就地固化在軟弱地基處理中的試驗研究

王 猛

(廣東交科檢測有限公司，廣東 廣州 510426)

0 引言

在城市建設(shè)需求不斷增大的今天，有限的土體資源已成為制約城市發(fā)展的主要障礙。在該背景下，人們開始轉(zhuǎn)向沿海地區(qū)的建設(shè)。隨著不斷興建的涉水工程，其引發(fā)的軟土地基問題逐漸成為人們關(guān)注的重點。為確保工程建設(shè)的安全性，必須對其施以加固措施[1-3]。

1 工程概況

汕頭市牛田洋快速通道路基分為主線和輔道，主線和輔道分別為六車道整體式和分離式路基。路基基底多池塘(魚塘)或常年積水路段，如采用清淤換填，清淤量大且清除的淤泥需要進(jìn)行堆棄處理，不利于環(huán)保，因此本項目對標(biāo)準(zhǔn)貫入量<2的成片魚塘深厚軟土地基，結(jié)合工程難度、造價和環(huán)保等方面，采用土體就地固化技術(shù)對塘底淤泥進(jìn)行處理，使其硬殼層得以較快通車。

2 施工工藝

2.1 施工放樣

基于設(shè)計圖紙的要求，放樣出所需處理的范圍，并相應(yīng)打入木樁做好標(biāo)記。

2.2 場地準(zhǔn)備

首先需進(jìn)行地表水的清理工作，將處理區(qū)域內(nèi)的地表水排除干凈。此外，在施工開始之前需先進(jìn)行試拌工作，并做好回填整平工作。

2.3 場地區(qū)域劃分

以5 m×5 m的面積劃分所需處理的區(qū)域，若現(xiàn)場需處理的區(qū)域較大，可對其面積進(jìn)行調(diào)整。

2.4 調(diào)配固化劑

根據(jù)現(xiàn)場所需處理區(qū)域的土質(zhì)條件進(jìn)行固化劑的調(diào)配，實際進(jìn)行固化劑噴料時，可采取固化劑自動定量供料系統(tǒng)來確保用料量的精確度。

2.5 就地攪拌施工

對原位土以攪拌頭進(jìn)行攪拌施工，基于現(xiàn)場固化劑的調(diào)配形式以及土質(zhì)條件，在進(jìn)行攪拌施工時可按照上下垂直的方式進(jìn)行施工。若處理的是原位土，則可通過正向運行的方式開啟攪拌設(shè)備，以便于進(jìn)行深入的攪拌。須注意的是，施工時還需逐步進(jìn)行固化劑的噴射，直到深度滿足設(shè)計要求，再反向運行攪拌設(shè)備并持續(xù)進(jìn)行固化劑的噴射。若施工時遇見較硬的地質(zhì)而無法使用垂直固化時，可通過翻松分層的方式進(jìn)行固化施工。

2.6 預(yù)壓養(yǎng)護

在完成攪拌之后，采用挖機等開展預(yù)壓施工，并在其上鋪設(shè)鐵板，以作為下一區(qū)域就地固化施工的支撐平臺。基于工程經(jīng)驗，若是有著較厚淤泥的軟基，在施工完成后的1 d內(nèi)即可采用PC220挖機進(jìn)行預(yù)壓施工，其他大多數(shù)區(qū)域則需在2 d后采用行走挖機進(jìn)行預(yù)壓。為確保該區(qū)域的壓實度滿足要求，需確保其有7 d以上的養(yǎng)護時間。

3 無側(cè)限抗壓強度試驗

為對摻入固化劑后地基土上的硬殼層進(jìn)行研究，本文將對其開展室內(nèi)試驗。樣品所加固化劑主要由水泥和粉煤灰等摻料組成。試驗研究固化劑摻量與固化效果的規(guī)律：將固化劑以不同的摻入比制作成固化土，在滿足《公路土工試驗規(guī)程》有關(guān)要求的基礎(chǔ)上對其開展室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗[4-6]。現(xiàn)場取樣軟土性能指標(biāo)如表1所示。

表1 現(xiàn)場取樣軟土性能指標(biāo)表

試驗共配置了兩種以32.5#普通硅酸鹽水泥為主，以粉煤灰等添加劑為輔的固化劑。在配置固化劑時，需對其比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，固化劑摻入比和水泥含量占比如表2所示，以充分發(fā)揮水泥強度，進(jìn)而使得固化劑強度有所提高。

表2 固化劑摻入比和水泥含量占比表(%)

在無側(cè)限抗壓強度試驗中，為進(jìn)一步開展研究，本文還設(shè)置了另外一組水泥固化土，以水泥和2%Na2CO3配置而成?；谙嚓P(guān)規(guī)范要求，本文選取(102×116) mm的試模進(jìn)行試塊的制備。

