環(huán)保型土壤固化技術在工程領域的應用

黃　政，黃永輝（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院，云南　昆明　650051）

環(huán)保型土壤固化技術在工程領域的應用

黃政，黃永輝
（中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設計研究院，云南昆明650051）

摘要：闡述了環(huán)保型土壤固化技術在我國工程領域的推廣應用，土壤固化劑可以就地取材，就地固化，不需開山破壞資源取材，可將棄土固化使用，尤其對軟土的就地固化使用。無須棄土、減少施工時間，節(jié)約建設投資，尤其是有利于生態(tài)環(huán)境保護。土壤固化劑固化工法可以節(jié)省資源、能源，節(jié)約土地，造福人類，得到全世界的廣泛應用。

關鍵詞：土壤固化劑；軟土地基處理；地基土固化改良；固化工法設計應用

0　引　言

土壤固化劑是綜合水泥化學的基礎知識，深入研究土壤的特性開發(fā)出無機質(zhì)、無公害的固化劑系列化學材料，對土壤具有廣泛的親和力、凝結(jié)力，應用其特點使技術指標優(yōu)良、工程造價低、施工方便、工期縮短，尤其有利于生態(tài)環(huán)境保護。采用土壤固化劑可以替代大量的石灰、水泥、粉煤灰、碎石、礫石等傳統(tǒng)材料。土壤固化劑固化工法的優(yōu)勢是節(jié)省資源、能源，節(jié)約土地，造福人類，得到全世界的廣泛應用。

在臺灣，土壤固化劑運用于土壤改良已經(jīng)有20余年，積累了許多資料和寶貴的經(jīng)驗，在項目實施中將土壤固化劑有效地應用于道路路基路床固化、軟弱地基土基礎固化、淤污泥土固化、腐殖土固化、重金屬污染土固化及深淺層的地基土固化改良?？筛鶕?jù)土質(zhì)和所需地基強度的要求，選擇不同的方法。采用土壤固化方法來改良軟地基，是一種造價低、質(zhì)量高、工期短的軟土地基較好的改良方法。

1　土壤固化劑的原理

一般土壤中除Si元素外，并含有金屬錯化合物，諸如：Mg、Na、Ca、Al等鹽類，易吸收水份且溶于水。如滲入水泥中，于水和反應時極易與水泥產(chǎn)生相互“搶水”作用，破壞水泥應有的結(jié)晶規(guī)則，使水泥的抗壓強度降低甚至全無。因此水泥欲與土壤混凝，必須控制“搶水”作用產(chǎn)生時所形成的化學干擾。

土壤固化劑就是依據(jù)上述考量并加以設計的一種類似觸媒作用的產(chǎn)品。它可減弱土壤所含鹽類中金屬元素的正電位，使其消失“搶水”作用，以保護水泥水和反應所形成的結(jié)晶規(guī)則，使水泥與土壤混和后產(chǎn)生水和反應，迅速生成鈣釩石（3CaO ·Al2O3·3CaSO4·32H2O），因鈣釩石為一種針狀結(jié)晶，可形成土粒子間相互架橋，使其固結(jié)；又因水和作用產(chǎn)生的硅酸鈣水和物（C－S－H），使鈣釩石之間的架橋更加強固，見圖1。

圖　1　土壤固化前后分子結(jié)構(gòu)對比Fig.1　Molecular structure before／after the soil stabilization

2　土壤固化劑種類及用途

表1　土壤固化劑種類及用途Tab.1　Type and application of soil stabilizer

3　土壤固化劑固化工法的優(yōu)勢

土壤固化劑實用性較廣，其最大優(yōu)勢在于工程上遇到什么土壤都可以就地固化處理施工，不必棄土、進土補材，不必開山取材，既減少運輸費又可保護自然環(huán)境，造福人類，土壤固化劑固化工法實例見圖2。

4　土壤固化劑固化工法的設計準則

1）等值換算系數(shù)是采用日本道路協(xié)會的設計數(shù)據(jù)，用于計算TA及設計厚度H，見表2。

2）使用土壤固化劑固化處理鋪裝厚度與傳統(tǒng)工法鋪裝厚度的比較。

（1）決定道路等級依下表查出相封之TA值及路床厚度，見表3。假設路床設計CBR＝4，大型車交通量推定交通區(qū)分為B極交通，由表3查知，TA＝24，合計厚度＝49 cm，扣除表層厚度10 cm，則天然碎石級配層為49－10≈40 cm。

