適用于軟土地基快速固化的土壤固化劑研究*

趙興濤

（北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100088）

隨著我國經(jīng)濟(jì)和社會的不斷發(fā)展，對于道路建設(shè)的需求也越來越多，而在道路建設(shè)施工過程中需要用到大量的土地資源，我國沿海地區(qū)的土地資源又比較緊缺，因此，需要尋找其他類型的資源以滿足日益增長的道路建設(shè)需求[1-3]。我國沿海地區(qū)的軟土資源比較豐富，主要包括淤泥質(zhì)土、泥炭質(zhì)土、雜填土以及沖填土等。軟土一般具有含水量大、滲透性差、孔隙比高、壓縮性高以及強(qiáng)度低的特點，通常不能直接用于道路建設(shè)工程施工，需要對其進(jìn)行固化加固處理，以滿足道路建設(shè)施工的需求[4-7]。

目前，針對軟土地基加固的處理方法主要有復(fù)合地基處理法、強(qiáng)夯法、排水固結(jié)法、真空預(yù)壓法以及土壤固化劑法等[8-11]，其中土壤固化劑法是近年來軟土地基加固處理研究較多的一種方法，也是一種新興的地基處理方法，已在實際道路建設(shè)施工過程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。此類方法的關(guān)鍵是土壤固化劑的選擇，目前，較為常用的土壤固化劑類型主要包括無機(jī)固化劑（水泥、石灰、水玻璃、粉煤灰以及其他工業(yè)礦渣廢料等）、有機(jī)固化劑（高分子聚合物類）、離子固化劑以及復(fù)合型固化劑等[12-16]。其中不同類型的單一固化劑對于不同區(qū)域軟土土壤的固化效果差異較大，需要考慮固化劑的適應(yīng)性。因此，本文以沿海地區(qū)某灘涂場地的軟土樣品為研究對象，開展了適用于軟土地基快速固化的土壤固化劑優(yōu)選實驗研究，以無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定系數(shù)為評價指標(biāo)，主要考察了常用的土壤固化劑水泥、HAS以及復(fù)合型土壤固化劑（GS-1、GS-2 和GS-3）對目標(biāo)軟土樣品的加固效果，以期為沿海地區(qū)道路建設(shè)施工提供一定的技術(shù)支持。

1 實驗部分

1.1 材料及儀器

實驗用軟土樣品取自沿海地區(qū)某灘涂場地（屬于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，基本物性參數(shù)見表1）；普通硅酸鹽水泥PO42.5（河北兆燁建材科技有限公司）；HAS 土壤固化劑（市售）；復(fù)合型土壤固化劑GS-1、GS-2 和GS-3 均為實驗室自制。

表1 實驗用軟土樣品的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of experimental soft soil samples

YYW-2 型應(yīng)變控制式無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測定儀（鈺展儀器設(shè)備（滄州）有限公司）；ZGH 型實驗室小型高速攪拌機(jī)（常州市孝昌干燥設(shè)備有限公司）；ZP-12 型三維混凝土振動平臺（河南新斯曼機(jī)械設(shè)備有限公司）；90B 型恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱（河北華偉試驗儀器有限公司）。

1.2 土壤固化劑性能評價方法

1.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實驗 首先，參照CJ/T 486-2015《土壤固化外加劑》的要求，在實驗用軟土樣品中加入不同類型以及不同加量的土壤固化劑，攪拌混合使土樣達(dá)到均勻的狀態(tài)，制備出不同壓實度的圓柱狀固化土試樣，其尺寸均為50mm×100mm。

然后，參照J(rèn)TG E40-2007《公路土工試驗規(guī)程》的要求，測定不同固化土試樣在養(yǎng)護(hù)一定齡期后（3d）的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

1.2.2 水穩(wěn)定性實驗 以水穩(wěn)定系數(shù)為評價指標(biāo)，考察土壤固化劑對軟土試樣水穩(wěn)定性的影響。具體實驗步驟為：按照1.2.1 中的方法制備出尺寸均為50mm×100mm 的固化土試樣，然后將試樣在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)3d，養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到最后24h 時將固化土試樣進(jìn)行浸水處理，浸水處理完畢后擦去試樣表面的水分，測定試樣浸水后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc1，并與試樣浸水前的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Rc0相比，計算其水穩(wěn)定系數(shù)S，計算公式見式（1）。

式中 S：水穩(wěn)定系數(shù)，%；Rc0：固化土試樣浸水前的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，MPa；Rc1：固化土試樣浸水后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值，MPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果

2.1.1 土壤固化劑類型的影響 按照1.2.1 中的實驗方法，考察了不同類型土壤固化劑對固化土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，其中土壤固化劑的加量均為10%，固化土的壓實度均為96%，實驗結(jié)果見圖1?？瞻总浲翗悠返臒o側(cè)限抗壓強(qiáng)度較小，無法測定。

圖1 不同類型土壤固化劑對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of different types of soil stabilizer on unconfined compressive strength

