路基雜填土處理及加固措施研究

郭逾冬

（招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司,重慶 400067）

雜填土路基通常大范圍聚集性出現(xiàn),不僅雜填成分復(fù)雜,且填充物質(zhì)在不同時(shí)間不同地點(diǎn)隨意堆放自然形成,因此與一般路基相比,對(duì)其進(jìn)行處理時(shí)有較大難度。采用不同的加固處理方式對(duì)同一場(chǎng)地的雜填土路基進(jìn)行處理后,加固效果也往往各不相同[1]。如何根據(jù)雜填土路基的實(shí)際情況選用合適的處理方式,使路基性能滿足要求。本文介紹常用的幾種雜填土路基處理方式,闡述其原理、方法、適用范圍、特點(diǎn),并結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目,將室內(nèi)物理- 化學(xué)處理與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械加固相結(jié)合,達(dá)到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的目的。

1 雜填土處理及加固措施

1.1 CFG 樁加固

在制作CFG 樁時(shí),一些常見(jiàn)的無(wú)機(jī)結(jié)合料,如水泥、碎石、粉煤灰等是制作CFG 的主要材料。將上述材料加水拌合,再經(jīng)專(zhuān)業(yè)化機(jī)械設(shè)備成樁制作,通常還要經(jīng)過(guò)一定時(shí)期的養(yǎng)生,即可形成具有一定強(qiáng)度的樁身柱體。

CFG 樁對(duì)雜填土的加固主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1） 樁體作用 首先,樁體由碎石等強(qiáng)度較高的材料制作而成,能有效提高雜填土路基的強(qiáng)度,能夠顯著增強(qiáng)樁間土體的抗液化能力,對(duì)雜填土的其他性能也能起到良好的改善作用。其次,CFG 樁加固技術(shù)是將強(qiáng)度相對(duì)較大的CFG 樁柱體埋入雜填土路基中,將原有雜填土路基中的低強(qiáng)度雜填土“擠壓”出去,即用高強(qiáng)度樁體置換低強(qiáng)度雜土。埋入CFG 樁的土基較之原來(lái)的雜填土路基,強(qiáng)度更高,模量更大,也能承擔(dān)相對(duì)更多的荷載。

（2） 振動(dòng)擠密作用 將CFG 樁管體埋入路基時(shí),機(jī)械設(shè)備作業(yè)時(shí)會(huì)帶動(dòng)施工區(qū)域的土地以一定頻率振動(dòng),原本的樁間土不斷受到擠壓,土顆粒等不斷受到壓縮,土體的密實(shí)度不斷提高,其壓縮模量和強(qiáng)度也相應(yīng)得到改善。

（3） 樁對(duì)土的約束作用 當(dāng)上部荷載作用在樁間土?xí)r,在樁體的限制下,其橫向變形較之未填埋CFG樁時(shí)減少,整個(gè)復(fù)合地基的縱向變形相應(yīng)減少,復(fù)合地基的承載力增強(qiáng),抗沉降抗變形能力提升。

（4） 褥墊層作用 褥墊層存在于路基與“樁- 樁間土”組成的整體之間,主要起到應(yīng)力緩沖作用。當(dāng)有外力作用在上部結(jié)構(gòu)時(shí),“樁- 樁間土”組成的整體會(huì)承擔(dān)一部分荷載,另一部分荷載經(jīng)褥墊層傳遞給地基。

褥墊層一般由碎石和砂組成,其中,砂的最大粒徑不能超過(guò)30 mm。

（5） 加速排水固結(jié)作用 當(dāng)CFG 樁加固技術(shù)應(yīng)用于飽和砂土或者細(xì)顆粒粉土土基時(shí),CFG 樁能起到加速排水固結(jié)的作用。一方面,CFG 樁在施工時(shí)不斷振動(dòng),對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生擠壓作用。在這種振動(dòng)擠壓下,周?chē)恋匾蛲饬ψ饔弥饾u產(chǎn)生超孔隙水壓力,促使土體中的水分經(jīng)由裂隙排出,從而導(dǎo)致路基排水固結(jié)速度加快,詳情見(jiàn)圖1。另一方面,CFG 樁體一般由碎石、粉煤灰等粗骨料構(gòu)成,在水泥完全硬化之前,顆粒間存在不少縫隙,構(gòu)成良好的排水通道。路基中的水分經(jīng)由樁體內(nèi)的排水通道排出,路基排水固結(jié)速度加快,如圖2所示。

