就地固化設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)軟土地基承載特性影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

楊宏兵

（江蘇通州灣投資開發(fā)有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

近年來我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，沿海地區(qū)大量的港口碼頭貨物堆場(chǎng)工程陸續(xù)建設(shè)，貨物堆場(chǎng)普遍采用吹填造陸的方式進(jìn)行建設(shè)，面臨大量的吹填軟土地基加固工程。吹填土具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)排水固結(jié)方法加固需要數(shù)月至數(shù)年，施工周期長(zhǎng)，而就地固化技術(shù)是近年發(fā)展起來的軟土地基淺層快速加固技術(shù)，通過攪拌機(jī)械將土壤固化劑與軟土拌和，加固后在短期內(nèi)地基承載力快速提升，滿足使用要求，具有施工速度快、加固效果好的優(yōu)點(diǎn)。就地固化技術(shù)在沿海地區(qū)的港口碼頭及堆場(chǎng)建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用。

就地固化技術(shù)目前處于經(jīng)驗(yàn)積累階段，設(shè)計(jì)理論及理論研究落后于工程實(shí)踐。一般通過室內(nèi)試驗(yàn)確定固化土配合比，再通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定最終方案的設(shè)計(jì)參數(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)是研究地基處理方法加固效果最直觀有效的方法，我國(guó)學(xué)者展開了大量就地固化處理軟土地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，對(duì)方案設(shè)計(jì)參數(shù)的影響展開研究。文獻(xiàn)[1-4]采用不同的水泥、粉煤灰比例配置固化劑，研究了不同固化劑配比對(duì)加固效果的影響；王穎等[2]、魏雁冰等[5-6]采用了相同的固化劑配比和摻量，考慮了處理深度對(duì)就地固化加固效果的影響；王穎等[2]、徐亮等[7]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了固化劑摻量對(duì)就地固化加固效果的影響；王穎等[2]在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案中考慮了養(yǎng)護(hù)齡期的影響；章云等[8]、王穎等[9]分別考慮了泥漿比重、流量等工藝參數(shù)以及攪拌機(jī)械類型對(duì)加固效果的影響。吳雪婷等[10]研究了ISS-水泥聯(lián)合固化劑對(duì)淤泥的固化效果，確定了該方法的臨界水泥摻量。目前對(duì)就地固化固化劑摻量影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究較為簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中固化劑摻量的對(duì)比數(shù)量較少、樣本點(diǎn)較少，無法全面反映地基承載力隨固化劑摻量的變化規(guī)律。

本文依托江蘇某堆場(chǎng)軟基加固工程，開展固化劑摻量和齡期對(duì)就地固化處理軟土地基加固效果影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，研究成果可為類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

依托江蘇某港口多用途泊位工程后方道路堆場(chǎng)工程，開展固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化后地基承載特性影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分為2個(gè)試驗(yàn)區(qū)。試驗(yàn)區(qū)1（固化劑摻量）場(chǎng)地尺寸62 m×50 m，固化處理深度2.5 m；試驗(yàn)區(qū)2（養(yǎng)護(hù)齡期）場(chǎng)地尺寸50 m×40 m，固化處理深度2.0 m。土壤固化劑采用無機(jī)復(fù)合類固化劑，采用強(qiáng)力攪拌設(shè)備進(jìn)行固化劑與軟土拌和。

1.2 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)區(qū)場(chǎng)地原地貌為淺海灘涂，經(jīng)過水力沖填形成陸域。根據(jù)勘察報(bào)告，該場(chǎng)地表層為新近沉積土，填墊年限小于10 a，厚度6.70～9.70 m，底層標(biāo)高為-0.08～-3.42 m，主要由流泥、淤泥組成，呈灰—灰褐色，流塑—軟塑狀態(tài)，含有機(jī)質(zhì)，屬高壓縮性土。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)區(qū)1：采用無機(jī)復(fù)合類固化劑，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)固化劑摻量劃分為100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3等5個(gè)試驗(yàn)區(qū)，固化處理深度2.5 m。在養(yǎng)護(hù)7 d后進(jìn)行載荷試驗(yàn)測(cè)定地基承載力。

試驗(yàn)區(qū)2：采用無機(jī)復(fù)合類固化劑，固化劑摻量130 kg/m3，處理厚度2 m。分別在養(yǎng)護(hù)14 d、28 d后進(jìn)行載荷試驗(yàn)測(cè)定地基承載力。

各試驗(yàn)區(qū)不同摻量固化劑的配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)固化劑配合比設(shè)計(jì)Table 1 Mix proportion design of curing agent in test area

