天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k0为第一阶段不含有机质固化淤泥养护3天的固化系数，单位kN·m/kg；
acm为固化剂最低掺量，单位kg/m3；
w为淤泥初始含水率，单位％；
w0为固化前淤泥实际含水率，单位％；
Oc为淤泥有机质含量，单位％；
b为第一阶段固化淤泥固化系数k随淤泥有机质含量增长的衰减系数，无量纲单位；
所述acm和k0通过对第一阶段不同固化剂掺量的淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定；
b通过对第一阶段不同固化剂掺量、不同有机质含量淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定，b与k的关系为：
优选的，所述第二固化模块中，搅拌至破碎后固化淤泥的固化剂掺量按照以下公式计算：
式中：
ac2为第二阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
qu2为第一阶段固化淤泥破碎前的无侧限抗压强度，单位kPa；
α为闷料养生后的第一阶段固化淤泥破碎再碾压后的强度折减系数，取值范围为0.3～0.5，无量纲单位；
qu3为满足设计要求的第二阶段固化淤泥碾压7天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k2为第二次淤泥固化后养护7天的固化系数，单位kN·m/kg；
所述qu2是通过对闷料养生后的第一阶段固化淤破碎前试样开展的无侧限抗压强度试验确定；
所述k2通过对第二阶段不同固化剂掺量下的固化淤泥养护7天后开展的无侧限抗压强度试验确定。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的两段式固化方法，能够有效减少碾压式固化淤泥的强度损失和固化淤泥开挖破碎的施工耗能，降低固化剂用量，从而大幅度节省工程造价。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的固化方法流程图；
图2为本发明的第一阶段固化淤泥养护3天后的无侧限抗压强度试验结果；
图3为本发明的第一阶段固化淤泥固化系数k随淤泥有机质含量的关系曲线；
图4为本发明的第二阶段固化淤泥养护7天后的无侧限抗压强度试验结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化方法，所述方法分两个阶段进行固化：
第一阶段：将从预设河湖开挖的淤泥倒入搅拌池，并将预设的第一定量的固化剂倒入装有淤泥的搅拌池进行充分搅拌，进而对淤泥进行第一阶段的固化，将固化的淤泥堆放至预设的堆场进行闷料养生；
第二阶段：将闷料养生后的淤泥进行破碎，并将预设的第二定量的固化剂掺入破碎后的淤泥，并进行充分搅拌，将搅拌后的固化淤泥运至填筑仓面进行碾压施工。
在本实施例中，所述固化剂选用水泥、高炉矿渣和磷石灰混合而成。
在本实施例中，所述第一阶段中，倒入搅拌池的固化剂掺量按照以下公式计算：
式中：
ac1为第一阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
qu1为满足施工要求的第一阶段固化淤泥养护3天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k0为第一阶段不含有机质固化淤泥养护3天的固化系数，单位kN·m/kg；
acm为固化剂最低掺量，单位kg/m3；
w为淤泥初始含水率，单位％；
w0为固化前淤泥实际含水率，单位％；
Oc为淤泥有机质含量，单位％；
b为第一阶段固化淤泥固化系数k随淤泥有机质含量增长的衰减系数，无量纲单位；
所述acm和k0通过对第一阶段不同固化剂掺量的淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定；
b通过对第一阶段不同固化剂掺量、不同有机质含量淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定，b与k的关系为：
优选的，所述第二阶段中，搅拌至破碎后固化淤泥的固化剂掺量按照以下公式计算：
式中：
ac2为第二阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
qu2为第一阶段固化淤泥破碎前的无侧限抗压强度，单位kPa；
α为闷料养生后的第一阶段固化淤泥破碎再碾压后的强度折减系数，取值范围为0.3～0.5，无量纲单位；
