道路地基填土改性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與分析

尹博鑫 王正君 李嘉昊 賈明霖

（黑龍江大學(xué) 寒區(qū)水利工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

由于現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們生活水平顯著提高，對(duì)交通造成的負(fù)擔(dān)越來(lái)越重，同時(shí)人類社會(huì)活動(dòng)對(duì)自然環(huán)境造成一定破壞，導(dǎo)致災(zāi)害頻發(fā)且愈發(fā)嚴(yán)重。早在2009年就有因?yàn)榈缆返鼗环€(wěn)而造成的嚴(yán)重鐵路交通事故，近年來(lái)也報(bào)道不少因暴雨導(dǎo)致路基失穩(wěn)造成的令人痛心的新聞，為了盡可能避免悲劇再度發(fā)生，對(duì)道路地基穩(wěn)定性的研究愈加重要。

1 道路地基填土及改良方法

道路地基簡(jiǎn)稱路基，是保證列車及交通運(yùn)營(yíng)的重要前提。土是道路地基中最常見(jiàn)的物質(zhì)，具有開(kāi)采容易、可塑性強(qiáng)、具有一定強(qiáng)度的特點(diǎn)，但由于土的形成位置不同，內(nèi)部存在多種不同的主要礦物成份，土的形狀和級(jí)配也具有明顯差異，這些都對(duì)填土性質(zhì)有不同程度的影響。當(dāng)土壤的地質(zhì)情況比較好或可以承受一定的負(fù)荷時(shí)，即可使用自然地基；但如果土壤地質(zhì)情況較差或所要承擔(dān)的負(fù)荷過(guò)大時(shí)，就必須人為來(lái)強(qiáng)化地基，這種就叫人工地基。有效地對(duì)填土性質(zhì)進(jìn)行改良已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究正在進(jìn)行的的重要課題，目前人工加固道路地基已有多種方法，比如：預(yù)壓法、換填法、深層攪拌法等。

2 道路地基填土的改良物質(zhì)

本文主要討論深層攪拌法中的加固劑，簡(jiǎn)單說(shuō)這種方法就是將加固劑和土體攪拌在一起，送達(dá)特定的位置，以實(shí)現(xiàn)改良加固目的。加固劑種類有很多，下面對(duì)其中幾種常見(jiàn)物質(zhì)展開(kāi)初步分析。

2.1 水泥

水泥是水、硬性無(wú)機(jī)膠凝材料按照一定比例制成的，具有良好的塑性，是工程上常見(jiàn)的加固劑。黃新等認(rèn)為填土性質(zhì)被改良主要是由于水泥的硬化膠結(jié)作用，同時(shí)素土的物理性質(zhì)和改良工藝也會(huì)對(duì)加固效果產(chǎn)生影響。羅明亮等依托深圳機(jī)場(chǎng)擴(kuò)建項(xiàng)目，在施工中分別添加不同含量的水泥和碎石進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)（試驗(yàn)結(jié)果如表1、圖1）。表明水泥含量越高，反應(yīng)模量測(cè)量值越大，水泥摻量10%、碎石摻量20%時(shí)反應(yīng)模量最大；抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加。

表1 地基承載力結(jié)果

圖1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果對(duì)比

Ahmed Farouk針對(duì)水泥水灰比對(duì)改良土強(qiáng)度的影響展開(kāi)研究，得出混合土抗壓強(qiáng)度隨水灰比的增加而降低，并且與水泥的劑量存在指數(shù)關(guān)系 （如圖2）：Q=1.175 e（Q為7d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、CD為水泥用量）。

圖2 水泥用量與7d抗壓強(qiáng)度的指數(shù)關(guān)系

上述論述說(shuō)明水泥可以極大程度改良路基填土，提高填土的穩(wěn)定性和抗壓強(qiáng)度，針對(duì)水泥的理論研究相對(duì)完整，目前已被大量應(yīng)用到實(shí)際工程中。但在應(yīng)用水泥時(shí)存在如下缺點(diǎn)：1）生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生能造成溫室效應(yīng)的CO，對(duì)環(huán)境造成不利影響；2）水泥的耐熱、耐腐蝕性比較差，在填土中加固時(shí)間可能較短；3）水泥水化熱較高，可能會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力導(dǎo)致裂縫的形成，影響地基的穩(wěn)定性。

