2.7 在回填中的利用

2.7.1 回填材料

粉煤灰代替土壤回填可大幅度提高抗压强度，不仅能作为垫层，还可作为工程基础，并具有良好的封闭隔水作用。素灰回填即利用Ⅲ级粉煤灰，不需加工可直接用于工程，其夯实后能达到一定强度，这是一种变废为宝、大量利用原状粉煤灰的重要途径。二灰土回填即利用原状粉煤灰∶生石灰为8∶2，经均匀搅拌和分层夯实而形成的垫层，其承载能力可达到100kPa以上。二灰石回填压实，其板状结构的抗压强度等各项指标远远高于普通的施工方法。

2.7.2 品质要求

填筑工程中，利用粉煤灰代替部分砂性、黏性土等回填材料，原因是粉煤灰在颗粒组成、密度、压缩性能和击实特性等方面与黏性土，特别是砂性土有不少相似之处和优点。但是，由于粉煤灰生成形式和化学成分与砂性、黏性土完全不同，因而粉煤灰作为回填材料又有自己的特点。粉煤灰化学成分对工程添筑性能的影响具体表现在以下几个方面。

①对物理性能的影响　粉煤灰中含碳量的高低会影响其物理性能。高含碳量会抑制粉煤灰的硬化，减小密度，加深颜色以及增大压实时的最佳含水量，并且影响回填体的结构强度。

②出现自硬性的可能性　氧化钙、氧化钠或氧化钾含量高的粉煤灰，遇水后会发生火山灰反应，产生自身硬化，这种自硬性对粉煤灰的某些物理及工程性能有较明显的改善作用，如抗剪强度、压缩性能、承载能力、渗透性和冻敏性等。这个现象也就是粉煤灰压实体的龄期效应，这与土是完全不同的。当然，如果采用的是湿灰，由于少量的游离氧化钙被水稀释，则粉煤灰的自硬性会降低，甚至没有。

③出现硫酸盐腐蚀的可能性　当混凝土结构与三氧化硫含量高的粉煤灰接触时，会产生硫酸盐腐蚀的可能性。

④对浸出液pH值的影响　粉煤灰浸出液基本呈碱性，pH值介于6.9～12之间。但是据美国研究资料报告，小部分氧化铁含量高的粉煤灰的浸出液呈现酸性。

上述分析表明，粉煤灰的化学成分对工程填筑是有一定影响的。含碳量高的粉煤灰会抑制粉煤灰回填体的硬化，而且对回填体的强度有一定的影响，但是对这种影响至今尚未做详细定性的研究，当然作为回填材料的粉煤灰应选用含碳量低的为宜。对含碳量在15%以上的粉煤灰，其适用性应通过试验来确定。

目前，我国大部分电厂的粉煤灰都属于F级灰，即低钙灰，自硬性较弱。但作为代土的回填材料，一般都能满足回填工程的强度要求。故对粉煤灰游离氧化钙等活性成分并不做具体要求。

2.7.3 应用现状

在国外，英国很早在工业建筑和学校工程中利用粉煤灰做城中填土，比较典型的工程：萨里郡基尔福德的一幢七层办公楼和停车坪，是建在一片受苯酚污染而被废弃的煤气厂基地上。1972年施工时先开挖到原土层，回填了2×10⁴m³粉煤灰，新的建筑就直接支撑在用粉煤灰压实填筑的基础上。在美国，近年来更有不少大吨位的工程回填实例。在东海岸西弗吉尼亚州卡蓬市埃的内村住宅开发区，紧靠美国61号公路，由距工程约30km的阿巴拉钦电力公司卡那瓦河电站供应F级粉煤灰，回填区工程占地22×10⁴m²，平均回填深度4.5m，共用灰80万吨，其中，80%取自贮场，20%直接取自电厂。回填工作从1974年6月开始，持续三年，到1984年已在回填区建造125幢一、二层住宅，未发现任何问题。1982年在东海岸马里兰州巴尔的摩勃来顿轻工业仓库和办公用房开发区，总共填筑面积为80×10⁴m²，填筑最大深度为6m，总用灰量为170万吨，在部分先完成的回填区上，建造了仓库和办公楼，经两年后未发现问题。也有将粉煤灰用作结构填方材料的，1975年底在密苏里州堪萨斯城，用C级灰做挡土墙回填材料，墙高7.6m，长70m，用灰3500t。采用粉煤灰可减少对墙的侧压力，使墙的设计更为经济，因为粉煤灰堆积密度小和剪切强度高，可减少挡土墙的断面和钢筋用量。