圖2　土壤固化劑固化工法實例Fig.2　Stabilization construction case of soil stabilizer

表2　土壤固化劑固化工法的設計準則Tab.2　Stabilization construction design principle of soil stabilizer

表3　道路等級依據(jù)　TA值及路床厚度Tab.3　TA value and roadbed thickness

（2）傳統(tǒng)工法與土壤固化劑固化工法的斷面設計圖見圖3。由等值換算系數(shù)表，得出天然碎石級配層的等值換算系數(shù)為0.35，土壤固化處理層的等值換算系數(shù)為0.7。則土壤固化處理的設計厚度（D）如下式計算：10＋40×0.35＝10＋D× 0.7，解得D＝20 cm。

圖3　傳統(tǒng)工法與土壤固化劑固化工法斷面設計圖Fig.3　Section design of traditional construction and soil stabilizer stabilization construction

5　應用實例

5.1道路工程施工的改良處理

一般傳統(tǒng)道路均采用碎石級配料當路基材料，砂石資源日趨缺乏，在國外早已改變傳統(tǒng)設計，而改用土壤固化處理技術，形成一層堅硬的路基，提高承載力，延長使用年限，施工快速，降低成本，成為一勞永逸的工法，見圖4。

圖　4　道路工程施工的　6個步驟Fig.4　Six steps in road engineering work

5.2深層地基基礎的改良處理

由于地下水位較高，地基軟弱，標準貫入試驗N63.5值太低，致使地基承載力不足，無法直接作為建筑物的基礎持力層，甚至產(chǎn)生下沉、地層滑動。傳統(tǒng)施工方式，均直接采用水泥漿灌注，甚至還添加水玻璃，但因為地下土壤含有金屬錯化物，甚至還帶有鹽分，干擾水泥，使水泥強度降低而不穩(wěn)定，水玻璃也會污染地下水。改用土壤固化劑具有增加強度、長期強度穩(wěn)定的優(yōu)良效果，見圖5。

圖5　深層地基基礎應用的5種工法Fig.5　Five construction methods of deep foundation application

5.3地基基礎的改良處理

現(xiàn)今各城市土地越來越少，人口越來越稠，建筑用地的取得寸土寸金。因此，不良地基及腐殖土掩埋場地的改良為時勢所趨，各種地基基礎的改良工法被考慮優(yōu)先采用。為得到更堅固的地基，使地基長期穩(wěn)定而不會產(chǎn)生沉陷，土壤固化劑即成為地基基礎重要的改良材料。先進國家使用固化劑早在20年前已受到重視，而且被廣泛采用，見圖6。

圖　6　地基改良法Fig.6　Foundation improvement

土壤固化劑是一種由多種無機、有機材料合成的用于固化各類地基的新型節(jié)能環(huán)保工程材料。它與土壤混合后通過一系列物理化學反應來改變土壤的工程性質(zhì)，能將土壤中大量的自由水以結(jié)晶水的形式固定下來，使得土壤膠團表面電流降低，膠團所吸附的雙電層減薄，電解質(zhì)濃度增強，顆粒趨于凝聚，體積膨脹而進一步填充土壤孔隙，在碾壓夯實功能作用下，使固化土易于壓實和穩(wěn)定，從而形成整體結(jié)構(gòu)，并達到常規(guī)所不能達到的壓密度。經(jīng)過土壤固化劑處理過的地基，其抗壓強度、密實度、壓縮模量、回彈模量、彎沉值、CBR、抗剪強度等性能都得到了很大的提高，從而延長了道路的使用壽命，節(jié)省了工程維修成本，經(jīng)濟環(huán)境效益好，是當前理想的建筑材料選擇，提高土壤固化劑強度指標，見圖7。