固化劑配比：礦渣粉選用S95強(qiáng)度以上的?；郀t礦渣粉，重量固定為36 kg/m3；水泥選用強(qiáng)度等級(jí)P.O42.5以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥用量=固化劑摻量-礦渣粉重量；水灰比按照1∶1（重量比）計(jì)算，即水用量=固化劑摻量；穩(wěn)定劑摻量原則上等于水泥摻量的0.1%。

現(xiàn)場(chǎng)攪拌：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用三維強(qiáng)力攪拌頭AM25/750對(duì)原位土進(jìn)行垂直上下攪拌。攪拌設(shè)備正向運(yùn)行逐漸深入攪拌并噴射固化劑，直至達(dá)到設(shè)計(jì)固化底部2.5 m深；當(dāng)遇到硬土層無法進(jìn)行垂直固化時(shí)，可采用原位翻松分層固化或者先用挖機(jī)輔助翻松、固化回填的方法進(jìn)行。場(chǎng)地處理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)固化土拌和Fig.1 Solidified soil mixing in test area

碾壓平整：固化攪拌完畢后1～2 d，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)固化區(qū)域進(jìn)行預(yù)壓處理，采用8～12 t光輪壓路機(jī)碾壓6～8遍至無明顯輪跡，保證攪拌后板體的整體性及表層土體的壓實(shí)度。

載荷試驗(yàn)：對(duì)于試驗(yàn)區(qū)1，在固化土攪拌完成并靜置養(yǎng)護(hù)7 d后，開展各試驗(yàn)區(qū)的載荷試驗(yàn)；對(duì)于試驗(yàn)區(qū)2，分別在養(yǎng)護(hù)14 d、28 d后開始載荷試驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

3.1 固化劑摻量的影響

不同固化劑摻量試驗(yàn)區(qū)的p-s曲線如圖2（a）所示。在載荷試驗(yàn)過程中，固化劑摻量為100 kg/m3和120 kg/m3試驗(yàn)區(qū)在加載至120 kPa時(shí)承壓板周邊土層出現(xiàn)明顯的側(cè)向擠出隆起，試驗(yàn)荷載無法保持穩(wěn)定并且逐漸下降，p-s曲線出現(xiàn)明顯的陡降，表明此時(shí)固化土地基已經(jīng)破壞，地基失穩(wěn)。由圖2（b）lgp-s曲線拐點(diǎn)法確定地基承載力特征值，固化劑摻量為100 kg/m3和120 kg/m3試驗(yàn)區(qū)的地基承載力特征值為30 kPa，固化劑摻量為130 kg/m3和140 kg/m3試驗(yàn)區(qū)的地基承載力特征值為60 kPa，固化劑摻量為160 kg/m3試驗(yàn)區(qū)的地基承載力特征值為90 kPa。上述結(jié)果表明固化后軟土地基的承載力隨固化劑摻量增加而提高。

圖2 不同固化劑摻量試驗(yàn)區(qū)的荷載-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of test areas with different dosage of curing agent

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)1方案，固化劑摻量為100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3的5個(gè)試驗(yàn)區(qū)，通過載荷試驗(yàn)的荷載-位移曲線（見圖2）換算，其變形模量依次為1.20 MPa、1.32 MPa、5.92 MPa、6.72 MPa和6.15 MPa，地基變形模量整體隨固化劑摻量增加而提高。特別指出，固化劑摻量為140 kg/m3的試驗(yàn)區(qū)在實(shí)際施工時(shí)固化處理深度為2.68 m，大于固化劑摻量為160 kg/m3的試驗(yàn)區(qū)的固化處理深度2.54 m，因此前者地基變形模量比后者稍大。

進(jìn)一步分析圖2可知，對(duì)于試驗(yàn)區(qū)1中不同固化劑摻量的試驗(yàn)地塊，固化劑摻量130 kg/m3為臨界固化劑摻量。當(dāng)試驗(yàn)地塊固化劑摻量小于130 kg/m3時(shí)，地基變形模量較小，在載荷試驗(yàn)中地基沉降迅速增大而很快發(fā)生破壞；而當(dāng)試驗(yàn)區(qū)固化劑摻量大于130 kg/m3時(shí)，地基變形模量顯著增大，地基承載力顯著提高，因而在載荷試驗(yàn)中發(fā)生破壞時(shí)的荷載較高。

