土壤固化劑在軟土地基處理中的應(yīng)用

張 瑋,楊蕾穎,黃關(guān)融

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校 a.建筑工程學(xué)院；b.后勤服務(wù)中心，云南 昆明 650033)

隨著時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量提出了更高的要求，工程建設(shè)各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量受到重視。地基是工程建設(shè)的基礎(chǔ)，是影響工程最終質(zhì)量的重要因素。工程建設(shè)中常出現(xiàn)軟土地基問題，不能滿足建設(shè)需求，需要進(jìn)行一系列處理，以符合工程質(zhì)量具體標(biāo)準(zhǔn)。土壤固化劑在軟土地基處理中應(yīng)用普遍，可以有效改善軟土地基性能，技術(shù)指標(biāo)優(yōu)越，并且可以節(jié)約工程成本。土壤固化劑主要是穩(wěn)定并加固潮濕狀態(tài)下的土質(zhì)：濕粘土混合土壤固化劑后，形成硫鋁酸鈣，固定自由水，降低土壤含水量；土壤中的水與固化劑形成針狀結(jié)晶體，使土顆粒間的孔隙得以有效填充，增大土壤固化體積，密實(shí)土顆粒，增強(qiáng)土結(jié)構(gòu)顆粒間連接力，土顆粒周圍被凝膠包圍，使土壤的密實(shí)度、穩(wěn)定性、整體性得到有效提升。

1 工程概況

1.1 工程建設(shè)條件

本文研究項(xiàng)目為公園工程，位于沿江防洪堤內(nèi)側(cè)。所處地理位置為閩江口沖積平原，年降雨 1 600 mm，無霜期 360 d，年平均氣溫 19.3 ℃，屬于亞熱帶海洋性氣候。工程建設(shè)項(xiàng)目主要包括：湖體建設(shè)、排水、橋梁、景觀綠化、道路、通信管道、電力排管、安全設(shè)施、電氣及照明等。

勘測(cè)工程地質(zhì)，顯示場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)包括中砂、淤泥夾砂、淤泥、雜填土。最底層為中砂，厚度為3.6～4.1 m，飽和狀態(tài)，中密，含泥。其上為淤泥夾砂，淤泥為主，含腐殖質(zhì)，流塑狀態(tài)，厚度為45.6～46.1 m，高壓縮性軟弱土層，層狀砂與淤泥厚度比例為1∶10～1∶3，局部夾厚細(xì)砂層。其上為淤泥，厚度為5.6～6.9 m，高壓縮性軟弱土層，含少量細(xì)砂，含腐殖質(zhì)，流塑狀態(tài)。最上為雜填土，厚度為2.3～2.8 m，包括黏性土、中細(xì)砂、碎石。

1.2 原處理方案及存在的問題

該項(xiàng)目工程的地質(zhì)條件差，對(duì)于淤泥層的處理，原方案為換填法，開挖土方大約 399 744 m3，有 76 300 m3可以直接作為園區(qū)綠化種植土；其余不能直接用于回填，均為飽和性淤泥。淤泥開挖處理后，由于內(nèi)部土方回填需求，用于內(nèi)部平衡，道路路基填料土方外運(yùn)補(bǔ)充，剩余外運(yùn)拋棄。采用這種傳統(tǒng)的處理方法存在一系列問題：

1)施工開挖難度大，主要是由于淤泥土的不穩(wěn)定、軟塑的特性。人工開挖施工效率低，需要與塔吊運(yùn)土結(jié)合[1]，借助特殊措施，對(duì)施工通道進(jìn)行處理，才能使用小型機(jī)械，大中型機(jī)械無法進(jìn)入。場(chǎng)地屬于淤泥地質(zhì)，容易發(fā)生陷機(jī)問題。

2)與大橋毗鄰，開挖存在巨大的安全隱患，可能對(duì)大橋橋墩土基穩(wěn)定性造成影響；并且施工成本高，需要臨時(shí)支護(hù)。

3)對(duì)環(huán)境造成影響。開挖多余地形淤泥，需要考慮外運(yùn)的問題。由于淤泥含水量較高，容易對(duì)運(yùn)輸?shù)牡缆芳爸苓叚h(huán)境造成污染[2]，還會(huì)增加交通運(yùn)輸壓力。淤泥開挖施工，場(chǎng)地使用限制較大，主要是由于場(chǎng)地淤泥地質(zhì)面積大，要求有較高的邊坡堆載條件。選擇淤泥堆放場(chǎng)地有較大的難度，處理不當(dāng)可能導(dǎo)致災(zāi)難性的“人為”地質(zhì)災(zāi)害或者二次污染，比如渣土滑坡事件。