在国内，已有不少地区在工程中利用粉煤灰做填筑材料。如大连甘井子电厂厂区及附近大片新地都是用粉煤灰填筑起来的，第一粮库就是建造在粉煤灰回填层上。近十年来，上海地区对粉煤灰填筑也开展了大量科学实验和工程试点应用。如上海宝山钢铁总厂一期工程，要炼钢副原料坑车道和站台（车道宽10m，长40m；站台宽15m，长50m，高2.3m，用灰1万吨），烧结循环水池（水池长28m，宽18.2m，深4.5m；在水池周围三侧基坑用粉煤灰回填，基坑宽3～5m，深4～5m，工程用灰3500t），以及焦炉、高炉和转炉煤气柜工程（煤气柜是高达90m的大型筒体钢结构建筑，其直径40多米，基础由钢筋混凝土环形梁构成，在基础梁内外侧基坑内，有的用粉煤灰回填），利用湿排粉煤灰作承重或非承重地基回填。南通经济技术开发区富金家具厂、邮政大楼场地用粉煤灰填筑，面积2.7×10⁴m²，填深约1m，用灰2.3万吨。同济大学在校内用粉煤灰填筑了一条小河浜，然后在上面建造了12m×18m两层楼仓库，基础位于原土和粉煤灰回填层上。上海港务局关港作业区用粉煤灰填筑了曹家港的一段河宽28m，回填面积70m×28m，深度达5m，地下水位以下回填层大于3m的河道，工程共用调湿灰1万吨。上海冷轧薄板工程主车间，为保证薄板产品的质量，对堆放钢卷的地坪要求较高，不允许有大幅度的、不均匀的沉降，故地坪的设计需严格按地基的承载力和变形来控制，该工程亦采用粉煤灰填筑。上海浦东开发区外高桥新港区集装箱堆场用粉煤灰填筑，面积约10×10⁴m²，用灰20万吨，在当时是国内最大的单项使用粉煤灰填筑的工程。

2.7.4 应用实例

（1）上海港务局关港作业区工程回填

上海关港工程建有8个万吨级泊位及内河港池一个，港区占地面积约45m²，年设计吞吐量400万吨。工程位于黄浦江上游吴河段西岸。

①粉煤灰回填施工　主要结合在河道中填筑的一些特点进行介绍。

1）抽水筑围堤。对填筑试验区河道两端用土筑堤，要求堤坝保证质量不漏水，筑堤后开始抽水。

2）场地的清淤河床加固。当施工范围的河水抽干后，马上清除淤泥，由于淤泥深度有的达1.2m，又无井点降低水位，渗水现象严重，所以采取分段、集中清淤泥的措施，及时进行地基处理，铺设0.5m黄砂垫层，布置集水井，使盲沟中的水流入集水井，然后采用提升泵将水从集水井中抽去，这样保证地下水位降至盲沟以下。以后逐步将河浜边的野草清除，修坡加固，使各个断面基本相近。

②填筑施工方法　因为回填是从5m深的河床中逐步向上填筑的，所以，在开始时不能用大型的压路机械，只能先用小平板振动器来回碾压，然后用击振力9.8kN的小振动压路机振动碾压，再用击振力19.6kN的振动压路机碾压。当填筑深度达到1m多以后，用大型推土机碾压，最后用12t压路机碾压。

填筑的粉煤灰在地下水位以下时，在回填中除设置有效集水井外，要解决地下水渗水现象，否则不论在压实后或摊铺后未压实时，受渗水影响都会使表层软化，特别在未压实前更严重，从而影响施工。因此，在填筑过程中一定要十分注意排水问题，要及时把渗出的水通过盲沟引入集水井。

（2）上海冷轧薄板工程回填

上海冷轧薄板工程东临江杨南路西靠泗塘河边，东西向长约7000m，南北向宽约440m，占地面积为28.4公顷。厂区天然地标高为3.1～3.7m，设计标高为4.2～4.4m，主车间厂房的室内地坪设计标高为4.7m，故地面的填筑厚度在1m以上。

冷轧薄板工程根据生产工艺性质，可以分为主生产车间及辅助生产车间，公用设施和办公福利三个系统。主车间厂房建筑面积为73847m²。

①粉煤灰填筑堆载地坪垫层的结构设计　在薄板生产过程中需要大面积的钢卷堆放场地，除原料跨对方荷载最大值为143kPa，平均值80kPa，且为热钢卷，故需特殊处理，其余堆载最大值达80kPa，平均值为50kPa。为保证轧薄板产品的质量，对堆放钢卷的地坪要求较高，不允许有大幅度沉降和不均匀沉降，故地坪的设计需严格按地基的承载力和变形来控制，这给地坪的垫层回填处理提出了较高的要求。

