土壤固化劑在公路工程不良路基中的應(yīng)用

賈志強(qiáng)

（張家口泰保工程監(jiān)理咨詢有限責(zé)任公司，河北張家口 075000）

0 引言

土壤固化劑是一種無毒無害無污染的新材料，作用于不良地基具有加固效果好、施工簡單等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于不良地基加固施工中，但在實(shí)際工程中對土壤固化劑摻加量并未明確，導(dǎo)致土壤固化劑摻量過小加固效果并不明顯，土壤固化劑摻量過大將導(dǎo)致土壤硬化[1]。故本文依托實(shí)際工程，在試驗(yàn)路段采用四組土壤固化劑摻加量處理不良路基，并使用石灰和土壤固化劑處理不同土壤，結(jié)合不良地基施工工藝，研究土壤固化劑對不良地基施工質(zhì)量的影響。

1 加固機(jī)理

1.1 水化反應(yīng)

土壤固化劑在水作用下發(fā)生水化反應(yīng)，生成各種氫氧化鈣、水化碳酸鈣等各種水化產(chǎn)物，這些水化產(chǎn)物首先在土壤中相互聚集凝結(jié)，包圍土顆粒，在土層內(nèi)部形成具有一定硬度和強(qiáng)度的骨架結(jié)構(gòu)，這些骨架結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)黏性土和粉質(zhì)土等不良土體之間的連接強(qiáng)度[2]。

1.2 置換反應(yīng)

土壤中含有較多水分，土壤固化劑與土壤均勻混合后，固化劑與土壤中的水發(fā)生置換反應(yīng)生成鈣礬石結(jié)晶體，土壤混合物中水分減少，所生成鈣礬石結(jié)晶體使得混合物體積增大，結(jié)晶體能夠有效填充土壤大顆粒空隙，土壤孔隙率減小，土體之間緊密度增加，穩(wěn)定性越好；固化劑與土壤中的水發(fā)生置換反應(yīng)后，土壤中游離水轉(zhuǎn)換成結(jié)晶水，相互連接，土壤顆粒被其包圍，形成一個牢固穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而提高土層密實(shí)性、抗壓性能和抗?jié)B性能[3]。

1.3 火山灰反應(yīng)

土壤固化劑與土壤混合后，反應(yīng)生成鈣礬石針狀結(jié)晶體。在土層內(nèi)部，這些針狀鈣礬石晶體就像鋼筋交叉錯亂在土顆粒之間，在土壤內(nèi)起到加筋作用，增加固化土的強(qiáng)度。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

某公路位于西北山嶺重丘區(qū)，全線長100km，起點(diǎn)樁號K1100+000，終點(diǎn)樁號K1200+000，道路上面層采用4cm的改性瀝青瑪蹄脂碎石混凝土SMA-13，中面層采用6cm的瀝青混凝土AC-20，下面層采用15cm的瀝青溫度碎石，基層采用20cm的水穩(wěn)碎石，路基土就地取材進(jìn)行壓實(shí)。施工前對當(dāng)?shù)氐孛埠退牡刭|(zhì)進(jìn)行探測，結(jié)果表明當(dāng)?shù)卦陆涤炅扛哌_(dá)500mm，路基土多為淤泥、粉質(zhì)土和黏性土，且土體含水率較高，地質(zhì)條件較為惡劣，對當(dāng)?shù)亟煌空{(diào)查發(fā)現(xiàn)，日交通量較大，若對土體不進(jìn)行加固處理，竣工后在反復(fù)循環(huán)的交通荷載以及外界環(huán)境共同作用下，導(dǎo)致路基由于承載力不足引起沉陷。其中道路K1120+210—K1141+810路段部分道路存在大面積沉陷等病害，已經(jīng)嚴(yán)重影響交通出行。故本文選用K1130+000—K1130+800道路右側(cè)作為試驗(yàn)路段，并對道路土質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果如表1所示。

表1 路土質(zhì)物理性能和顆粒組成

2.2 施工工藝

為研究不同土壤固化劑摻加量對不良路基施工質(zhì)量的影響，本文選用某公路K1130+000—K1130+400道路右側(cè)作為試驗(yàn)路段，全長400m，采用四組土壤固化劑摻加量進(jìn)行施工，施工方案如表2所示。

表2 四組土壤固化劑摻加量施工方案

為研究土壤固化劑的固化效果，本文采用石灰作為對比，在試驗(yàn)路段使用石灰和土壤固化劑固化不同土質(zhì)土壤，具體方如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)路段施工過程中，將不良地基土壤進(jìn)行修整與翻松處理，根據(jù)道路等級確定攤鋪厚度，本文攤鋪厚度選擇35cm，并根據(jù)施工現(xiàn)場設(shè)置機(jī)械攤鋪速度，本文攤鋪速度控制在2～5km/h，攤鋪機(jī)具應(yīng)勻速行駛中途不得突然變速，否則導(dǎo)致路基出現(xiàn)凸起、凹陷等情況。攤鋪施工完成后，初壓采用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓作業(yè)，碾壓遍數(shù)為3遍，碾壓速度為2.5km/h；復(fù)壓采用振動壓路機(jī)進(jìn)行碾壓作業(yè)，碾壓遍數(shù)為6遍，碾壓速度為3km/h；終壓采用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓作業(yè)，碾壓遍數(shù)為2遍，碾壓速度為2km/h[3]。