2.2 石灰

石灰主要由兩種物質(zhì)組成，一種是生石灰，一種是熟石灰。謝長(zhǎng)征闡述了利用石灰進(jìn)行填土改良的原理：1）離子間的交換作用，能降低結(jié)合水的含量，提高早期強(qiáng)度；2）.石灰遇水生成氫氧化鈣、氫氧化鎂，與空氣中的二氧化碳反應(yīng)會(huì)生成碳酸鈣、碳酸鎂，這類物質(zhì)具有的強(qiáng)度較高，會(huì)使填土的穩(wěn)定性有所提升；3）膠凝反應(yīng)，反應(yīng)生成的化學(xué)物質(zhì)在水環(huán)境中發(fā)生硬化，在填土外圍形成保護(hù)膜，并且具有很強(qiáng)的粘結(jié)力，可以保持填土長(zhǎng)期穩(wěn)定性；4）結(jié)晶，氫氧化鈣在水中的溶解度不高，會(huì)以晶體形式析出，減小了土粒間的空隙，進(jìn)一步提高了填土的強(qiáng)度。石靜利用石灰對(duì)膨脹土路基進(jìn)行加固改良，依據(jù)不同的摻灰率對(duì)改良土體的膨脹收縮性能進(jìn)行試驗(yàn)，得到最佳的改良效果 （如表2）。試驗(yàn)結(jié)果表明石灰在一定摻量范圍內(nèi)對(duì)土體有改良作用，超過(guò)6%后，反而有不利影響；對(duì)改良土進(jìn)行一定時(shí)間養(yǎng)護(hù)才能避免填土產(chǎn)生的較大變形。

表2 摻灰率、齡期的膨脹、收縮試驗(yàn)

Bisrat Gissil等對(duì)分散土路基改良，進(jìn)行了承載比和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并且對(duì)不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)、不同摻灰率的改良填土根據(jù)ASSHTO分類系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明改良填土的承載力和穩(wěn)定性會(huì)隨著摻灰率、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而提高；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7～14d時(shí)，摻灰率的最佳比為7%～9%，這時(shí)路基質(zhì)量由一般至稀疏變?yōu)閮?yōu)至良。

石灰也已經(jīng)被投入到實(shí)際工程中，在工程中得到的負(fù)面反饋如下：1）干縮即溫縮特征顯著，會(huì)導(dǎo)致下層開(kāi)裂；2）抗拉強(qiáng)度較低；3）塑性指數(shù)較小，導(dǎo)致穩(wěn)定性較差；4）石灰對(duì)人的健康會(huì)產(chǎn)生一定影響。

2.3 微生物

微生物本身來(lái)源于土，加在土中不會(huì)對(duì)填土有任何擾動(dòng)，所以利用微生物進(jìn)行填土改良是一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的方法。Jia He等解釋了微生物礦化 （MICP）加固的原理，即誘導(dǎo)方解石沉淀并在土粒之間形成連接鍵，這些連接鍵使填土的強(qiáng)度和剛度增強(qiáng)。而Aswin Lim等利用電子顯微鏡等觀察到少孢霉菌菌絲結(jié)合土壤顆粒的機(jī)理 （如圖3），菌絲就像一條繩子，將土粒 “綁在一起”，提高了填土的強(qiáng)度。兩種機(jī)理都可以使道路地基的穩(wěn)定性得以保證。