圖1 CFG 樁復(fù)合地基排水固結(jié)示意圖

圖2 CFG 樁復(fù)合地基承載力示意圖

1.2 水泥加固處理

用水泥加固雜填土路基,主要靠水泥中的主要熟料與土路基中的水及鹽類(lèi)離子發(fā)生水解水化反應(yīng)得到的產(chǎn)物[2]。水化物進(jìn)一步發(fā)生膠結(jié),促使路基強(qiáng)度提升。用普通硅酸鹽水泥加固雜填土路基,主要反應(yīng)如下：

硅酸三鈣在水泥加固雜填土中起最主要的作用,其反應(yīng)方程式如下：

產(chǎn)物之一的硅酸二鈣是反應(yīng)后期的主要強(qiáng)度來(lái)源：

鋁酸三鈣初凝速度最快,起到加快水泥早凝的作用：

因氫氧化鈣的過(guò)飽和程度降低的速度與水泥中堿性物質(zhì)的含量及堿的溶解速度呈正相關(guān),土質(zhì)的不同也影響著水泥加固土的效果。當(dāng)粘性土塑性指數(shù)較大且含有較多的粉粒、粘粒且粘性土?xí)r,氫氧化鈣會(huì)先與粉粒、粘粒發(fā)生作用,降低土體的PH 值,使得水泥水化物的硬化速度變慢。

水泥加固土具有強(qiáng)度高,穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)抗水性能好,抗凍性良好等特點(diǎn)。由于水泥加固土施工工藝簡(jiǎn)單、抗?jié)B性能優(yōu)良、外觀美觀、穩(wěn)定性好,其在工程中應(yīng)用范圍廣泛,常見(jiàn)并不止于不良土體加固、基坑支護(hù)、河道護(hù)坡、水池護(hù)壁等。

1.3 石灰加固處理

將石灰加入土中后,石灰與土中的水分發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng),離子交換作用下土顆粒發(fā)生膠結(jié),析出晶體；Ca (OH)2發(fā)生結(jié)晶作用生成結(jié)晶網(wǎng)格；Ca(OH)2發(fā)生碳化作用變成強(qiáng)度更高的碳酸鈣；火山灰作用下生成鋁酸鈣等膠結(jié)物；再加上養(yǎng)生,石灰加固土的強(qiáng)度逐漸提高[3]。這個(gè)過(guò)程中主要發(fā)生的反應(yīng)如下：

（1） 離子交換作用 石灰在水中或強(qiáng)堿環(huán)境中會(huì)解離出二價(jià)鈣離子,土顆粒中含有鈉、氫、鉀（N+、H+、K+）等低價(jià)陽(yáng)離子的礦質(zhì)離子。將石灰加入土中,高價(jià)鈣離子與低價(jià)鈉、氫、鉀（N+、H+、K+）進(jìn)行離子交換,而吸附性與離子的價(jià)位成正相關(guān),因此土顆粒膠體的吸附層降低,膠結(jié)作用發(fā)生。土顆粒逐漸匯聚在一起形成團(tuán)粒,較之原來(lái)的土顆?？障督档兔軐?shí)度提高,從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的目的。

（2） 結(jié)晶作用 用石灰加固土?xí)r,當(dāng)Ca(OH)2達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生結(jié)晶作用,生成生石灰結(jié)晶網(wǎng)格。這一過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)式為：

石灰與土體中的活性礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成足夠多的水化產(chǎn)物是結(jié)晶作用的前提。隨著化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,這些水化產(chǎn)物的含量增多。水化產(chǎn)物達(dá)到一定濃度后,發(fā)生結(jié)晶作用,產(chǎn)生的結(jié)晶并作為一層“保護(hù)膜”附著在土顆粒周?chē)?。晶體保護(hù)膜對(duì)增強(qiáng)土體強(qiáng)度起到重要作用：一方面填充了土顆粒間的空隙,使土體更加密實(shí),提升了土體強(qiáng)度；另一方面阻止外來(lái)水分深入土顆粒中,提升了土體水穩(wěn)定性。遺憾的是這個(gè)過(guò)程進(jìn)行的非常緩慢,當(dāng)土體需要快速加固時(shí)僅依靠結(jié)晶作用是不可行的。