2.3 性能檢驗(yàn)

（1）土壤固化劑摻加量

土壤固化劑摻加量影響路基土自由水與結(jié)合水含量，土壤固化劑摻量過小時，路基土自由水含量高結(jié)合水含量低，加固效果并不明顯，土壤固化劑摻量過大時，路基土中沒有多余的自由水轉(zhuǎn)換成結(jié)合水，加固效果不會增加，且影響工程成本，故為研究不同土壤固化劑摻加量對不良地基施工質(zhì)量的影響，本文采用四種土壤固化劑摻加量處理試驗(yàn)路段A、B、C、D，并檢測其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，檢測結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)路段土壤固化劑摻加量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖1所示。

表4 不同試驗(yàn)路段穩(wěn)定土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1 試驗(yàn)路段土壤固化劑摻加量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖

由圖1可知，土壤固化劑摻量從0%增加到0.4%時，試驗(yàn)路段無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從0.64MPa增加到1.42MPa，強(qiáng)度增加率高達(dá)121.9%，土壤固化劑摻量從0.4%增加到0.6%時，試驗(yàn)路段無側(cè)限抗壓強(qiáng)度雖從1.42MPa增加到1.61MPa，強(qiáng)度增加率僅為13.3%對試驗(yàn)路段土壤固化劑摻加量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系進(jìn)行擬合分析，y=0.312x+0.345，R2=0.946，因此使用固化劑處理不良地基時，土壤固化劑摻量控制在0.4%～0.6%范圍內(nèi)，不僅加固效果好，還可以節(jié)約工程成本。

（2）土壤固化劑固化效果

為研究土壤固化劑對不同土質(zhì)土壤固化效果，本文在試驗(yàn)路段選用粉質(zhì)土和黏質(zhì)土，采用土壤固化劑固化試驗(yàn)路段，并使用石灰固化試驗(yàn)路段作為對照組。施工完成以后，使用鉆芯法檢測試驗(yàn)路段強(qiáng)度，首先分別在試驗(yàn)路段輪跡帶位置處隨機(jī)選取采樣點(diǎn)，接著使用鉆芯機(jī)鉆取半徑150mm、深度600mm的試樣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬經(jīng)過28d齡期后，試件進(jìn)行5次凍融循環(huán)試驗(yàn)，最后測得凍穩(wěn)定系數(shù)，測定結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)路段穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果表

土壤固化劑對土壤固化效果優(yōu)于石灰，由表5可知，在相同粉質(zhì)土，使用石灰固化土壤，凍穩(wěn)定系數(shù)為0.65，而使用土壤固化劑固化土壤，凍穩(wěn)定系數(shù)為0.82，土壤固化劑較石灰提高了26%；在相同黏質(zhì)土，使用石灰固化土壤，凍穩(wěn)定系數(shù)為0.76，而使用土壤固化劑固化土壤，凍穩(wěn)定系數(shù)為0.98，土壤固化劑較石灰提高了29%；土壤固化劑對土壤固化效果明顯優(yōu)于石灰，這是由于土壤固化劑中含有較多的鈣離子、鎂離子和鋁離子，能夠與土壤中的負(fù)電荷發(fā)生反應(yīng)，使土顆粒之間相互靠攏并黏結(jié)，密實(shí)度增加，穩(wěn)定性得到提高。

由表4可知，土壤固化劑對黏質(zhì)土具有更好的固化效果，土壤固化劑固化粉質(zhì)土?xí)r凍穩(wěn)定系數(shù)為0.82，固化黏質(zhì)土?xí)r凍穩(wěn)定系數(shù)為0.98，因此對于含有較多黏質(zhì)土的不良路基應(yīng)該使用土壤固化劑進(jìn)行加固處理，可以提高路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

土壤固化劑具有施工工藝簡單、使用效果好、無毒無害無污染等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域具有巨大潛力。本文試驗(yàn)路段結(jié)合不良地基施工工藝，研究土壤固化劑對不良地基施工質(zhì)量的影響，結(jié)果表明：

（1）使用固化劑處理不良地基時，土壤固化劑摻量控制在0.4%～0.6%范圍內(nèi)；

（2）土壤固化劑對土壤固化效果優(yōu)于石灰，固化效果提高了26%；

（3）土壤固化劑對黏質(zhì)土具有更好的加固效果。