土壤固化在城市道路淤泥質(zhì)土軟弱地基處理中的應(yīng)用

楊科學(xué) 中國鐵工投資建設(shè)集團(tuán)有限公司城市建設(shè)分公司

土壤固化是通過一定配比的土體固化劑與土體拌合后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成一定特性的固化土。固化土的特性包括抗壓抗剪性能、沉降開裂變形性能及水穩(wěn)干濕性能。在施工中，固化劑配合比和施工工藝的控制對固化土影響較大。

1 土壤固化的原理

土壤固化的原理為，采用化學(xué)方法對淤泥質(zhì)軟土進(jìn)行固化，通過添加環(huán)保型無機(jī)復(fù)合型固化材料（主要由含二氧化硅、氧化鈣等成分的無機(jī)類原材料制成）與原土進(jìn)行攪拌，使得固化劑、土顆粒和水發(fā)生一系列水化反應(yīng)與離子交換反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)（C—S—H—水化硅酸鈣和Aft—鈣礬石等），從而凝結(jié)、包裹土中的細(xì)小顆粒，使之團(tuán)?；瑫r在團(tuán)粒間生成針絮狀物質(zhì)填充空隙，最終形成具備一定強(qiáng)度、壓縮性較低、整板性好、穩(wěn)定性高、短期內(nèi)可開挖再回填的土體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)軟土地基向工程地基的轉(zhuǎn)換[1]。

2 固化土的性能

2.1 耐久性

固化土作為無機(jī)化學(xué)作用下的改良地基土，其固化原理類似于混凝土的凝結(jié)硬化原理，屬于硅酸鹽類反應(yīng)，其化學(xué)反應(yīng)過程不可逆。圖1 為南京龍袍項(xiàng)目市政道路試驗(yàn)段淤泥質(zhì)土軟弱地基固化后的強(qiáng)度生長曲線，固化土強(qiáng)度隨時間推移不斷增長，最后達(dá)到穩(wěn)定。

淤泥質(zhì)土中加入固化劑后，早期強(qiáng)度生長較快，14 d、28 d 為快速生長期，28 d 后強(qiáng)度增長速率減慢，但仍然持續(xù)緩慢提升，360 d 后的固化土強(qiáng)度約為28 d 時的1.2 倍。原因如下：固化劑中的無機(jī)膠凝材料與淤泥及水發(fā)生一系列水化和水解反應(yīng)，產(chǎn)生大量水化膠凝產(chǎn)物以及結(jié)晶物質(zhì)，膠結(jié)、包裹淤泥中的土顆粒，并形成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而使淤泥具備一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。隨著水化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，大部分有效成分參與早期快速反應(yīng)，而一些早期未參與反應(yīng)的惰性反應(yīng)物質(zhì)開始逐漸參與反應(yīng)（例如固化劑與淤泥中的次生礦物成分），因此強(qiáng)度增長在早期較為快速、激烈，后期雖大幅度減緩，但仍可處于長期反應(yīng)狀態(tài)。同時，由于水化反應(yīng)是不可逆的，三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在不受外力破壞的情況下可長期保持穩(wěn)定，因此可以保證固化土強(qiáng)度性能長期穩(wěn)定，不會出現(xiàn)隨著時間的推移強(qiáng)度降低或性能衰減的情況。

2.2 水穩(wěn)定性

淤泥中加入固化劑后，土顆粒與固化劑之間發(fā)生離子交換作用，使得土顆粒表面吸附的結(jié)合水膜被阻斷，黏土顆粒上的電勢被破除，細(xì)小的黏土顆粒發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的凝聚作用，產(chǎn)生膠結(jié)性土體顆粒，填充到固化土孔隙之中，形成不規(guī)則的骨架結(jié)構(gòu)，從而大大減少、阻隔水的附著和毛細(xì)上升現(xiàn)象，進(jìn)一步提高土體的水穩(wěn)性。同時，固化土是親水性材料，不會因地下水或雨水浸潤而開裂崩解。此外，固化土還具有良好的抗?jié)B性能，能夠有效阻隔水體滲透，保持土體的整板性。

