土壤固化劑加固細(xì)粒土路基的應(yīng)用研究

張東海

（山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

目前，細(xì)粒土路基常用水泥穩(wěn)定砂石來(lái)加固，但隨著我國(guó)公路事業(yè)的快速發(fā)展，砂石材料已不能滿足日益增長(zhǎng)的需求，且砂石的過(guò)量開(kāi)采會(huì)破壞環(huán)境、致使資源消耗、生態(tài)惡化[1]。另一方面，一些地區(qū)砂石資源匱乏，滿足不了公路建設(shè)要求。土壤固化劑作為一種新型工程材料，能夠迅速改善土體的工程性質(zhì)，提高其強(qiáng)度[2]。因此，在滿足一定的經(jīng)濟(jì)效益情況下，可利用土壤固化劑穩(wěn)定細(xì)粒土路基，使其具有與水泥砂石相當(dāng)?shù)墓δ堋?guó)內(nèi)外已對(duì)土壤加固技術(shù)展開(kāi)了較全面的研究。Zalihe等[3]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用粉煤灰與石灰作為固化劑，可顯著改善石灰膨脹性黏土的性能；Kate等[4]對(duì)液體離子固化劑加固土的應(yīng)用展開(kāi)了研究，發(fā)現(xiàn)液體離子固化劑可較好地提高土體的強(qiáng)度，滿足工程應(yīng)用要求。20世紀(jì)80年代，我國(guó)開(kāi)始研發(fā)土壤固化技術(shù)，并取得了可喜的成果。李迎春[5]等在黏土與粉土中分別加入復(fù)合固化劑，發(fā)現(xiàn)黏土與粉土中的活性物質(zhì)被激發(fā)，生成CSH膠凝，加固效果顯著；肖亞子等[6]用石膏來(lái)穩(wěn)定石灰土，并取得了良好的加固效果。但國(guó)內(nèi)外對(duì)土壤固化劑加固細(xì)粒土路基的應(yīng)用效果及路用性能尚不完善。

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，本文對(duì)固化劑加固細(xì)粒土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、回彈模量以及承載比性能進(jìn)行了研究，并通過(guò)工程實(shí)例對(duì)固化劑穩(wěn)定細(xì)粒土基層的路用效果進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)材料

1.1 砂土與黏土

試驗(yàn)所選用的細(xì)粒土分為砂土與黏土，均取自某一級(jí)公路項(xiàng)目的路基填土，砂土顆粒分析如表1所示。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]，由重型擊實(shí)試驗(yàn)，可得到砂土及黏土的相關(guān)物理參數(shù)如表2、表3所示。

表1 砂土的顆粒分析

表2 砂土的物理參數(shù)

表3 黏土的物理參數(shù)

1.2 固化劑

本試驗(yàn)所采用的土壤固化劑為粉末固化劑，其成分主要為一些活性材料，并配入一定量硅酸鹽水泥、減水劑、活性激發(fā)劑與高分子聚合材料等。固化劑中的這些成分能與土壤作用，發(fā)生一系列的物理及化學(xué)反應(yīng)，從而提高土壤的強(qiáng)度及性能。

2 固化劑穩(wěn)定細(xì)粒土路用性能研究

2.1 固化土的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

為分析固化土的最大干密度與最佳含水率，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供參考，試驗(yàn)采用CSK-VI型多功能電動(dòng)擊實(shí)儀，取固化劑的摻入量為10%，按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E51—2009[8]，分別進(jìn)行固化砂土、固化黏土的室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，可得如圖1所示試驗(yàn)結(jié)果。

圖1 加固土的干密度與含水量的關(guān)系

由圖1可知，固化砂土的最佳含水率與最大干密度分別為9.2%、1.927 g/cm3，固化黏土的最佳含水率與最大干密度分別為14.3%、1.742 g/cm3。

2.2 固化劑摻入量對(duì)加固土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

取固化劑的摻入量分別為3%、7%、10%，12%、15%，將自然風(fēng)干后的砂土與黏土分別過(guò)5 mm篩。本試驗(yàn)采用的應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀，型號(hào)為YYW-II型，參照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E51—2009[8]，按最佳含水率分別制定試塊，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，測(cè)定其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同固化劑摻量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2可知，隨著固化劑摻量的增加，砂土與黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均有較好的增加。其中，固化劑對(duì)砂土的加固效果要優(yōu)于黏土。當(dāng)固化劑的摻入量由7%提高到12%時(shí)，固化黏土與固化砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度迅速增加，其中，固化砂土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)了0.381 MPa，固化黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加了0.413 MPa。當(dāng)固化劑摻入量大于12%后，兩種不同路基土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度逐漸減少。這是因?yàn)殡S著固化劑摻入量的增加，固化劑與土壤的反應(yīng)逐漸趨于飽和，加固作用逐漸達(dá)到臨界點(diǎn)。因此，在工程應(yīng)用中，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，建議取固化劑的摻入量為10%。

2.3 齡期對(duì)固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

取固化劑的摻入量為10%，按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E51—2009[8]，分別測(cè)得固化砂土、固化黏土在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，可得如圖3所示結(jié)果。

圖3 固化土在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖3可知，隨著齡期的增加，固化劑穩(wěn)定砂土與黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增加。其中，固化劑的摻入使得砂土與黏土的早期強(qiáng)度迅速增加，砂土與黏土在齡期為28 d時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別增長(zhǎng)了0.612 MPa、0.412 MPa。另一方面，隨著齡期的增長(zhǎng)，兩類固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度逐漸減弱，直到最大值。

