無機土壤固化劑路基改良效果及應(yīng)用研究

高震宇

(山西省交通新技術(shù)發(fā)展有限公司，太原 030032)

路基質(zhì)量作為公路工程建設(shè)質(zhì)量控制最重要、 最基礎(chǔ)環(huán)節(jié)， 路基材料及填筑質(zhì)量的好壞直接影響著公路建設(shè)質(zhì)量。由于我國幅員遼闊，部分地區(qū)土體并不能滿足路基填筑要求， 必須對土體進行一定改良才能滿足路用性能要求。目前應(yīng)用廣泛的改良方式有石灰、水泥等無機結(jié)合料改性， 但上述改性方法均存在不同程度應(yīng)用實際問題，如石灰改良存在早期強度低、強度增長慢等缺點，水泥改性則存在收縮隱患大，裂縫難以控制等問題[1-4]。相關(guān)研究表明，土壤固化劑作為一種新型的土體改良方案，正逐漸受到廣泛應(yīng)用。 土壤固化劑種類較多，包括無機類、有機類、生物酶類及復合類等，廣泛用于地基處理、公路工程、水利工程等土體改良應(yīng)用中。無機土壤固化劑作為其中一種，具有成本低、強度穩(wěn)定性好等優(yōu)點，具有較大的潛在利用價值。 無機土壤固化劑一般以水泥、石灰、粉煤灰等為主劑，然后摻加一定量激發(fā)劑制備產(chǎn)生，主要以粉末狀存在。 無機土壤固化劑改良土體機理在于其可先與土體中自由水發(fā)生反應(yīng)，生成膠凝性產(chǎn)物，膠凝性產(chǎn)物可與土體中相關(guān)活性礦物繼續(xù)反應(yīng)生成纖維狀晶體結(jié)構(gòu)，上述反應(yīng)產(chǎn)物在土體混合物中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，促進土體理、化及性質(zhì)發(fā)生改變[5-10]。

研究擬選取一種常用無機土壤固化劑，對不同土體進行改良， 通過比較土體改良前、 后相關(guān)指標改變，并結(jié)合工程實例分析無機土壤固化劑對路基土體的改良效果，期望為相關(guān)路基土體改良提供新的處治方案。

1 試驗方案設(shè)計

依托某新建高速公路項目， 選取兩段不同土質(zhì)路基段落取樣，分別標記為A、B 段落，土樣標記為A 土樣、B土樣。為了分析無機土壤固化劑對兩段土體的改良效果，進行室內(nèi)土體性能試驗分析，分別進行界限含水率、擊實試驗(確定最佳含水率及最大干密度)、無側(cè)限抗壓強度試驗及固結(jié)試驗等， 比較無機土壤固化劑對各性能指標影響，然后在上述A、B 段落進行改良試驗段，以探討無機土壤固化劑改良方案的可行性。其中，無機土壤固化劑采用與水混合然后摻入土體拌和的方法， 固化劑與土體摻配比例為1∶30。為方便標記，將摻加固化劑前后土體分別標記為A、A+GH、B、B+GH。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 界限含水率試驗

界限含水率作為土體重要工程特性參數(shù)，包括液限、塑限和縮限等指標。 為研究固化劑對上述參數(shù)的影響規(guī)律，對4 種土體進行液塑限試驗。其中，液限、縮限試驗分別采用圓錐儀法與搓條法。 由于A 類土粘性較差， 采用搓條法不能達到試驗終點， 采用液限儀當落錐錐入深度為3 mm 時判定達到塑限。4 種土體界限含水率測試結(jié)果如圖1 所示。

圖1 4 種土體液塑限測試結(jié)果

由圖1 分析可知：

(1)根據(jù)塑性指數(shù)計算公式：塑性指數(shù)(Ip)=液限(ωc)-縮限(ωp)，計算各土體塑性指數(shù)如表1 所示。 根據(jù)土體劃分依據(jù)，可判定，A 土體為粉體、B 土體為粉質(zhì)黏土，且土壤固化劑改性后土體性質(zhì)并未發(fā)生本質(zhì)變化。

表1 4 種土體塑性指數(shù)

(2)整體而言，加入土壤固化劑后，土體液限、縮限并無顯著變化規(guī)律。 其中，A 土體液限、縮限值均減??；B 土體液限、縮限值均增大，但各土體變化幅度均較小，表明土壤固化劑對土體界限含水率影響較小。

2.2 擊實試驗

參照土工試驗規(guī)范， 為確定上述4 種土體最佳含水率與最大干密度，采用輕型擊實試驗進行確定。根據(jù)擊實試驗結(jié)果進行最佳含水率與最大干密度計算， 計算結(jié)果見表2。

表2 4 種土體最大干密度及最佳含水率

由表2 分析可知：

(1)隨著土壤固化劑摻入，兩種土體最佳含水率均增大，增幅分別為0.4%、0.6%。

(2)隨著土壤固化劑摻入，兩種土體最大干密度均增大，其中A 土體增幅較小，為0.02 g/cm3，B 土體增幅相對較大，為0.07 g/cm3。 由于相對而言，B 土體黏土顆粒含量較大，表明土壤固化劑對黏性土改性效果更顯著。

上述變化主要原因在于土壤固化劑加入后， 其可將土體顆粒表層水置換，增大了水的吸收率，同時也減小了土顆粒之間的相對距離， 使得單位體積內(nèi)土體顆粒含量增大，進而提高了土體最大干密度。