2.3 二次開挖及回填

為滿足后期建設(shè)需求，道路路基或場地基礎(chǔ)在固化完成后可進(jìn)行二次開挖鋪設(shè)管道，開挖出的固化土可作為常規(guī)土基材料回填使用。如果對管道上方回填土方有特定性能要求，也可加入適量固化劑摻拌，再回填碾壓[3]。

3 淤泥質(zhì)土軟弱地基土壤固化的具體應(yīng)用

3.1 固化液劑的配合比設(shè)計

固化液劑的配合比設(shè)計要依據(jù)現(xiàn)場的土壤性質(zhì)進(jìn)行，不同地區(qū)或區(qū)域的土質(zhì)情況不同，需要進(jìn)行土質(zhì)檢測試驗(yàn)后進(jìn)行最優(yōu)的固化劑液配合比設(shè)計，以此確保后期土壤固化后固化土的基本力學(xué)性能。

采用土壤固化配合比設(shè)計試驗(yàn)時，應(yīng)選用3 個不同固化劑摻加量進(jìn)行對比試驗(yàn)，其中基準(zhǔn)配合比外加劑摻量為產(chǎn)品使用說明書中的推薦用量，另外兩個配合比的外加劑摻量比產(chǎn)品推薦用量分別增加和減少25%，試驗(yàn)土料的粒徑不應(yīng)大于4.75 mm。試驗(yàn)測定固化土試件7 d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，應(yīng)根據(jù)對比試驗(yàn)結(jié)果確定選用的土壤固化外加劑及摻量。

3.2 土壤固化施工工藝流程

土壤固化施工工藝流程如下。

施工準(zhǔn)備→基槽開挖（土料取備）→液劑制備→拌合施工→機(jī)械碾壓→整型養(yǎng)護(hù)。

3.3 固化液劑的制備施工方法

3.3.1 罐槽式液劑施工

罐槽式液劑施工即采用專業(yè)化液劑施工工藝和成套設(shè)備進(jìn)行固化處理。液劑施工工藝包含后臺制漿設(shè)備和前端固化處理設(shè)備。后臺系統(tǒng)將固化劑制漿后，利用泥漿泵輸送液劑至前端挖掘機(jī)處摻合攪拌。制漿器容量為1 ～6 m3，后臺制漿設(shè)備單位制漿量為16 ～36 m3/h。此方法可連續(xù)制備固化劑液劑，適用于大面積、規(guī)模化施工。

3.3.2 基槽式液劑施工

在拌合區(qū)域現(xiàn)場開挖液劑制備基槽，槽內(nèi)定量灌水后，按量將固化劑噸包袋半沉入基槽池中開包摻入，將漿液攪拌均勻，再由挖機(jī)將液劑轉(zhuǎn)運(yùn)至周邊。此方法靈活機(jī)動，可就地制備。

3.4 土壤固化施工步驟

路段路基固化土施工一般分兩步進(jìn)行：第一步，開挖至設(shè)計底標(biāo)高以上約50 cm 處，對深約50 cm 的淤泥質(zhì)土采取原位攪拌基本拍實(shí)的方法處理；第二步，將開挖出的淤泥質(zhì)土進(jìn)行異位固化，待原位攪拌的淤泥固化土存在一定反力后進(jìn)行分層回填，并使用挖掘機(jī)拍實(shí)[4]。具體施工工序如下。

3.4.1 定位放樣

測量放樣前所需要的測量設(shè)備必須經(jīng)過檢測機(jī)構(gòu)標(biāo)定，現(xiàn)場所用的控制點(diǎn)位復(fù)測無誤后，由專業(yè)測量人員現(xiàn)場測量放樣，標(biāo)識出道路路基和場地基礎(chǔ)需要固化的范圍，測量放樣要加強(qiáng)復(fù)核，避免出現(xiàn)不必要的錯誤。

