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目前,我国正在进行大面积的围海造地工程,唐山市曹妃甸工业区自2007年以来,新增陆域面积累计达到83km2,创下了历史新高,其填海面积是目前中国最大的一个。其中,公路建设是围海造陆工程中最为重要的基础设施,以往填海造陆多采用海运砂或山皮石作为路基工程填料。但是随着围海造陆工程的迅速扩大,对填料的需求量急剧增加,导致填料资源的短缺及价格的不断上涨,这就必然会增加成本。另一方面,沿海地区有大量廉价的吹填砂和吹填淤泥资源,若能将吹填砂和吹填淤泥作为工程填料,不仅可以降低工程成本,也可减少山皮石的开采,有利于环境保护。
本文以唐山市曹妃甸工业区吹填砂和吹填淤泥作为研究对象,在吹填泥砂中掺入一定比例的固化剂,对固化后的路用性能进行了宏观力学和微观结构试验研究,并对其固化效果和固化机理进行了系统的对比和分析,最后将固化效果最好的固化剂应用到实际道路工程中,采用FLAC-3D软件进行数值模拟并与实际工程应用情况进行对比分析。
本文选取了多种固化剂对吹填泥砂进行了固化研究,研究结果表明:
(1)采用胶凝组分、碱性组分和膨胀组分单独固化吹填砂强度较低,不能满足实际工程需要;采用十种不同种类的固化剂单独固化吹填淤泥,强度也均不能满足工程需要;吹填淤泥和吹填砂以质量比为40:60时,固化泥砂混合物的强度高于单独固化的吹填砂或吹填淤泥的强度;在吹填淤泥和吹填砂混合物中,掺入粗料工业废渣(煤矸石和钢渣)并不能有效提高固化土强度。
(2)以水泥为基准,研究了不同种类的固化剂固化土的综合路用性能,包括:无侧限抗压强度、劈裂抗拉强度、回弹模量、水稳性能和冻融性能,结果表明G2固化剂表现了良好的路用性能,其是由水泥熟料、聚丙烯酰胺和聚乙烯醇组成。
(3)微观结构试验(SEM和XRD试验)表明:胶凝材料在土中发生水化反应是产生固化泥砂混合物强度的主要过程,加入有机高分子聚乙烯醇和聚丙烯酰胺能够更加密实土体结构,提高土体强度和抵抗变形的能力。
(4)将G2固化剂应用到实际道路工程中,经现场检测分析,其技术指标均能满足设计要求。
(5)采用软件数值模拟改良前后的路基沉降,表明改良后路基顶部最大沉降与改良前相比增加了1.53mm,完全不影响其路用性能,并且模拟值与实际值相差不大,可以用于吹填泥砂路基沉降计算及预测预报。
最后通过经济效益对比分析可知,采用固化处理吹填泥砂混合物作为路基填料可节约成本约74%,具有较高的经济效益。