（3） 火山灰作用 石灰的加入將原有土體中的酸堿度逐漸改變,土體環(huán)境變?yōu)閺?qiáng)堿性。在強(qiáng)堿狀態(tài)下,土體內(nèi)部的活性礦物質(zhì)粒子,如氧化硅、氧化鋁等,逐漸發(fā)生化學(xué)變化,其反應(yīng)式如下：

從上述反應(yīng)式中不難發(fā)現(xiàn),火山灰作用需消耗土體中的水分。因?yàn)榘l(fā)生了火山灰作用,用石灰處理雜填土,不僅能夠加強(qiáng)強(qiáng)度和承載力,還能賦予土體一定的水硬性。

（4） 碳化作用 碳酸化的化學(xué)反應(yīng)式為：

產(chǎn)物之一的碳酸鈣（CaCO3）本身硬度大,能和土中其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成復(fù)雜鹽類(lèi),而且復(fù)雜鹽類(lèi)又能繼續(xù)和碳酸鈣一起作用,使得土粒發(fā)生膠結(jié),從而提高土體的強(qiáng)度,增大土體的穩(wěn)定性。

1.4 固化劑加固

在土中加入固化劑,固化劑中起到固化作用的高分子聚合物溶于土體中的水,表面活性劑和土顆粒相互吸附,土顆粒間的表面自由能降低,顆粒與顆粒間的排斥作用減小,促進(jìn)土顆粒更好的凝聚在一起,使得土體的強(qiáng)度與水穩(wěn)性逐漸增強(qiáng)。因上述作用,經(jīng)過(guò)固化劑加固的土體較之一般土體有更強(qiáng)的耐水性能,壓實(shí)后也不易發(fā)生土體濕陷或者塑化現(xiàn)象。

利用固化劑加固路基土?xí)r,其施工作業(yè)簡(jiǎn)單、操作方便、經(jīng)濟(jì)效果佳,且不會(huì)對(duì)交通產(chǎn)生影響,路用性能優(yōu)良,因此具有廣泛的適用性。常見(jiàn)并不限于路基土加固、坡面加固、水利護(hù)坡加固等工程中。

1.5 強(qiáng)夯法加固

強(qiáng)夯法加固土體的原理相對(duì)比較簡(jiǎn)單。即利用起重設(shè)備將夯錘提升到一定高度,然后使夯錘發(fā)生自由落體運(yùn)動(dòng),利用其下落時(shí)巨大的勢(shì)能轉(zhuǎn)化成的強(qiáng)大沖擊能量夯實(shí)土體,以此來(lái)提升土體的強(qiáng)度和承載力。動(dòng)力固結(jié)理論多用于加固飽和土。因?yàn)槔碚撋险J(rèn)為飽和土是土顆粒周?chē)灰后w填滿的土體[4],用強(qiáng)夯法加固時(shí),隨著夯錘的不斷夯擊,土體的超孔隙水壓力逐漸增大,增大到一定程度時(shí),土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞并形成放射狀裂隙（詳見(jiàn)圖3）。土顆粒的孔隙水沿著這些裂隙排出,土中水壓力逐漸消散,土體快速固結(jié),密實(shí)度增加。

圖3 強(qiáng)夯作用下產(chǎn)生的排水

2 雜填土處理與加固方法的可行性分析

某旅游公路先后穿過(guò)三個(gè)雜填土路基的區(qū)域,其中占地面積最大的一片區(qū)域近似為邊長(zhǎng)35 m 的正方形。經(jīng)過(guò)實(shí)際勘察,發(fā)現(xiàn)路基中含有雜草、煤渣等多種工業(yè)垃圾、陶瓷磚瓦碎片等建筑垃圾、塑料布條等生活垃圾,成分復(fù)雜且不易降解,土質(zhì)疏松,壓塑性高[5],是典型的雜填土路基。根據(jù)上述實(shí)際,綜合考慮幾種常用的雜填土處理方法,分析如下：