上海地区软土地基的性质，在未经处理的软土地基上如有大面积堆载的场地，随着堆载增加，使用时间的延长，其实际沉降量可达几十厘米，甚至高达1m以上，并且还有隆起凹陷的现象。为此，对生产中要求较高的车间地坪，或采用钢筋混凝土预制桩，或采用碎石桩，或采用石灰桩，以及其他方法作为地基处理，以减少沉降量。

采用压实粉煤灰，就是采用价格低廉、资源丰富，又能得到较好力学性能和减少沉降的回填材料。压实粉煤灰的承载能力一般为120～200kPa，变形模量为13～20MPa。同时，粉煤灰压实后的堆积密度较小，其干密度仅为882～1274kg/m³，远低于土的干密度（1568～2038kg/m³），对减轻填筑层自重和在软土地基上减少地基的沉降较为有利。

冷轧薄板工程主车间厂房所处位置的表土为褐黄色亚黏土（或轻亚黏土层），该层土的强度和变形模量较下卧层为高，其厚度在2.0～3.8m之间。故首先考虑利用这一硬土层作为天然地基的持力层，并以此与粉煤灰填筑层和粉煤灰石灰三渣层组成一厚度在3m以上的复合硬壳层——复合地基（见图2-41），借助此复合硬壳层扩散堆放荷载，减小下卧软土层顶面压实力，达到降低沉降量的目的。据计算，当地坪大面积堆载为50kPa时，处理后的地基沉降量可减少20cm，基本控制了不均匀沉降，满足了生产、使用要求。冷轧薄板工程地坪层粉煤灰结构回填的设计要求为：粉煤灰压实系数D≥0.93，允许承载力[f]≥120kPa，弹性模量E₀≥10kPa。

②粉煤灰填筑施工　粉煤灰应用于堆载地坪结构的回填施工，目前国内尚没有施工和验收规程，因此，在施工中需十分谨慎。有关设计、施工和科研单位经多次协商、研究制定了粉煤灰技术条件、施工工艺、施工检测和质量验收等一系列技术要求。

施工用材料及技术条件。选用宝钢电厂粉煤灰，其技术参数是：最大干密度为1123kg/m³，最佳含水量ω_op为31%；施工中控制含水量ω=ω_op±4%，重量为10.36kN/m³。

粉煤灰填筑工程质量检测要求。粉煤灰压实后，每层按500m²一组取样（每组不少于三点），用环刀法取样试验（在每层压实后的3～5cm以下部位取样），压实后的干密度要求有90%以上符合设计要求，其余10%的最低值与设计要求的差，不得大于0.07g/m³，并应分散而不得集中。

③施工机具　施工机具选择见表2-66。

④施工前准备　粉煤灰灰源的选择，主要从灰的运距、装运灰条件、灰的储量、灰的品质及其试验资料等方面进行考虑，决定选用宝钢电厂的湿排灰。粉煤灰进入施工场地，其含水量应控制在ω=31%±4%的范围内。含水量过大时，要采取措施调整。在粉煤灰摊铺区内，如小房子基础、设备基础、主厂房基础梁均需施工安装完毕，且电气接地网扁钢埋设处理结束，同时要完成墙梁下黏土护坡。

⑤施工步骤　具体安排如下。

a.对基层土的处理。在填筑前，清理杂土、杂物、积水，对于“弹簧土”必须挖除，再由压路机以一轮压半轮反复碾压，直至只有轻微轮印为止，要确保基层土密实。

b.标高测定。对原始场地标高进行分块复测，保证对粉煤灰摊铺厚度的正确控制。

c.摊铺碾压。根据施工方案分块、分批有组织地施工，第一块第一层粉煤灰用履带式推土机推平拉毛，用压路机碾压压实。同时，摊铺第二块第一层粉煤灰，推土机由第一块第一层转入第二块第一层，虚铺厚度在300～400mm，经推平拉毛压实的厚度在250mm左右。然后，推土机由第二块作业区转入第三块作业区，如此循环流水作业。