圖3 真菌生長(zhǎng)演化：（A） 第1d，（B） 第2d，（C） 第3d

朱效博選擇目前使用最廣泛的巴氏牙孢桿菌對(duì)填土的改良效果進(jìn)行的研究，選取不同濃度的膠結(jié)液加固試樣，得出巴氏芽孢桿菌可以提高填土水穩(wěn)定性的結(jié)論。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得，碳酸鈣生產(chǎn)量與巴氏牙孢桿菌添加濃度并非單純的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)濃度為1.25mol/L，試驗(yàn)結(jié)果最優(yōu)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到試驗(yàn)最大值1200KPa。Sabrina Marín于智利阿爾蒂普蘭諾取材并與巴氏芽孢桿菌對(duì)填土的加固作對(duì)比試驗(yàn) （如表3），結(jié)果顯示當(dāng)?shù)匚⑸锊粌H可以在極端堿性條件下生存，而且產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀比巴氏芽孢桿菌形成的更多、厚度更大，土粒之間的粘結(jié)作用更強(qiáng)。

表3 阿爾蒂普蘭諾與巴氏芽孢桿菌的試驗(yàn)對(duì)比

目前，生物礦化技術(shù)理論研究較少，還存在一些未知。黃飛指出微生物礦化還需要研究與探索：1）副產(chǎn)物。微生物礦化可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)；2）在實(shí)施過(guò)程中需要檢測(cè)礦化過(guò)程，保證其工程質(zhì)量及環(huán)境安全；3）注入的微生物是否能長(zhǎng)期生存在該地填土中，能否長(zhǎng)時(shí)間保證地基的穩(wěn)定性。

2.4 納米材料

任一維長(zhǎng)度處于1～100nm的材料即納米材料，這是21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N材料。王施涵采用了納米二氧化硅溶膠對(duì)土體進(jìn)行改良，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，摻入量很小就能顯著提高填土的承載力，而且納米二氧化硅溶膠能在土體中存活很長(zhǎng)時(shí)間，達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間加固填土目的。Hamid Reza Akbari利用納米沸石代替石灰加入到改性填土中，做了單軸抗壓強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，用納米沸石代替40%石灰不僅能夠降低對(duì)人體的傷害，而且能顯著提高填土的強(qiáng)度，使道路地基更加穩(wěn)定。

圖4 納米沸石替代量與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

Prasanna P.Kulkarni將納米二氧化硅和水泥混合，使用浸水試樣進(jìn)行承載力實(shí)驗(yàn)，模擬在極端惡劣天氣對(duì)填土加固情況。結(jié)果顯示單獨(dú)加入納米二氧化硅不能提高土的承載力，而加入水泥和納米二氧化硅后承載力得到了顯著提高。在批次試驗(yàn)中，納米二氧化硅具有促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的作用；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而提高。

納米改良填土的劣勢(shì)：目前沒(méi)有廣泛應(yīng)用到實(shí)際工程中，大多數(shù)處于試驗(yàn)理論階段，并且有些納米材料還具有吸附團(tuán)聚、易被氧化燃燒的特點(diǎn)，容易對(duì)道路地基改良造成負(fù)面影響，仍然需要進(jìn)一步的研究。

2.5 纖維

纖維是一種被廣泛應(yīng)用的材料，具有經(jīng)濟(jì)、施工所用時(shí)間短、任何季節(jié)都可以使用的優(yōu)點(diǎn)，在土中均勻分散開(kāi)后，自身的長(zhǎng)度會(huì)讓它們形成一個(gè)個(gè)相互交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)，抑制填土在外部荷載作用下發(fā)生的運(yùn)動(dòng)。錢(qián)葉琳研究了纖維加筋土的動(dòng)力響應(yīng)特性，是一種土體在經(jīng)受動(dòng)荷載后的現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)動(dòng)力響應(yīng)特性與土和纖維的性質(zhì)、環(huán)境因素等有關(guān)。Xiaohua Bao等使用不同的碳纖維與水泥混合進(jìn)行了多種試驗(yàn)，碳纖維的長(zhǎng)度和含量對(duì)剪切強(qiáng)度、法向應(yīng)力、無(wú)側(cè)限抗剪強(qiáng)度、軸向應(yīng)變都會(huì)產(chǎn)生影響，并且超過(guò)最佳含量或者最佳長(zhǎng)度后，對(duì)填土的加固效果會(huì)明顯下降。戴文亭通過(guò)對(duì)使用劍麻纖維路面地基進(jìn)行的各種極端氣候條件下無(wú)側(cè)限耐壓性能測(cè)試和劈裂強(qiáng)度的測(cè)試（如圖5、圖6），總結(jié)出利用劍麻纖維對(duì)道路地基填土改性早期強(qiáng)度較高，即可以縮短施工所用時(shí)間；在極端天氣的抗凍效果和水穩(wěn)定性也較好。