（1） 若采用CFG 樁加固土體,樁體需要事先在預(yù)制工廠完成預(yù)制、養(yǎng)護(hù)后再運(yùn)送至施工場(chǎng)地。這會(huì)產(chǎn)生如下幾方面的不利因素：一是施工周期相對(duì)較長(zhǎng)。澆筑樁身的混凝土需養(yǎng)護(hù)至強(qiáng)度達(dá)標(biāo),需要一定時(shí)間。二是成本相對(duì)較高。工地周邊區(qū)域沒(méi)有滿足要求的預(yù)制工廠,從別處預(yù)制好樁體后運(yùn)輸?shù)绞┕?chǎng)地,運(yùn)輸費(fèi)用高。三是施工場(chǎng)地不滿足要求。沉樁施工需要較大范圍的施工作業(yè)面,而工程實(shí)地被夾在東側(cè)10 m 遠(yuǎn)的河道與西側(cè)的雜填坑之間,作業(yè)面小,施工場(chǎng)地嚴(yán)重受限,無(wú)法滿足沉樁作業(yè)要求。因此,CFG 樁加固方法不適用于該工程。

（2） 若采用水泥、石灰或者固化劑加固,三種材料各有優(yōu)勢(shì)。水泥加固土具有較高的強(qiáng)度和承載力、較好的穩(wěn)定性和整體性,適用范圍廣；石灰加固土抗壓強(qiáng)度和板體性相對(duì)較高,剛性和荷載分布能力較大,水穩(wěn)性好,施工方便；固化劑加固土水穩(wěn)性好,強(qiáng)度高,成本低,節(jié)能效果好。鑒于上述因素,考慮將上述三種材料用于雜填土加固。

（3） 強(qiáng)夯法在這一施工場(chǎng)地中具有很大的優(yōu)勢(shì)：能夠提升路基的強(qiáng)度和承載能力,施工機(jī)具簡(jiǎn)單,節(jié)約材料,成本較小。施工場(chǎng)地遠(yuǎn)在郊區(qū),施工時(shí)產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)也不會(huì)打擾到居民,場(chǎng)地也適合強(qiáng)夯作業(yè)。但是強(qiáng)夯法不能處理雜填土中的有機(jī)質(zhì)。

綜合考慮多種加固處理方法,確定采用“固化材料+強(qiáng)夯”的方法對(duì)項(xiàng)目中的雜填土路基進(jìn)行處理加固。

3 雜填土處理與加固方法的確定

鑒于雜填土路基成分復(fù)雜、污染物多且土質(zhì)疏松、承載力差等特點(diǎn),對(duì)其進(jìn)行加固處理時(shí),應(yīng)首先將樹(shù)枝、雜草、布料、塑料等不宜作為路基填筑材料的成分清理出去,然后盡可能碾碎其中的大顆粒土。若雜填土路基中含有大塊碎石類(lèi)土、建筑生活垃圾土或工業(yè)廢料土,優(yōu)先考慮強(qiáng)夯法。其次采取合適的方法對(duì)對(duì)雜填土進(jìn)行固化。綜合考慮水泥、石灰、固化劑等材料的特性,結(jié)合工程實(shí)際,并進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn),設(shè)置對(duì)照組,確定最佳的加固材料及最優(yōu)的配合比,使得加固土體密實(shí)度增加的同時(shí),不均勻性和高壓縮性得以減小甚至完全消除。最后本文在綜合考慮多種加固處理方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實(shí)際,創(chuàng)造性的采用“固化材料+強(qiáng)夯”的方法,在加固雜填土滿足性能要求的前提下,又可以簡(jiǎn)化施工、節(jié)約成本。有效避免傳統(tǒng)單一采用摻灰加固或強(qiáng)夯法的弊端[6]。

4 結(jié)論

綜上,本文主要闡述了五種常用的雜填土處理加固方法,分析了它們的加固原理、適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際工程,對(duì)各種方法進(jìn)行綜合分析,最終確定以一定配比的水泥、石灰、固化劑組成的材料進(jìn)行室內(nèi)雜填土的加固,并結(jié)合強(qiáng)夯加固方法對(duì)雜填土路基進(jìn)行加固。