固化劑穩(wěn)定粉土路基的應(yīng)用研究

趙 晉 鋒

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原　030006)

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固化劑穩(wěn)定粉土路基的應(yīng)用研究

趙 晉 鋒

(山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原030006)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量等性能進(jìn)行了分析，并結(jié)合工程實(shí)例，評(píng)價(jià)探討了SEU-2型固化劑加固粉土路基的效果，經(jīng)實(shí)踐表明：SEU-2型固化劑的摻入能夠有效的控制粉砂土路基的沉降，增加路基的抗壓強(qiáng)度。

固化劑，粉土路基，抗壓強(qiáng)度，回彈模量

粉土廣泛的分布于我國(guó)各地區(qū)，土體顆粒組成以細(xì)砂粒和粉粒為主，其比表面積小，塑性低，顆粒之間的內(nèi)聚力弱，水穩(wěn)定性差，是一種介于砂性土與粘性土之間的特殊土體[1]。粉土強(qiáng)度低，土體穩(wěn)定性差，在工程應(yīng)用中，必須對(duì)其加以處治。通常采用固化劑來(lái)穩(wěn)定粉土路基，固化劑一般以水泥、石灰、粉煤灰等混合物組成[2]。但此種固化劑的加固效果往往差強(qiáng)人意，主要表現(xiàn)為穩(wěn)定性差、收縮大、早期強(qiáng)度低等。因此，改善固化劑的加固性能，研究新型高效的粉土固化劑具有十分重要的意義。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，美國(guó)、日本、德國(guó)對(duì)固化劑開(kāi)始展開(kāi)了研究。Medina等[3]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，可用磷酸來(lái)穩(wěn)定紅土，并取得了不錯(cuò)的效果。Tomohisa S等[4]針對(duì)軟土路基，研制出一種離子類(lèi)固化劑，并對(duì)其性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。S.Kolias等[5]對(duì)固化細(xì)粒粘土展開(kāi)了研究，研究發(fā)現(xiàn)，固化土的抗壓強(qiáng)度隨著水泥與粉煤灰摻入總量的增加而增加，塑性隨之降低。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)土壤固化劑也進(jìn)行了深入的研究，并取得了不錯(cuò)的成果。朱志鐸等[6]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)SEU-2型固化劑、水泥石灰固化粉土的性能展開(kāi)了研究，研究結(jié)果表明，SEU-2型固化劑的加固性能要優(yōu)于水泥石灰固化劑。王振軍等[7]對(duì)石灰與礦渣粉加固粉土的路用性能進(jìn)行了研究，得出摻入礦渣粉后的粉土，其抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)定性等性能比石灰加固土要好。但目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)不同固化劑加固粉土路基的工程特性及路用性能研究尚有欠缺。本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)不同固化劑加固粉土的抗壓強(qiáng)度、回彈模量進(jìn)行了研究，對(duì)不同固化劑加固粉土的效果進(jìn)行了比較分析。通過(guò)工程實(shí)例對(duì)SEU-2固化劑加固粉土路基的效果進(jìn)行了分析與評(píng)價(jià)。

1　室內(nèi)試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)材料

1)粉土：該試驗(yàn)所采用的粉土取自某新建一級(jí)公路施工現(xiàn)場(chǎng)，為黃河地區(qū)典型粉土。其物理性能指標(biāo)如表1所示，試驗(yàn)前，將所取粉土土樣自然風(fēng)干并過(guò)2 mm篩。

表1　粉土的物理性能參數(shù)

2)石灰與水泥：試驗(yàn)用水泥采用海螺CONCH牌普通325號(hào)硅酸鹽水泥，選用Ⅰ級(jí)鈣化消解石灰作為本試驗(yàn)用石灰，石灰的成分及含量如表2所示。

3)固化劑：本文選用SEU-2固化劑，該固化劑為粉末固化劑，其主體原料為水泥、礦粉、粉煤灰，并摻入一定比例的膨脹組分、表面活性劑及堿性激發(fā)成分。

1.2試驗(yàn)方案

表2　石灰的組成成分及含量

試驗(yàn)以水泥與石灰的摻入比、SEU-2的摻入量、齡期為試驗(yàn)因素，并利用正交試驗(yàn)法制定水泥與石灰的配合比及摻入量、SEU-2的摻入量。具體試驗(yàn)方案如表3所示。