3.1 試塊1無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

通過表3數(shù)據(jù)可知，隨著固化劑的不斷摻入，試塊1固化土的早期強度呈現(xiàn)不斷增大的規(guī)律。在13%和15%的摻入比之間，試塊1有著最大的后期強度。試塊在相同齡期下，隨著不斷增加的摻入比表現(xiàn)出不斷上升的無側(cè)限抗壓強度。分析原因可知，水泥能夠在最大程度上使試件強度提高，故在相同齡期下，水泥含量與試件無側(cè)限抗壓強度呈正比例關(guān)系；在養(yǎng)護前期，試塊強度的增長較慢，并且相比于后期強度，試塊的強度僅為其10%，說明對于早期強度而言，固化劑的摻入效果較不明顯，但其能夠有效提高試件的后期強度；在相同的水泥含量和固化劑摻入比下，隨著齡期的不斷增加，試塊的無側(cè)限抗壓強度呈現(xiàn)出不斷上升的規(guī)律。

表3 試塊1無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果表

3.2 純水泥試塊無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

從表4所得數(shù)據(jù)可知，雖然摻入了較多水泥并且適當(dāng)?shù)負(fù)饺肓嗽鐝妱?，但相比于試塊1而言，其強度較低。說明在固化土?xí)r要使水泥強度得以發(fā)揮，還需具備一定的化學(xué)環(huán)境，而試塊1中的粉煤灰摻料等輔助料正好提供了所需環(huán)境。故相比于純水泥，添加固化劑之后能夠取得更好的固化效果。此外，對其成本進(jìn)行分析可知，兩者相比之下，采用固化劑的試塊所需成本較低，因此在實際工程項目中可適當(dāng)摻入固化劑。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，5%以上的水泥含量容易使水泥固化土出現(xiàn)干裂現(xiàn)象。

表4 純水泥試塊無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果表

3.3 結(jié)果分析

將上述結(jié)果進(jìn)行匯總，如圖1所示。

(a)固化劑抗壓強度與齡期之間的關(guān)系

從圖1可知，隨著試塊齡期的不斷增加，其抗壓強度以及彈性模量均有所增加，并且當(dāng)固化劑的摻入比上升時，直線斜率也隨之上升。早期試塊強度增加較慢，并且受水泥比重影響較小，而后期試塊有著較快的強度增長，并且水泥比重影響逐漸增大?？梢姡嚰暮笃趶姸戎饕蓳饺氡葲Q定。當(dāng)固化劑的摻入比靠近最佳摻入比時，試塊的抗壓強度隨著不斷增加的摻入比呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。當(dāng)摻入比在10%以下時，試塊有著較快的強度增加，并且隨著齡期的增長，其強度和彈性模量均為線性變化；當(dāng)固化劑的摻入比超出一定量時，其強度與彈性模量、齡期的關(guān)系轉(zhuǎn)換為對數(shù)關(guān)系，表明固化劑的摻入比存在最優(yōu)值。對于該固化劑而言，該值為10%。

4 室內(nèi)平板靜載試驗

為研究硬殼層在不同的彈性模量(固化劑摻入比不同)和厚度下對地基的影響程度，本文對其展開無側(cè)限抗壓強度試驗。

將現(xiàn)場所取軟土放置于鐵桶之中，再以一定厚度將摻入比不同的固化土覆蓋于軟土上面。在常溫下進(jìn)行14 d的養(yǎng)護之后即可使得上部硬殼層滿足試驗要求。將荷載板放置于鐵桶中間，并設(shè)置好百分表，即可獲取荷載下固化地基沉降值。

由圖2可知，硬殼層的彈性模量隨著固化劑摻入比的變化而隨之改變。在P-△S曲線中，隨著不斷提高的強度有較為明顯的拐點出現(xiàn)。而淤泥軟土的P-△S曲線中則無顯著的拐點出現(xiàn)，說明在地基承載力達(dá)到極限之后，固化后的地基模量會隨之上升。

圖2 彈性模量變化時的P-△S曲線圖

通過室內(nèi)平板靜載試驗可知，地基的承載力特征值會隨著硬殼層彈性模量E1的變化而變化。對兩者關(guān)系進(jìn)行擬合后得到圖3所示規(guī)律。

從圖3中可知，硬殼層與地基極限承載力為對數(shù)關(guān)系，隨著硬殼層的不斷增加，地基承載力也隨之上升。故在實際施工時，為使硬殼層彈性模量有所提高，可采取提高固化劑摻入比的方式來實現(xiàn)。

圖3 硬殼層與地基極限承載力的關(guān)系曲線圖

5 結(jié)語

通過上述分析，本文主要得出以下結(jié)論：

(1)對比上述試驗結(jié)果可知，摻入5%水泥含量、2%粉煤灰、0.02%的穩(wěn)定劑、17 kN/m3混合料容重的固化劑能夠取得更好的固化效果，并且在對其摻入比進(jìn)行分析后可知，以10%的摻入比添加固化劑效果最佳。

(2)通過室內(nèi)平板靜載試驗可知，通過改變固化劑的摻入比能夠使硬殼層的彈性模量有所改變，從而改善地基容許承載力。