4)不僅需要土方開挖外運(yùn)，還需要采購(gòu)?fù)潦讲牧嫌糜诼坊冉ㄔO(shè)，增加了綜合工程成本，也增加了自然資源消耗[3]。

針對(duì)原方案存在的問題，可以調(diào)整淤泥處理方案，引入土壤固化劑技術(shù)。

2 土壤固化劑在軟土地基處理中的應(yīng)用

2.1 土壤固化劑固化機(jī)理

在土壤中加入土壤固化劑，混合均勻，水、激發(fā)劑、固化材料、土壤產(chǎn)生物理及化學(xué)反應(yīng)，有結(jié)晶物質(zhì)、膠凝物質(zhì)等出現(xiàn)。激發(fā)劑增強(qiáng)了土壤顆粒一體化土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提升了土壤顆粒表面活性。通過化學(xué)反應(yīng)過程穩(wěn)定增長(zhǎng)強(qiáng)度，且變化不可逆，可有效改變土壤的性質(zhì)[4]。淤泥無強(qiáng)度，含水率高，呈流動(dòng)狀，應(yīng)用土壤固化劑后，可以提升耐久性、整板性，使其變?yōu)楦呖箟簭?qiáng)度的材料[5]，在綠化、圍墾工程、堆場(chǎng)、道路等均可廣泛應(yīng)用。

粘土承載力很低，其中含有大量水分，脫掉水分結(jié)構(gòu)緊密時(shí)，會(huì)大幅提升其承載力。絕大部分粘土由Al(或Mg)-O(OH·)八面體硅酸鹽礦物，以及A1-O四面體或者Si-O組成。土壤本身屬于松散體系，即便用外力使其密實(shí)度提升，也很難形成一個(gè)致密結(jié)構(gòu)。土壤與固化劑混合后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)與物理反應(yīng)。固化劑脫水作用很強(qiáng)，在反應(yīng)中“奪取”過多的水分，生成針狀鈣礬石晶體3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O，以結(jié)晶水的形式固定土壤中的大量自由水。這種水化反應(yīng)生成的結(jié)晶體，增加了材料的體積，從而有效填充土團(tuán)粒間的孔隙，提升了固化土的致密性，提高了抗硫酸鹽侵蝕、抗?jié)B、抗壓等性能。經(jīng)過固化劑處理的土體，顆粒緊密接觸，土壤顆粒附近，固化劑水化生成硅酸、方納石、沸石、水硅酸鈣等；黏土顆粒表面形成凝結(jié)硬化殼，固化劑滲入顆粒內(nèi)部，與黏土礦物發(fā)生作用，形成水硅酸鹽、膠凝物質(zhì)含水硅酸鹽等。粘土固化后，穩(wěn)定性、強(qiáng)度明顯提升。

2.2 淤泥固化試驗(yàn)

選取固化劑主要成分為磷渣、礦渣、粉煤灰液態(tài)渣、沸騰爐渣等，以工業(yè)廢渣為主要原料，配合適量的活化劑混合粉磨制成。本研究參與的工程項(xiàng)目，淤泥含水率為70%～90%。以淤泥質(zhì)量的3%～6%作為土壤固化劑摻量；固化土配合比設(shè)計(jì)依據(jù)固化土的目標(biāo)性能以及不同的含水率。如表1所示，將一定比例的土壤固化劑加入淤泥中，攪拌，養(yǎng)護(hù)，出現(xiàn)明顯的性能變化。淤泥固化后，不會(huì)出現(xiàn)泡散、軟化等問題，并且泡水承載力長(zhǎng)時(shí)間不會(huì)明顯變化。淤泥固化土的承載力不斷增加，干燥收縮率不斷降低，穩(wěn)定性改善明顯。處理過后，淤泥的承載力明顯提升，與工程設(shè)計(jì)要求相符合，淤泥的工程性質(zhì)通過土壤固化劑的使用明顯改善，證明選取合適的工藝、施工設(shè)備等，可以有效解決原方案的問題，對(duì)改良后的淤泥可進(jìn)行資源化利用。