qu3为满足设计要求的第二阶段固化淤泥碾压7天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k2为第二次淤泥固化后养护7天的固化系数，单位kN·m/kg；
所述qu2是通过对闷料养生后的第一阶段固化淤破碎前试样开展的无侧限抗压强度试验确定；
所述k2通过对第二阶段不同固化剂掺量下的固化淤泥养护7天后开展的无侧限抗压强度试验确定。
进一步地，在本实施例中，减小碾压式固化淤泥强度损失的两段式固化方法，步骤如下：
a、从河湖开挖淤泥放置于搅拌池，开挖淤泥初始含水率w为100％，有机质含量Oc为5％；
b、选用水泥、高炉矿渣和磷石灰混合而成的固化剂，各组分质量百分比分别为52％、38％和10％；
c、通过灼烧法去除淤泥中有机质，加入腐殖酸分别配置得到有机质含量为0、1％、2％、3％、4％和5％的淤泥；
d、分别将掺量为20kg/m3、40kg/m3、60kg/m3、80kg/m3、100kg/m3和120kg/m3的固化剂与不同有机质含量的淤泥加入搅拌机中拌合均匀，对淤泥进行第一阶段固化；
e、对第一阶段的固化淤泥进行养护，采用土力学试验方法对养护3天的固化淤泥的无侧向抗压强度进行检测，得到不同固化剂掺量下淤泥第一阶段固化后的无侧向抗压强度，如图2所示；
f、根据图2计算出固化剂最低掺量acm＝30kg/m3，计算出Oc＝0、1％、2％、3％、4％和5％的固化系数分别为28.0(即k0＝28.0)、17.3、10.3、6.6、4.1和2.5。据此绘出固化淤泥固化系数k随淤泥有机质含量的关系曲线，如图3所示。根据图3计算出固化系数随有机质含量增长的衰减系数b＝48；
g、本实施案例中开挖淤泥初始含水率w＝100％，有机质含量为Oc＝5％，满足碾压要求的qu1为150kPa，步骤f中已知acm＝30kg/m3，k0＝28.0，b＝48，若固化前淤泥实际含水率w0等于初始含水率，即w0＝w＝100％，代入公式(1)计算出第一阶段的固化剂掺量ac1＝89kg/m3；若开挖淤泥因为晾晒导致含水率有所减少，比如含水率w变为80％，则代入公式(1)计算出淤泥第一阶段的固化剂掺量ac1＝66kg/m3；若开挖淤泥因为降雨导致含水率有所增大，比如含水率w变为120％，则代入公式(1)计算出淤泥第一阶段的固化剂掺量ac1＝118kg/m3；
h、分别将掺量为10kg/m3、20kg/m3、30kg/m3、40kg/m3、50kg/m3和60kg/m3的固化剂与破碎后的淤泥拌合均匀，采用土力学试验方法对养护7天后的搅拌均匀的固化淤泥的无侧向抗压强度进行测试，得到不同固化剂掺量下第二阶段固化淤泥的无侧限抗压强度，如图4所示。根据图4计算出固化系数k2＝3；
i、本实施案例中开挖淤泥初始含水率w＝100％，有机质含量为Oc＝5％，满足设计要求的qu3为200kPa，α取0.4，步骤h中已知k2＝3，代入公式(2)计算出第二阶段的固化剂掺量ac2＝33kg/m3，两次掺入的固化剂总量ac1+ac2＝122kg/m3。
为对比一次性掺入和分两个阶段掺入固化剂的效果对比，将总量的122kg/m3固化剂一次性掺入初始含水率w＝100％，有机质含量Oc＝5％的淤泥，闷料养生21天后的淤泥固化破碎再碾压养护7天后的强度为120kPa，远达不到设计要求的200kPa。若要达到200kPa，则需要一次性掺入195kg/m3的固化剂。可见，本发明专利提供的两段式固化方法，能够有效降低固化剂用量，节省工程造价。
实施例二
本发明还提供了一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化***，包括：第一固化模块和第二固化模块；
所述第一固化模块用于将从预设河湖开挖的淤泥倒入搅拌池，并将预设的第一定量的固化剂倒入装有淤泥的搅拌池进行充分搅拌，进而对淤泥进行第一阶段的固化，将固化的淤泥堆放至预设的堆场进行闷料养生；
所述第二固化模块用于将闷料养生后的淤泥进行破碎，并将预设的第二定量的固化剂掺入破碎后的淤泥，并进行充分搅拌，将搅拌后的固化淤泥运至填筑仓面进行碾压施工。
在本实施例中，所述固化剂选用水泥、高炉矿渣和磷石灰混合而成。
在本实施例中，所述第一固化模块中，倒入搅拌池的固化剂掺量按照以下公式计算：
式中：
ac1为第一阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
qu1为满足施工要求的第一阶段固化淤泥养护3天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k0为第一阶段不含有机质固化淤泥养护3天的固化系数，单位kN·m/kg；
acm为固化剂最低掺量，单位kg/m3；