3.4.2 機(jī)械準(zhǔn)備

機(jī)械準(zhǔn)備是整個施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是影響施工進(jìn)展的關(guān)鍵因素。根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)展情況和施工計劃要求合理選擇施工機(jī)械，土壤固化施工用到的機(jī)械包括挖掘機(jī)、壓路機(jī)、推土機(jī)、平地機(jī)、裝載機(jī)、小型運(yùn)土車、液劑固化設(shè)備、霧泡機(jī)及負(fù)壓風(fēng)機(jī)等。以上機(jī)械要根據(jù)試驗(yàn)段的施工工藝合理選型，最終達(dá)到資源配置最優(yōu)化。

3.4.3 材料準(zhǔn)備

由專業(yè)廠家提供固化劑，根據(jù)試驗(yàn)檢測所得的配合比，結(jié)合現(xiàn)場施工進(jìn)度現(xiàn)場制備成液劑。固化劑進(jìn)場必須有相應(yīng)的質(zhì)量檢測證明文件，進(jìn)場后需要按照要求抽樣復(fù)檢，檢測合格后方可用于施工。

3.4.4 清理場地

清除場地表層的雜物，清表厚度約30 cm，同時對施工區(qū)域進(jìn)行整平。視現(xiàn)場土質(zhì)情況，嚴(yán)格控制開挖深度，將開挖出的土料按序堆放在選定的場地備用，與開挖出來的基坑保持一定的距離。如果采用整體開挖方式直接開挖至設(shè)計處理深度，則開挖坑槽容易發(fā)生邊坡失穩(wěn)或基低隆起等情況，因此開挖至設(shè)計底標(biāo)高以上約50 cm 處。

3.4.5 固化攪拌

將施工區(qū)域按照一定的標(biāo)準(zhǔn)劃分區(qū)域，通過加強(qiáng)對每個區(qū)域開挖土方的注料以及攪拌的精細(xì)化管理，以保證施工區(qū)域均勻摻入固化劑，做到對整個區(qū)域的施工質(zhì)量把控。

根據(jù)實(shí)際方量按照要求控制產(chǎn)量，確保按摻量均勻攪拌。攪拌要求如下。

第一，按設(shè)計要求，配料應(yīng)準(zhǔn)確，拌合應(yīng)均勻[5]。第二，采用挖掘機(jī)反復(fù)攪拌混合物，使固化劑漿液和淤泥充分接觸，以獲得良好的效果。第三，單獨(dú)使用挖掘機(jī)攪拌時，為保證攪拌效率，每次攪拌方量宜在12 m3左右，攪拌時間控制在25 min 左右。普通挖機(jī)拌完固化土進(jìn)行集中打堆，然后使用挖機(jī)和推土機(jī)進(jìn)行回填整平。第四，固化土攪拌后，應(yīng)無固化劑塊狀物質(zhì)，確保色澤一致、均勻。第五，潮濕地區(qū)或多雨季節(jié)施工時，應(yīng)采取下墊上蓋措施，保護(hù)好固化劑物料，防止?jié)B漏或雨淋。

3.4.6 回填碾壓

將拌合好的固化土逐層向上回填，每層回填的厚度控制在30 cm，并且采用6 ～8 t 壓路機(jī)碾壓至無明顯輪跡。

3.4.7 工后養(yǎng)護(hù)

固化場地完成后即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，若出現(xiàn)連續(xù)高溫暴曬等情況，應(yīng)適當(dāng)曬水。固化土養(yǎng)護(hù)齡期一般為28 d，該養(yǎng)護(hù)齡期可視整體結(jié)構(gòu)及初期使用情況進(jìn)行調(diào)整。整個養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，固化土采用薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度處于不斷增長狀態(tài)。在其養(yǎng)護(hù)未達(dá)到要求養(yǎng)護(hù)齡期之前，未經(jīng)允許應(yīng)禁止各類車輛通行。

3.4.8 抑塵防水措施

第一，固化土施工采用液劑施工，并用霧炮等輔助設(shè)施避免揚(yáng)塵，對土易飛揚(yáng)的顆粒狀材料應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密覆蓋，以免揚(yáng)塵。第二，施工現(xiàn)場定時進(jìn)行灑水，使地（路）面保持濕潤，確保小風(fēng)不飛土、大風(fēng)無揚(yáng)塵。第三，施工現(xiàn)場內(nèi)派專人清掃，做好監(jiān)控記錄，保持施工現(xiàn)場整潔。第四，及時關(guān)注氣象預(yù)報，避開雨天施工，施工現(xiàn)場要設(shè)置排水溝、擋水臺等防水措施，避免雨水浸泡土體。