表3　室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.3試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1)擊實(shí)試驗(yàn)：采用數(shù)控電動(dòng)擊實(shí)儀對(duì)混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[8]，按表3設(shè)計(jì)方案制備混合料，每種方案制備6個(gè)不同含水率的試樣，每個(gè)相鄰試樣的含水量變化為1%～2%，對(duì)拌合均勻后的混合料試件分層擊實(shí)，選用重4.5Kd的擊錘，每層擊實(shí)30次。繪制混合料干密度與含水量的關(guān)系曲線，確定最佳含水量。2)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)：本文以混合料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水穩(wěn)定系數(shù)作為固化劑加固粉土的評(píng)價(jià)指標(biāo)。該試驗(yàn)儀器采用YSH-2型無(wú)側(cè)限壓力儀，參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[8,9]，按表3配合比方案，將混合料拌合均勻，并在最佳含水量條件下，摻入適量的蒸餾水。采用靜力壓實(shí)法制備直徑為5 cm，高為10 cm的圓柱體試樣，對(duì)試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與浸水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7 d,28 d，90 d，養(yǎng)護(hù)溫度為20 ℃±2 ℃，濕度為100%，其中標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)是指養(yǎng)護(hù)6 d，27 d，89 d后，再對(duì)試樣浸水養(yǎng)護(hù)24 h后進(jìn)行試驗(yàn)。浸水養(yǎng)護(hù)是將試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3 d,7 d,28 d后，分別再進(jìn)行4 d,21 d,83 d的浸水養(yǎng)護(hù)后試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)壓縮速率為每分鐘1%，應(yīng)力環(huán)系數(shù)取21 N/0.01 mm。3)回彈模量試驗(yàn)：本試驗(yàn)采用承載板法對(duì)固化粉土混合料進(jìn)行回彈模量的測(cè)定，參照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]，按最佳含水率配制不同方案下的混合料試件，采用重型擊實(shí)壓實(shí)方法使得混合料壓實(shí)度達(dá)到99%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。試驗(yàn)時(shí)，對(duì)混合料試樣進(jìn)行5級(jí)加載，每次加載與卸載后均靜置1 min，讀取千分表讀數(shù)，計(jì)算混合料的回彈模量值。

2　室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果分析

按照相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[9]，對(duì)不同配合比下的固化粉土混合料進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制試驗(yàn)方案A1,B1,C2的固化粉土擊實(shí)曲線如圖1～圖3所示。

由圖1～圖3可知，方案A1，B1，C1的最大干密度分別為1.624 g/cm3，1.632 g/cm3，1.653 g/cm3，最佳含水量分別為18.9%，17.7%，17.9%。同理，由擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果繪制其他方案下固化粉土的擊實(shí)曲線，可得各方案下固化粉土的最大干密度、最佳含水量如表4所示。

表4　固化粉土的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2.2無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

不同方案下，固化粉土在各齡期下的水穩(wěn)定系數(shù)如表5所示。由表5可知，石灰固化粉土的水穩(wěn)定系數(shù)在90 d時(shí)最大但僅有0.76，因此，石灰固化粉土的水穩(wěn)定性很差，無(wú)法適用于一些對(duì)路基固化強(qiáng)度要求較高的工程；水泥石灰固化砂土的水穩(wěn)定系數(shù)在0.93～0.98之間，明顯大于石灰固化粉土，具有較好的穩(wěn)定性；SEU-2固化粉土的水穩(wěn)定性好，28 d齡期時(shí)，SEU-2摻量為4%時(shí)，其穩(wěn)定系數(shù)達(dá)到了1.28。因此，SEU-2固化劑可用于粉土路基的處理。

不同齡期下，固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6，圖4所示。由圖4可知，不同方案下固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增加均有不同程度的增長(zhǎng)。

表5　不同固化粉土的水穩(wěn)定系數(shù)

表6　固化粉土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度　MPa

對(duì)比各加固方案，摻入石灰的固化粉土，固化效果最差，石灰摻量為6%，8%，10%時(shí)，90 d抗壓強(qiáng)度僅為0.218 MPa，0.233 MPa，0.145 MPa，7 d齡期時(shí)，石灰摻量為8%的固化粉土強(qiáng)度僅比石灰摻量6%的固化粉土增加了2.46 kPa，90 d齡期時(shí)也僅增加了14.72 kPa，當(dāng)石灰的摻量大于8%后，固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低。

對(duì)于摻入水泥石灰的固化粉土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度要大于相同摻量下的石灰固化粉土，且隨著固化劑摻入總量的增加，各齡期的強(qiáng)度有較好的增長(zhǎng)；相同齡期下，隨著水泥石灰摻入總量的增加，固化粉土的強(qiáng)度逐漸增加。7 d～28 d齡期時(shí)，方案B1與方案B2的固化粉土強(qiáng)度相近，方案B3下的強(qiáng)度明顯要大于前面兩個(gè)方案。這是因?yàn)殡S著水泥摻入量的增加，水泥的水化反應(yīng)增強(qiáng)，致使固化粉土的早期強(qiáng)度增加；90 d后，對(duì)于方案B2，隨著石灰摻量增加到4%，固化粉土的強(qiáng)度提高了30.76%，方案B3與方案B2相比，水泥摻入量增加了2%，但固化粉土的強(qiáng)度僅提高了11.19%。因此，僅加大水泥的摻入量并不能有效的提高固化粉土的后期強(qiáng)度。

摻入SEU-2型固化劑后的固化粉土加固效果最好，隨著SEU-2型固化劑的摻入量的增加，固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度迅速增加，28 d與90 d時(shí)，強(qiáng)度隨SEU-2固化劑摻量的增加呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)SEU-2固化劑的摻入量到達(dá)6%后，SEU-2固化粉土在各齡期的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均大于其他加固粉土?？紤]到經(jīng)濟(jì)效益，工程應(yīng)用中，建議SEU-2的最佳摻入量取6%。