圖5 齡期對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度的影響

圖6 凍融和浸水對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

劣勢(shì)：纖維成本較高，制造過(guò)程困難而且可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境有害物質(zhì)，在做報(bào)廢處理時(shí)不易降解，可能會(huì)產(chǎn)生對(duì)人體產(chǎn)生永久性傷害物質(zhì)。

2.6 廢棄物改良

現(xiàn)有資源被人類的發(fā)展消耗的越來(lái)越少，卻有不少工業(yè)、建筑、生活產(chǎn)生的廢物不能得到更好的安置，二者都會(huì)導(dǎo)致環(huán)境不同程度破壞。利用廢棄物取代需要開(kāi)采、需要生產(chǎn)的材料就可以同時(shí)解決這兩個(gè)問(wèn)題。粉煤灰是燃料燃燒時(shí)排出的一種細(xì)微顆粒，張小平等利用粉煤灰混合料具有易壓實(shí)、壓縮性低、滲透性好、以及強(qiáng)度較高特點(diǎn)，改善道路地基填土，得出較佳配合比為80∶20～85∶15。秸稈是農(nóng)作物成熟脫粒后剩余的莖葉部分，每年都有大量秸稈被燒，造成空氣污染。肖力光等對(duì)秸稈改良填土進(jìn)行多組試驗(yàn)，結(jié)果如表4顯示，折壓比被大大提高，這說(shuō)明秸稈的摻入可以顯著增強(qiáng)填土材料的韌性，抗沖擊性和抗裂性，而且還能維持填土內(nèi)的溫度，替代纖維在填土中的改性作用。

表4 不同秸稈量、不同齡期的折壓比情況

Muhammad發(fā)現(xiàn)稻殼灰中含有火山質(zhì)材料，通過(guò)對(duì)黏土混合石灰以及稻殼灰的承載性能指標(biāo)分析，證明稻殼灰可以改善填土的穩(wěn)定性與承載能力，使其滿足路基填土要求。MarianaTonini de Araújo利用蛋殼灰來(lái)改良膨脹土的力學(xué)性質(zhì)。蛋殼灰是蛋殼焙燒后產(chǎn)生的一種替代粘結(jié)劑，其加固土體效果也相當(dāng)可觀。

雖然目前很多廢棄物在進(jìn)行土體加固的過(guò)程中還需要其他物質(zhì)配合，但已經(jīng)在一定程度上減少了資源的再度開(kāi)發(fā)。

3 結(jié)語(yǔ)

使用加固劑對(duì)路基填土改良已經(jīng)受到了各個(gè)國(guó)家的重視，已知可用來(lái)改良的物質(zhì)也有很多，本文僅對(duì)其中幾種常用物質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的敘述，水泥、石灰、微生物、納米材料、纖維都可以提高路基的穩(wěn)定性和強(qiáng)度，但是其中最具有發(fā)展?jié)摿Φ氖菑U棄物利用技術(shù)，將目前人類的需求與發(fā)展結(jié)合起來(lái)，不但解決了人們無(wú)處安放的 “垃圾”，而且滿足人們對(duì)可持續(xù)發(fā)展的要求，減少了資源的消耗。但還需要更深一步的研究，使其能大規(guī)模投入到實(shí)際工程中去，最大程度減少資源再度開(kāi)發(fā)。