w为淤泥初始含水率，单位％；
w0为固化前淤泥实际含水率，单位％；
Oc为淤泥有机质含量，单位％；
b为第一阶段固化淤泥固化系数k随淤泥有机质含量增长的衰减系数，无量纲单位；
所述acm和k0通过对第一阶段不同固化剂掺量的淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定；
b通过对第一阶段不同固化剂掺量、不同有机质含量淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定，b与k的关系为：
在本实施例中，所述第二固化模块中，搅拌至破碎后固化淤泥的固化剂掺量按照以下公式计算：
式中：
ac2为第二阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
qu2为第一阶段固化淤泥破碎前的无侧限抗压强度，单位kPa；
α为闷料养生后的第一阶段固化淤泥破碎再碾压后的强度折减系数，取值范围为0.3～0.5，无量纲单位；
qu3为满足设计要求的第二阶段固化淤泥碾压7天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k2为第二次淤泥固化后养护7天的固化系数，单位kN·m/kg；
所述qu2是通过对闷料养生后的第一阶段固化淤破碎前试样开展的无侧限抗压强度试验确定；
所述k2通过对第二阶段不同固化剂掺量下的固化淤泥养护7天后开展的无侧限抗压强度试验确定。
以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种减小固化淤泥强度损失的两段式固化***的固化方法，所述***包括：第一固化模块和第二固化模块，所述第一固化模块用于将从预设河湖开挖的淤泥倒入搅拌池，并将预设的第一定量的固化剂倒入装有淤泥的搅拌池进行充分搅拌，进而对淤泥进行第一阶段的固化，将固化的淤泥堆放至预设的堆场进行闷料养生，所述第二固化模块用于将闷料养生后的淤泥进行破碎，并将预设的第二定量的固化剂掺入破碎后的淤泥，并进行充分搅拌，将搅拌后的固化淤泥运至填筑仓面进行碾压施工，其特征在于，所述方法分两个阶段进行固化：
第一阶段：将从预设河湖开挖的淤泥倒入搅拌池，并将预设的第一定量的固化剂倒入装有淤泥的搅拌池进行充分搅拌，进而对淤泥进行第一阶段的固化，将固化的淤泥堆放至预设的堆场进行闷料养生；
第二阶段：将闷料养生后的淤泥进行破碎，并将预设的第二定量的固化剂掺入破碎后的淤泥，并进行充分搅拌，将搅拌后的固化淤泥运至填筑仓面进行碾压施工；
所述第一阶段中，倒入搅拌池的固化剂掺量按照以下公式计算：
（1）
式中：
a c1为第一阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
q u1为满足施工要求的第一阶段固化淤泥养护3天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k 0为第一阶段不含有机质固化淤泥养护3天的固化系数，单位kN·m/kg；
a cm为固化剂最低掺量，单位kg/m3；
w为淤泥初始含水率，单位%；
w 0为固化前淤泥实际含水率，单位%；
O c为淤泥有机质含量，单位%；
b为第一阶段固化淤泥固化系数k随淤泥有机质含量增长的衰减系数，无量纲单位；
所述a cm和k 0通过对第一阶段不同固化剂掺量的淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定；
b通过对第一阶段不同固化剂掺量、不同有机质含量淤泥养护3天后开展的无侧限抗压强度试验确定，b与k的关系为：；
所述第二阶段中，搅拌至破碎后固化淤泥的固化剂掺量按照以下公式计算：
（2）
a c2为第二阶段的固化剂掺量，单位kg/m3；
q u2为第一阶段固化淤泥破碎前的无侧限抗压强度，单位kPa；
α为闷料养生后的第一阶段固化淤泥破碎再碾压后的强度折减系数，取值范围为0.3~0.5，无量纲单位；
q u3为满足设计要求的第二阶段固化淤泥碾压7天后的无侧限抗压强度，单位kPa；
k 2为第二次淤泥固化后养护7天的固化系数，单位kN·m/kg；
所述q u2是通过对闷料养生后的第一阶段固化淤破碎前试样开展的无侧限抗压强度试验确定；
所述k 2通过对第二阶段不同固化剂掺量下的固化淤泥养护7天后开展的无侧限抗压强度试验确定。
2.根据权利要求1所述的减小固化淤泥强度损失的两段式固化***的固化方法，其特征在于，所述固化剂选用水泥、高炉矿渣和磷石灰混合而成。
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