2.3回彈模量試驗(yàn)結(jié)果分析

由不同方案下固化粉土的28 d齡期回彈模量試驗(yàn)，可得到如表7所示試驗(yàn)結(jié)果。由表7可知，SEU-2固化粉土的回彈模量值最高，在162.3 MPa～252.3 MPa之間，其強(qiáng)度完全滿足粉土公路路基的填筑的要求；石灰固化粉土的回彈模量值最高僅為85.8 MPa，水泥+石灰固化的回彈模量值在110.2 MPa～127.4 MPa，其應(yīng)用受到限制。因此，SEU-2固化粉土的變形性能好，其回彈模量與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有一定的正相關(guān)關(guān)系。

表7　固化粉土的28 d回彈模量值

3　SEU-2固化粉土路基的工程應(yīng)用實(shí)例

3.1工程概況

本文依托某跨越黃河區(qū)域的新建一級(jí)公路項(xiàng)目展開(kāi)研究，該公路K213+220～K214+220為試驗(yàn)路段，該路段顆粒組成較為單一，土質(zhì)多為黃河地區(qū)典型粉土。作為試驗(yàn)路段，采用SEU-2穩(wěn)定粉土路基，其摻入量取6%，施工過(guò)程中，以室內(nèi)測(cè)得的最佳含水量17.9%配制固化粉土混合料，并采用大型機(jī)械設(shè)備將混合料拌合均勻，壓實(shí)并鋪筑，路基施工完成后對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

3.2壓實(shí)度檢測(cè)

路基壓實(shí)后，按照相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)[10],采用灌砂法對(duì)K213+220～K214+220段路基進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)。由檢測(cè)結(jié)果可知，該路段的路基壓實(shí)平均值為98%，部分樁號(hào)壓實(shí)度超過(guò)了102%，且各樁號(hào)的壓實(shí)度均大于96%。因此，該試驗(yàn)路段的路基壓實(shí)度滿足施工要求。

3.3鉆芯取樣分析

路基施工完成后，對(duì)其進(jìn)行90 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。90 d齡期過(guò)后，對(duì)K213+220～K214+220段進(jìn)行鉆芯取樣分析，測(cè)定其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。取樣時(shí)，每間隔100 m取3個(gè)試樣，共取30個(gè)試樣，分別測(cè)定各試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。檢測(cè)結(jié)果表明，該SEU-2固化粉土路基試驗(yàn)路段的90 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為0.653 MPa，部分試樣最大值達(dá)到了0.685 MPa，且各試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值均大于室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)值0.612 MPa。因此，該試驗(yàn)路段的SEU-2固化粉土路基具有較好的抗壓強(qiáng)度，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4沉降觀測(cè)

待路基養(yǎng)護(hù)90 d后，選取具有代表性的橫斷面對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行彎沉檢測(cè)，參照相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)[11],對(duì)選取的橫斷面埋設(shè)沉降板，觀測(cè)并紀(jì)錄各橫斷面的路基沉降量，可得如表8所示檢測(cè)結(jié)果。由表8可知，SEU-2固化粉土路基的沉降量均滿足相關(guān)沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)。因此，SEU-2固化劑的摻入能夠有效的控制粉土路基的沉降，增加路基的強(qiáng)度。

表8　K213+220～K214+220段路基沉降量觀測(cè)表

4　結(jié)語(yǔ)

1)石灰加固粉土的水穩(wěn)定性差，無(wú)法適用于固化強(qiáng)度要求高的工程；SEU-2固化粉土的水穩(wěn)定性好，可用于粉土路基的處理。2)7 d齡期時(shí)，石灰摻量為8%的固化粉土強(qiáng)度僅比石灰摻量6%的固化粉土增加2.46 kPa，90 d齡期時(shí)也僅增加了14.72 kPa，當(dāng)石灰摻量大于8%后，固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而降低。3)對(duì)于摻入水泥+石灰的固化粉土，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于相同摻量的石灰固化粉土；相同齡期下，隨著水泥石灰摻入總量增加，固化粉土強(qiáng)度逐漸增加。4)摻入SEU-2的固化粉土加固效果最好，隨著SEU-2固化劑的摻入量增加，固化粉土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加；工程應(yīng)用中，建議SEU-2的最佳摻入量取6%。5)實(shí)例表明：SEU-2固化劑的摻入能控制粉土路基的沉降，增加路基的抗壓強(qiáng)度。

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Study on the application of silt subgrade stabilized by solidified agent

Zhao Jinfeng

(Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China)

This paper analyzes the properties of the unconfined compression strength and resilience modulus of solidified silt by laboratory tests. Combining with projects, the paper the consolidation effect of the silt basement with SEU-2 curing agent. The engineering example shows that: the mixing of SEU-2 solidified agent can effectively control the settlement of silt subgrade and increase the compressive strength of subgrade.

solidified, silt subgrade, compressive strength, resilient modulus

1009-6825(2016)25-0154-03

2016-07-01

趙晉鋒(1978- )，男，工程師

U416.1

A