圖　7　提高土壤固化劑的強度指標Fig.7　Intensity index improvement of soil stabilizer

6　土壤固化技術應用于巖土勘察工程的探討

（1）土壤固化劑適應性較廣，粘性土、紅土、粉土、砂土、黃土、膨脹土、淤泥、泥炭土、高有機質(zhì)土、風化土、高液性土（液限≥50）、高塑性土（塑限≥26）、污泥、建筑垃圾、部分生活垃圾、含瀝青土、污染土、人工填土、尾礦等都能固化。

（2）淤泥、泥炭土、污泥、部分生活垃圾固化后抗壓強度達到1～2 MPa（1 000～2 000 kN／m2、10 ～20 kg／cm2、100～200 t／m2），其它種類土層抗壓強度超過2 MPa。

（3）無污染，固化區(qū)可栽種植物、養(yǎng)殖魚類。

（4）土中污染物、重金屬、垃圾污物被封固，不滲透出固化層及固化區(qū)域。

（5）固化層可筑路、筑堤、筑水渠、止水、護坡、做建筑物持力層。

（6）固化層為良好隔水層。

（7）固化層性質(zhì)穩(wěn)定，中、長期內(nèi)不會再軟化。

7　結(jié)　語

云南地質(zhì)條件較復雜，地層巖性多變，在工程建設中遇到的巖土工程問題，其形式及種類之多是其他省份無法相比的。土壤固化劑的廣泛適應性為解決巖土勘察工程問題提供了新的手段，如湖泊周邊的軟土、粉土、砂土；河床周邊的砂土、粉土、軟土、膨脹土、紅土、風化土；修筑公路、鐵路遇到的高液性土（液限≥50）、高塑性土（塑限≥26）、軟土、膨脹土、紅土、風化土；水處理后的污泥；垃圾填埋場的建筑垃圾、部分生活垃圾、含瀝青土、污染土、人工填土；礦山的尾礦等都可以使用土壤固化劑進行處理，治理土壤的費效比、環(huán)境保護效應、經(jīng)濟效益、社會效益是其他手段都無法替代的，尤其是尾礦固化后回填至礦坑（洞）具有現(xiàn)實意義，生態(tài)保護、環(huán)境保護、社會效益十分顯著。

如何采用新工藝、新材料、少花錢、修好路、解決巖土勘察工程施工問題、切實保護生態(tài)、保護環(huán)境，已成為建設工程上經(jīng)濟、社會效益十分重要的問題。使用土壤固化劑處理的道路基層和地基基礎等將具有優(yōu)越的特性。土壤固化劑的研究和應用將是今后推廣的一種新型工程材料的發(fā)展趨勢，應加強工程實踐，在建設部《RISN－TG 003－2007土壤固化劑應用技術導則》及中華人民共和國行業(yè)標準《CJJ／T 80－1998固化類路面基層和底基層技術規(guī)程》的指導下，逐漸形成云南省地方法規(guī)，應是努力的一個方向，率先涉足這一領域，將具有技術優(yōu)勢和廣闊的市場前景，被廣泛應用，節(jié)約資源，綠色環(huán)保，重點推廣。

參考文獻：

［1］建設部標準定額研究所.RISN－TG 003－2007土壤固化劑應用技術導則［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］中華人民共和國建設部.CJJ／T 80－1998固化類路面基層和底基層技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1998.

［3］李振澤.基于表面改性原理的土質(zhì)改良試驗研究［D］.西安：西安理工大學，2006.

中圖分類號：TU58

文獻標識碼：A

文章編號：1004－2660（2015）01－0060－07

收稿日期：2014－12－02.

作者簡介：黃政（1958－），男，江蘇人，工程師.主要研究方向：勘查設計施工.

Application of Environment－friendly Soil Stabilization Technology in Engineering

HUANG Zheng，HUANG Yong－h(huán)ui
（Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry，Kunming 650051，China）

Abstract：The application of environment－friendly soil stabilization technology in engineering was introduced.The soil stabilizer is made from local materials without destroying resources.The stabilization is carried out locally and the abandoned soil can be used in stabilization，especially in the stabilization of soft soil.As no soil is abandoned，the construction time and investment will be saved.More importantly，this technology benefits the ecological environmental protection.Due to its resource，energy and land conservation，the soil stabilizer stabilization technology has found worldwide application.

Key words：soil stabilizer；soft soil foundation treatment；foundation soil stabilization；stabilization construction design and application