柱基、设备基础周围，虚铺厚度控制在200mm左右，采用人工蛙式打夯机夯实或用平板振动器压实。但都必须加强检测，达到规定的压实度要求。

⑥施工中注意的几个问题　压路机运行时的速度应小于30m/min，来回压一般不少于四遍。由于工作间断或分段施工，衔接处可留出一定长度，即1∶5坡度处不碾压，供下一段施工进行平整连接碾压作业。

施工中不断抽查粉煤灰的含水量，确保碾压中粉煤灰密度的均匀性。当遇到含水量过大的粉煤灰时，一定要经晾晒沥干处理，或掺入调湿灰使含水量接近最佳含水量，否则将会形成“弹簧土”无法压实。在施工中曾遇到粉煤灰过湿的情况，采取加磁石或局部加水泥的办法，都未达到预期的效果。因为碎石不能消除粉煤灰中的水分，局部加入水泥会使回填体强度不均匀，不利于填筑的整体作用。

⑦填筑施工检测结果　从检测数据上看，凡在施工中认真控制粉煤灰含水量、摊铺厚度、碾压遍数等主要工艺参数的，都能达到压实系数要求。如冶金部宝钢二十冶分指挥部施工工区的粉煤灰垫层，检测点共94个，最小压实系数为0.886，干密度为1000kg/m³，不合格测点为9个，合格率为90.4%，最低干密度与设计要求值的差为0.052g/cm³，小于0.07g/cm³，且不合格点较分散。该工程达到了设计所定的粉煤灰垫层的质量检测标准。

根据检测的结果表明，粉煤灰填筑垫层的施工要求比较容易掌握，且施工中的含水量和干密度值易于控制，故施工质量是能够保证的。

⑧粉煤灰垫层的静载试验　为判断粉煤灰回填软土地基的质量，在Ⅰ区和Ⅱ区各选择一处进行静载试验，承载板面积为0.5m×0.5m=0.25m²。根据粉煤灰垫层载荷试验数据和载荷p-s曲线分析，得出结果见表2-67。

（3）高钙粉煤灰在工程回填中的利用

目前上海市外高桥电厂、上海华能石洞口二电厂、吴泾热电厂等，2001年共排放高钙灰88.2万吨。高钙灰的处理利用已越来越成为工程界普遍关注的问题。市政工程，特别是道路工程，是大宗利用的重要途径，是解决高钙灰出路的有效措施。在以往探索过程中，曾发现，新鲜的高钙灰遇水后会明显地膨胀，这样，如果像低钙灰那样用于填筑能否保证以后结构的稳定，仍是需要研究的问题。

①材料化学物理性能

a.化学成分。上海市石洞口二电厂、吴泾热电厂的高钙粉煤灰的主要化学成分已做了大量的测试，化学成分见表2-68。

由表2-68可见，二者基本相同，其中，SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃总量在70%左右，CaO的含量12%～18%，该类灰实际属于中钙粉煤灰。在低钙粉煤灰中，CaO绝大部分结合于玻璃相中，而在高钙灰中，CaO大部分被结合处，还有一部分是游离的，这部分游离钙是导致不稳定或试件膨胀干裂的原因所在，但同时正是它的存在也有利于激活火山灰活性，提高强度。

b.密度。神木灰的密度明显大于低钙灰，据测定，神木灰的相对密度在2.6左右，堆积密度为880～1000kg/m³，而低钙灰相应为600～700kg/m³，平均而言要高出很多，较大的密度对于运输和填筑，降低填土压力都是不利的，但在水中都容易下沉、稳定，这是它的不利之中的有利之处。

c.最大干密度与最佳含水量。准确地控制含水量是路堤压实质量的保证，因此，对高钙的最佳含水量与最大干密度的测试是非常重要的，以轻型击实标准对上海两电厂的高钙灰做了测试，如图2-42所示。

由图2-42可知，吴泾热电厂和石洞口二电厂高钙灰的最佳含水量与最大干密度分别为19.2%、1470kg/m³和18.3%、1480kg/m³。

d.膨胀性。高钙灰的膨胀性对于路堤的稳定性是重要的，原因在于活性CaO遇水体积膨胀所致。膨胀性测试如图2-43所示。由图2-43可知，膨胀与时间大体成线性关系，斜率的大小取决于水的渗透速度和CaO的小节速度，在压实状态下，7d以内即趋于稳定。在自然状态下，高钙灰通过吸收空气湿度也会逐渐消解，但持续时间较长。如果在松散状态下，则速度更快；如将灰直接浸在水中，则3～4d即可稳定。

e.强度特性。高钙灰稳定性，通过浸水或者自然存放一定时间后，是可以解决的。如果高钙灰的f-CaO含量不大，作为填筑路堤来说，即使有膨胀，估计也不至于造成多严重问题。如果用于沟槽回填，情况更为有利。为了解基本稳定后的高钙灰成型强度，进行了强度试验，得到结果见表2-69。