2.4 加固土的回彈模量及浸水膨脹量

本試驗(yàn)所采用的儀器為HM-1型回彈模量測(cè)定儀，固化劑的摻入量為10%，固化砂土混合料的最佳含水率與最大干密度分別為9.2%、1.927 g/cm3，固化黏土混合料的最佳含水率與最大干密度分別取14.3%、1.742 g/cm3。按照《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E51—2009[7]，加載速度調(diào)至4～4.5 mm/min，分別測(cè)定兩種加固土的回彈模量及浸水膨脹量，可得如表4所示試驗(yàn)結(jié)果。

表4 加固土的回彈模量及浸水膨脹量

由表4可知，摻入固化劑后的砂土與黏土的回彈模量值在549～834 MPa之間，浸水后的膨脹量在0.004 6%～0.021 9%之間。其中，固化砂土的回彈模量值要大于固化黏土，浸水膨脹量小于固化黏土。由表4所示可知，摻入固化劑后的砂土與黏土，其變形性能較好，兩類土的回彈模量值與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值存在一定的正相關(guān)關(guān)系。

2.5 加固土的承載比

工程中，一般用CBR值作為路基土、路面材料的設(shè)計(jì)參數(shù)，為測(cè)定兩類加固土的承載能力，進(jìn)行承載比試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用ZSY-13型承載比測(cè)定儀，表5為在不同固化劑摻入量下，齡期為60 d時(shí)，按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]進(jìn)行承載比試驗(yàn)得到的結(jié)果。

表5 加固土的承載比試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知，隨著固化劑摻入量的增加，砂土與黏土的承載比逐漸增加。其中，固化砂土的承載比大于固化黏土，且當(dāng)固化劑摻入量由3%增加到10%的過(guò)程中，固化砂土的承載比要明顯優(yōu)于固化黏土。

3 工程應(yīng)用與效果評(píng)價(jià)

3.1 工程概況

本文依托某新建一級(jí)公路項(xiàng)目展開(kāi)固化劑穩(wěn)定細(xì)粒土路基的研究，該公路跨越黏土與砂土區(qū)域較廣。該公路K54+300—K55+300段為固化砂土試驗(yàn)路段，K563+120—K564+120段為固化黏土試驗(yàn)路段，黏土與砂土的物理參數(shù)同表2、表3所示。施工中，固化劑的摻入量為10%，固化砂土與固化黏土的最佳含水率分別取9.2%，14.3%。采用大型機(jī)械設(shè)備將混合料拌合均勻后，對(duì)路基進(jìn)行鋪筑、壓實(shí)。

3.2 壓實(shí)度檢測(cè)

按照《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》JTG F80/1—2004[9]，采用灌砂法對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，由檢測(cè)結(jié)果可知，固化砂土試驗(yàn)路段的壓實(shí)度平均值為98%，且各樁號(hào)的壓實(shí)度值均大于96%；固化黏土試驗(yàn)路段各樁號(hào)的壓實(shí)值均大于97%，平均壓實(shí)度達(dá)到了99%。因此，各試驗(yàn)路段的壓實(shí)度均滿足施工要求。

3.3 鉆芯取樣分析

路基施工完成并養(yǎng)護(hù)60 d后，對(duì)各試驗(yàn)路段進(jìn)行鉆芯取樣，對(duì) K54+300—K55+300段、K563+120—K564+120段，每間隔100 m，取3個(gè)試驗(yàn)，各路段均取得30個(gè)試驗(yàn)，分別進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)。

檢測(cè)結(jié)果表明，固化砂土路段的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為1.21 MP，大于室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)值1.13 MPa；固化黏土路段的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值為1.03 MPa，大于室內(nèi)試驗(yàn)所測(cè)值0.92 MPa。因此，各試驗(yàn)路段路基均有較好的抗壓強(qiáng)度，且滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 沉降觀測(cè)

路基養(yǎng)護(hù)60 d后，對(duì)試驗(yàn)路段進(jìn)行彎沉檢測(cè)。按照《公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則》JTG/TF20—2015[10]，選取具有代表性的橫斷面埋設(shè)沉降板，可得各橫斷面的路基沉降量觀測(cè)值如表6、表7所示。

表6 K54+300—K55+300段路基的沉降觀測(cè)表(固化砂土)

表7 K563+120—K564+120段路基的沉降觀測(cè)表(固化黏土)

如表6、表7所示，砂土與黏土路基在摻入固化劑后，其路基沉降量滿足相應(yīng)的沉降量控制標(biāo)準(zhǔn)，且具有較好的強(qiáng)度。由此可知，固化劑的摻入能夠有效控制砂土與黏土路基的沉降，增加路基的抗壓強(qiáng)度，保證路基的長(zhǎng)期性能。

4 結(jié)論

a）隨著固化劑摻入量的增加，砂土與黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均逐漸增加；當(dāng)固化劑摻入量大于12%后，砂土與黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)幅度逐漸減少。

b）隨著齡期的增加，固化劑穩(wěn)定砂土與黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增加；固化砂土的回彈模量值要大于固化黏土，浸水膨脹量小于固化黏土。

c）隨著固化劑摻入量的增加，砂土與黏土的承載比逐漸增加。其中，固化砂土的承載比大于固化黏土。

d）工程應(yīng)用中，建議固化劑摻入量取10%，固化砂土與固化黏土的最佳含水率分別取9.2%，14.3%，固化劑的摻入能夠有效控制砂土與黏土路基的沉降，增加路基的抗壓強(qiáng)度。