3.5 固化土的工程質(zhì)量檢測

3.5.1 材料（固化劑）檢測

固化劑為一種環(huán)保型無機(jī)復(fù)合型固化材料，主要由含二氧化硅、氧化鈣等成分的無機(jī)類原材料制成，原材料的各項(xiàng)性能均符合國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，其主要檢測的項(xiàng)目應(yīng)包括含水率、密度、細(xì)度、燒失量。

3.5.2 施工檢測

施工質(zhì)量檢測可分為施工過程檢測和工后檢測。第一，施工過程檢測。目測：對攪拌后的固化土進(jìn)行目測，看顏色是否均勻，是否有灰條等，保證固化材料與軟土能夠均勻攪拌。試驗(yàn)檢測：拌合前需要測定土樣的含水率和密度，控制其含水率范圍，保證固化效果。對已拌和好的固化土散土進(jìn)行抽樣制模，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試，一般5 d 齡期的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到50 kPa，由此判定固化土反應(yīng)是否啟動。第二，工后檢測。固化土養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)28 d 時，地基承載力檢測可依據(jù)參照《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)格》（JGJ340—2015）規(guī)范進(jìn)行輕型動力觸探或平板荷載試驗(yàn)。

4 土壤固化施工中要注意的主要問題

4.1 固化土配合比設(shè)計要點(diǎn)

第一，嚴(yán)格控制土壤固化劑的摻量，其摻量并非越多越好，某些土質(zhì)中的摻量過高會引起嚴(yán)重的收縮開裂，故應(yīng)合理選擇摻入量，其最終摻量需要通過試驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合評定來確定。第二，做好土質(zhì)檢測工作，要在將要施工的部位取樣，并且所取的土樣要具有代表性，如果施工中存在多種土質(zhì)，則需要全部取樣試驗(yàn)，并分別進(jìn)行配合比設(shè)計，也就是說配合比設(shè)計要齊全。

4.2 施工過程關(guān)鍵控制點(diǎn)

第一，固化劑進(jìn)場前應(yīng)查驗(yàn)各批次產(chǎn)品的出廠質(zhì)量檢驗(yàn)報告并進(jìn)行復(fù)檢和固化試驗(yàn)。

第二，固化土的本體材料是涂料，土料的粗細(xì)程度、液限、塑限、塑性指數(shù)、有機(jī)質(zhì)含量等都會影響固化土的固化效果，在施工中所選用的固化土必須符合要求，確保有機(jī)質(zhì)含量不高于10%。

第 三， 固化土施工應(yīng)避開低溫，施工應(yīng)在5 ℃以上的環(huán)境中進(jìn)行，施工前應(yīng)進(jìn)行測量、分區(qū)、分段，必須在固化土混合料凝結(jié)時間內(nèi)完成，避免浪費(fèi)土料和固化劑。

第四，采用人工配合機(jī)械進(jìn)行平整，按照要求布料厚度進(jìn)行布料，預(yù)定松鋪厚度和寬度應(yīng)滿足規(guī)范或方案要求。

第五，施工時要隨時檢驗(yàn)拌和物的勻質(zhì)性，拌和必須達(dá)到下層，層底不能留有未摻拌的“土料”夾層，邊緣不得留有土料或混合料未拌和的空白區(qū)，對局部機(jī)械拌合不均勻的部位采用人工補(bǔ)拌。

第六，固化土養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)封閉交通。除灑水車外嚴(yán)禁其他車輛通過。

5 結(jié)語

與排水法、排水預(yù)壓法、拋石擠淤、樁基法等軟弱地基處理的方式相比，土壤固化法不僅施工環(huán)保，而且能夠充分利用土資源，達(dá)到節(jié)約資源的效果，減少項(xiàng)目的整體投資。但在施工過程中，一定要根據(jù)土壤情況設(shè)計液劑配合比，并做好工程實(shí)體質(zhì)量檢測工作，以便為開展后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)。