测试结果表明，其28d强度达到4MPa，大大高于石灰土、石灰粉煤灰。说明这种灰比低钙灰具有更高的活性（一般水泥稳定土强度在3.0MPa左右）。高钙灰在露天存放60～90d后仍有0.5MPa以上强度，这比天然地基强得多。

f.高钙粉煤灰稳定土性能。高钙灰具有良好的胶结性能，荷重强度与贯入曲线图如图2-44所示，高钙灰稳定土强度汇总见表2-70。

根据交通部路面设计规范，用作底基层的石灰上，7d强度要求≥0.7MPa。大部分石灰土不一定满足，而本高钙灰已大大超过，技术上可行。

②工程案例

a.下水道回填。下水道位于上海市冠生园路，试验路段全长600m，埋深1.78～3.8m，管径Φ为1200～5600mm及Φ300～450mm。管子为硬质PVC材料制成。地质土为粉质黏土及淤泥质粉黏土。回填采用高钙灰、黄砂和黏土三种材料进行比较。

管道铺设好，逐层25cm摊铺，分层夯实，由下往上回填至标高。由于高钙灰比较松散，容易流动，易于密实，不像黏土容易结团，形成大孔隙，回填料同管道侧壁比较密贴。

根据回填3个月后，静载测试表明，高钙灰回填段侧向形变最小，黏土最大，黄砂次之。侧向形变越小意味着回填料侧向支撑越大，填筑材料强度和刚度越好，测试结果如图2-45所示。

b.工程回填。为配合南北高架工程地面道路的快速修复，在淮海路成都路口，回填了约50m²，深5～6m的坑槽，其中埋有各种管线。

回填采用散装高钙灰，松填厚1m左右，用插入式振捣器振实，湿度以适于工作为度。可以边浇水边振实，坑槽中有一点积水也可以，在离标高小于1.5m范围内，松方铺筑厚度50cm，用平板振动器振实，直至路基顶面。次日浇混凝土，4h后，开放交通。

沪闵路近第二考验场处，有一交叉口，面积达200m²，回填深度5m以上。采用上述方法回填，并紧接着铺筑基层和25cm水泥混凝土面层有一年多，未见任何位移和变形。

（4）粉煤灰回填塌陷区造地复田

采矿工业的发展对自然生态环境造成严重的破坏，利用塌陷区作为灰场是一项可行的措施。

①工程概况　淮北电厂位于淮北市西郊，是一座大型坑口电站，总装容量750MW，年排灰渣总量为98万吨。

淮北矿区是一个年产1300万吨以上原煤的大型平原矿区，全区南北长110km，东西宽10km，含煤量总面积210km²，工业储量11.8亿吨。

淮北煤田地质来构造为一复向倾层，含煤地层为石炭二迭系，含可采煤层5～6层，层厚一般为1～4m，局部7～8m，倾角一般为8°～15°，局部25°，属缓倾斜层。煤层上履岩层为砂岩、页岩、泥岩及其互层组成，岩性变化较大。采煤方法为走向长壁陷落法。矿区的采矿地质条件，容易造成大面积塌陷。

塌陷区灰场位于淮北市以东，为淮北煤田的相城、朱庄、张庄、岱河矿的塌陷区，距电厂4.5～8.9m。

②方案比选 1980年起进行规划、设计，并决定放弃原拟建的山谷型灰场，大规模建设塌陷区灰专场，设计总库容1433×10⁴m³，分九区建设，1985年全部建成。1982年起进行分区填充，充满后覆土30cm，现已复田、造田150hm²，规划复田、造田388.7hm²，与原设计山谷型灰场相比，增加库容493×10⁴m³，延长使用年限6年，节省投资2587万元，节省运行费785万元。方案比较情况见表2-71。

③填充和覆盖技术　塌陷区的充灰和覆盖，除采用火力发电厂常见灰场（山谷型或平原型）的成熟技术外，还会遇到一些特殊的技术问题，如管道的阻力问题、灰管路径布置及地表变形问题、取土、覆土及造田问题等。根据国外参考资料和淮北电厂实践，一般覆土20～30cm，可满足覆土造田的要求，一些参考材料见表2-72所示。