3.2 養(yǎng)護(hù)齡期的影響

在試驗(yàn)區(qū)2開展養(yǎng)護(hù)齡期影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在工程現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一按固化劑摻量130 kg/m3、處理深度2 m的參數(shù)對(duì)吹填土進(jìn)行攪拌后，分別在養(yǎng)護(hù)14 d和28 d后對(duì)固化土場(chǎng)地進(jìn)行載荷試驗(yàn)。同時(shí)，在養(yǎng)護(hù)齡期影響分析中，加入加固方案類似的試驗(yàn)區(qū)1中固化劑摻量為130 kg/m3、固化處理深度為2.5 m、養(yǎng)護(hù)7 d的試驗(yàn)地塊，全面研究養(yǎng)護(hù)齡期（7d、14 d、28 d）對(duì)固化土地基承載特性的影響。

圖3為軟土固化后養(yǎng)護(hù)7 d、14 d和28 d后的載荷試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)就地固化后軟土地基的荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of different curing ages of soft soil foundation after in-situ curing

根據(jù)圖3可知，養(yǎng)護(hù)7 d后地基承載力特征值為60 kPa，而養(yǎng)護(hù)14 d和28 d后地基的承載力特征值分別為60 kPa和88 kPa。

對(duì)比圖3不同養(yǎng)護(hù)齡期試驗(yàn)區(qū)在加載至60 kPa時(shí)的地基沉降量，養(yǎng)護(hù)14 d固化后地基的沉降量小于養(yǎng)護(hù)7 d后地基的沉降量。表明經(jīng)過了固化處理后，軟土地基的承載力隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加得到了提高。

對(duì)比圖3養(yǎng)護(hù)14 d和養(yǎng)護(hù)28 d后軟土地基的荷載-位移曲線可知，養(yǎng)護(hù)14 d固化處理后軟土地基的荷載-位移曲線與養(yǎng)護(hù)28 d后非常接近，表明固化土在養(yǎng)護(hù)14 d后就已經(jīng)達(dá)到較高的地基承載力和變形模量。

對(duì)比養(yǎng)護(hù)7 d和養(yǎng)護(hù)14 d后軟土地基的變形模量（通過對(duì)圖3荷載-位移進(jìn)行換算）可知，養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)固化后軟土地基的變形模量為5.92 MPa，而在養(yǎng)護(hù)14 d時(shí)固化后軟土地基的變形模量就達(dá)到了89.83 MPa，表明就地固化后軟土地基的變形模量隨著養(yǎng)護(hù)齡期增大而快速提高。

綜上所述，采用就地固化技術(shù)對(duì)吹填軟土進(jìn)行加固能夠快速提高地基承載能力并減小壓縮性，對(duì)于工期緊張、場(chǎng)地承載力要求較高、且有變形控制要求的場(chǎng)地而言，就地固化技術(shù)是一種快速有效的新型軟基加固技術(shù)。

4 結(jié)語

依托江蘇某軟土地基加固工程，開展固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)就地固化處理后軟土地基承載特性影響的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，得到以下主要結(jié)論：

1）固化后軟土地基的承載力隨固化劑摻量增加而提高。固化劑摻量為100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3時(shí)地基承載力特征值分別為30 kPa、30 kPa、60 kPa、60 kPa和90 kPa。

2）本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中130 kg/m3為臨界固化劑摻量。固化劑摻量小于臨界摻量時(shí)，軟土地基在加載過程中很快發(fā)生側(cè)向隆起破壞；在固化劑摻量大于臨界摻量時(shí)，地基承載力顯著提高且不會(huì)發(fā)生破壞。

3）固化劑摻量小于臨界摻量時(shí)，固化后軟土地基變形模量較小，且在加載過程中很快破壞；當(dāng)固化劑摻量大于臨界摻量時(shí)，固化處理后軟土地基的變形模量隨固化劑摻量增加而提高，且不會(huì)發(fā)生破壞。

4）固化處理后軟土地基的承載能力隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加得到提高，養(yǎng)護(hù)7 d、14 d和28 d后的地基承載力特征值分別為60 kPa、60 kPa和88 kPa。并且養(yǎng)護(hù)齡期越大，相同荷載下地基沉降越小，加載至60 kPa時(shí)養(yǎng)護(hù)14 d后地基的沉降量小于養(yǎng)護(hù)7 d后的沉降量。

5）就地固化后軟土地基的變形模量隨著養(yǎng)護(hù)齡期增大而提高。固化后養(yǎng)護(hù)7 d后軟土地基的變形模量為5.92 MPa，在養(yǎng)護(hù)14 d后軟土地基的變形模量即達(dá)到89.83 MPa。