2.3 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度作為土體室內(nèi)試驗強度主要評價指標，一定程度上可反映土體填筑后承載性能。參照土工試驗規(guī)范， 按照96%壓實度進行無側(cè)限抗壓強度試驗試件制作。 試件制備完成后分3 種試驗條件進行養(yǎng)護：①自然風干7 d；②保濕養(yǎng)護7 d；③保濕養(yǎng)護28 d。將4 種土體、3 種養(yǎng)護條件試件進行無側(cè)限抗壓強度試驗， 試驗結(jié)果見表3。

表3 4 種土體、3 種養(yǎng)護條件試件無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

由表3 分析可知：

(1)比較各土體無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律，兩種土體在保濕養(yǎng)護條件下7d 強度與28d 養(yǎng)護條件強度變化均較小， 而風干狀態(tài)下無側(cè)限抗壓強度顯著高于保濕狀態(tài)下強度，且A 土樣保濕狀態(tài)下無側(cè)限抗壓強度較風干狀態(tài)減小幅度明顯。 這是由于A 土樣為粉質(zhì)土，保濕狀態(tài)下由于含水率增大將導致強度衰減顯著小于粉質(zhì)黏土。

(2)對比土壤固化劑對兩種土體無側(cè)限抗壓強度改善效果，相同養(yǎng)護條件下，土壤固化對B 土樣強度提高幅度顯著高于A 土樣，增幅分別為其2.3、11.7、13.3 倍。 表明土壤固化劑對黏性成分較高土體強度改善效果明顯優(yōu)于粉質(zhì)土。

(3)比較土壤固化劑對風干土體與保濕土體強度改善效果， 土壤固化劑對保濕土樣強度提高幅度顯著高于風干試樣。 結(jié)果顯示土壤固化劑對土體有水養(yǎng)護條件下強度具有更明顯的改善效果， 表明土壤固化劑可顯著改善土體的水穩(wěn)定性。

2.4 土體固結(jié)試驗

土體固結(jié)試驗是土體在完全側(cè)限條件下壓縮變形性能，可測定孔隙比、壓縮系數(shù)、壓縮模量等指標，對土體填筑后工后沉降扽判斷、計算具有重要作用。對上述4 種土體進行土體固結(jié)試驗，試驗結(jié)果如表4 所示：

表4 土體固結(jié)試驗結(jié)果

由表4 分析可知：

(1)整體而言，隨著土壤固化劑的加入，土體壓縮系數(shù)均減小，壓縮模量均較大，表明土壤固化劑對土體壓縮特性具有明顯的改善效果。

(2)比較土壤固化劑對A、B 土體的改善效果，發(fā)現(xiàn)B土體較A 土體壓縮系數(shù)、壓縮模量增大幅度或減小幅度均接近A 土樣變化幅度2 倍。 表明土壤固化劑對粉質(zhì)黏土壓縮特性改善效果優(yōu)于粉質(zhì)土。

3 工程實例

在上述A、B 段落各選取試驗段200 m， 分別改用無機固化劑進行土體改良，在填筑、碾壓施工完成后分別進行壓實度、彎沉、回彈模量等質(zhì)量檢測，檢測結(jié)果如表5所示。檢測結(jié)果表明，兩段試驗段所有檢測結(jié)果均符合規(guī)范及設(shè)計要求。

表5 試驗段質(zhì)量檢測結(jié)果

4 結(jié)論

依托某新建高速公路項目，選取A、B 兩段不同土質(zhì)路基試樣，采用土壤固化劑對兩段土體進行改良，分別對改良前后土體進行界限含水率試驗、擊實試驗(確定最佳含水率及最大干密度)、無側(cè)限抗壓強度試驗以及固結(jié)試驗等，比較無機土壤固化劑對各性能指標影響，得出如下結(jié)論：

(1)加入土壤固化劑后，土體液限、縮限并無顯著變化規(guī)律，各土體變化幅度均較小，表明土壤固化劑對土體界限含水率影響較小。

(2)隨著土壤固化劑摻入，兩種土體最佳含水率、最大干密度均增大。 相對而言，B 土體黏土顆粒含量較大，表明土壤固化劑對黏性土改性效果更顯著。

(3)相同養(yǎng)護條件下，土壤固化對B 土樣強度提高幅度顯著高于A 土樣，增幅分別為其2.3、11.7、13.3 倍。 表明土壤固化劑對黏性成分較高土體強度改善效果明顯優(yōu)于粉質(zhì)土。 結(jié)果顯示，土壤固化劑對土體有水養(yǎng)護條件下強度具有更明顯的改善效果， 表明土壤固化劑可顯著改善土體的水穩(wěn)定性。

(4)隨著土壤固化劑的加入，土體壓縮系數(shù)均減小，壓縮模量均較大。 表明土壤固化劑對土體壓縮特性具有明顯的改善效果；且B 土體較A 土體壓縮系數(shù)、壓縮模量增大幅度或減小幅度均接近A 土樣變化幅度2 倍，表明土壤固化劑對粉質(zhì)黏土壓縮特性改善效果優(yōu)于粉質(zhì)土。

綜上所述， 土壤固化劑對土體各項性能指標具有明顯的改善效果，且對粉質(zhì)黏土改良效果明顯優(yōu)于粉質(zhì)土，可用于路基土體改良處治。