按照《水泥膠砂干縮試驗(yàn)方法》進(jìn)行固化劑變形性能的試驗(yàn),對(duì)使用強(qiáng)度等級(jí)相同的普通硅酸鹽水泥和礦渣水泥的膠砂進(jìn)行比較。結(jié)果顯示：固化劑的膠砂收縮量小，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，收縮量變化不大，如圖1所示。

表1 淤泥固化前后性能變化

圖1 固化劑干縮情況Fig.1 Drying shrinkage of curing agent

3 土壤固化劑應(yīng)用的施工設(shè)備與工藝

主要施工設(shè)備：ALLU 頭攪拌設(shè)備、粉噴樁機(jī)、帶攪拌斗挖機(jī)、普通挖機(jī)等。每種設(shè)備都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。粉噴樁機(jī)的每臺(tái)班處理量為 200 m3，適合原位固化，缺點(diǎn)是對(duì)地形要求高，占地面積大，移動(dòng)較慢，大面積施工較難；優(yōu)點(diǎn)是土中均勻分布固化劑，對(duì)地基擾動(dòng)小。攪拌斗的每臺(tái)班處理量為 120 m3，適合異位固化，缺點(diǎn)是對(duì)土體擾動(dòng)較大；優(yōu)點(diǎn)是適合大面積施工，施工簡(jiǎn)單方便。普通挖機(jī)的每臺(tái)班處理量為 80 m3，適合異位固化[6]，缺點(diǎn)是質(zhì)量控制較差，對(duì)土體擾動(dòng)較大，攪拌效率低；優(yōu)點(diǎn)是適合大面積施工，施工簡(jiǎn)單方便。ALLU 攪拌頭的每臺(tái)班處理量為 300 m3，適合原位固化，缺點(diǎn)是機(jī)械自重大，要注意穩(wěn)定問題；優(yōu)點(diǎn)是沒有地形要求，固化劑分布均勻，對(duì)地基擾動(dòng)小，施工效率高，并且無需開挖和回填。綜合比較，在淤泥固化土原位固化處理中，宜應(yīng)用ALLU 攪拌頭設(shè)備；異位固化處理中，宜應(yīng)用攪拌斗改裝挖機(jī)。固化土處理工藝包括原位處理、異位處理。

4 應(yīng)用土壤固化劑處理軟土地基的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

在軟土地基處理中，應(yīng)用土壤固化劑具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益：一是大幅提升了淤泥土體的強(qiáng)度，從而有利于開挖、邊坡成型，有效改進(jìn)過去原狀淤泥承載力低、具有流動(dòng)性的特性；二是減少了臨時(shí)支護(hù)措施，提供了安全的作業(yè)環(huán)境，降低了開挖成本；三是在工程項(xiàng)目?jī)?nèi)，大量消納廢棄的淤泥，使其得到資源化利用[7]。本方案外運(yùn)淤泥廢棄土比原設(shè)計(jì)方案減少90%以上，不足3萬(wàn)m3，利用廢棄淤泥大約37萬(wàn)m3，有效減少了廢置、廢棄土外運(yùn)的費(fèi)用；四是原位固化施工可以有效縮短工期，提升施工速度，減少施工量，節(jié)約人工設(shè)備成本以及時(shí)間成本。相比原方案，固化方案有效節(jié)約了費(fèi)用，可獲得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

應(yīng)用土壤固化劑處理軟土地基，具有明顯的環(huán)保性，符合環(huán)境保護(hù)的理念。使用淤泥固化土代替原方案中的土石方回填工程，一方面使大量淤泥廢棄土得到利用消耗；另一方面可減少使用石料等不可再生資源[8]。土壤固化劑中，工業(yè)廢渣占比超過80%，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。淤泥固化土中有大約95%的廢棄淤泥，以廢治廢，提升了資源的利用率，使固體廢棄物得到有效利用，減少了環(huán)境壓力，實(shí)現(xiàn)自然環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的和諧統(tǒng)一，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

5 結(jié) 語(yǔ)

土壤固化劑在土基處理中應(yīng)用廣泛，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文選取某工程項(xiàng)目的軟土地基處理工程，應(yīng)用土壤固化劑處理軟土地基，獲得良好的效果。土壤固化劑能夠改善淤泥性能，提升資源利用率；同時(shí)其施工便捷，可以降低成本，減少施工時(shí)間，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。