由圖1 可見，加入不同類型土壤固化劑的固化土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差別較大，其中土壤固化劑GS-2 對固化土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提升效果最好，當(dāng)其加量為10%時，可使固化土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增大至2.84MPa。這是由于GS-2 是由水泥、新型高分子活化劑、激發(fā)劑以及分散劑等組成的復(fù)合型土壤固化劑，其能通過與軟土顆粒接觸來激發(fā)軟土顆粒自身的活性，改變軟土顆粒的結(jié)構(gòu)，抑制其吸水膨脹的特性，進(jìn)而達(dá)到顯著提升土壤強(qiáng)度的目的。因此，以固化土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為評價指標(biāo)，選擇GS-2 作為軟土地基快速固化用土壤固化劑并繼續(xù)進(jìn)行下一步加量的優(yōu)化實驗。

2.1.2 土壤固化劑加量的影響 按照1.2.1 中的實驗方法，考察了土壤固化劑不同加量對固化土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，其中土壤固化劑類型均為GS-2，固化土的壓實度均為96%，實驗結(jié)果見圖2。

圖2 土壤固化劑加量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of soil stabilizer dosage on unconfined compressive strength

由圖2 可見，隨著土壤固化劑GS-2 加量的不斷增大，固化土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當(dāng)土壤固化劑GS-2 的加量達(dá)到12%時，固化土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值可以提升至3MPa 以上，再繼續(xù)增大土壤固化劑GS-2 的加量，固化土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值增大的幅度逐漸減小。因此，綜合考慮軟土地基的固化效果和經(jīng)濟(jì)成本等因素，以固化土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為評價指標(biāo)，選擇土壤固化劑GS-2 的最佳加量為12%。

2.1.3 固化土壓實度的影響 按照1.2.1 中的實驗方法，考察了固化土壓實度對固化土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，其中土壤固化劑類型均為GS-2，土壤固化劑的加量均為12%，實驗結(jié)果見圖3。

圖3 固化土壓實度對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of compaction degree of solidified soil on unconfined compressive strength

由圖3 可見，隨著固化土試樣壓實度的不斷增大，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當(dāng)固化土的壓實度由90%增大至100%時，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值可由2.57MPa 增大至3.24MPa，提升幅度達(dá)到了26.07%。這是由于固化土的壓實度越大，固化土越密實，內(nèi)部結(jié)構(gòu)就相對更為穩(wěn)定，從而提升了其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。因此，在實際施工過程中，為了更好的提升軟土地基的強(qiáng)度，應(yīng)盡可能的增大固化土的壓實度。

2.2 水穩(wěn)定性實驗結(jié)果

2.2.1 土壤固化劑類型的影響 按照1.2.2 中的實驗方法，以水穩(wěn)定系數(shù)為評價指標(biāo)，考察了不同類型土壤固化劑對固化土試樣水穩(wěn)定性的影響，其中土壤固化劑的加量均為10%，固化土的壓實度均為96%，實驗結(jié)果見圖4?？瞻总浲翗悠酚鏊幢懒?，無法測定水穩(wěn)定系數(shù)。

圖4 不同類型土壤固化劑對水穩(wěn)定性的影響Fig.4 Effect of different types of soil stabilizer on water stability

由圖4 可見，土壤固化劑類型對固化土試樣的水穩(wěn)定系數(shù)影響較大，水泥作為固化劑時固化土試樣的水穩(wěn)定系數(shù)較低，僅為58.3%。而土壤固化劑GS-2 的效果相對更好，當(dāng)其加量為10%時，可使固化土試樣的水穩(wěn)定系數(shù)增大至85.7%。這是由于土壤固化劑GS-2 中的活性成分能夠通過改變土壤顆粒的結(jié)構(gòu)和活性等作用來提升其穩(wěn)定性能，從而使軟土土壤具有良好的防水和防滲透效果，增強(qiáng)其耐水性能。因此，以固化土試樣的水穩(wěn)定性為評價指標(biāo)，同樣選擇GS-2 作為軟土地基快速固化用土壤固化劑并繼續(xù)進(jìn)行下一步加量的優(yōu)化實驗。

2.2.2 土壤固化劑加量的影響 按照1.2.2 中的實驗方法，以水穩(wěn)定系數(shù)為評價指標(biāo)，考察了土壤固化劑不同加量對固化土試樣水穩(wěn)定性的影響，其中土壤固化劑類型均為GS-2，固化土的壓實度均為96%，實驗結(jié)果見圖5。

圖5 土壤固化劑加量對水穩(wěn)定性的影響Fig.5 Effect of soil stabilizer dosage on water stability

由圖5 可見，隨著土壤固化劑GS-2 加量的不斷增大，固化土試樣的水穩(wěn)定系數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當(dāng)土壤固化劑GS-2 的加量達(dá)到12%時，固化土試樣的水穩(wěn)定系數(shù)即可以增大至90%以上，再繼續(xù)增大土壤固化劑GS-2 的加量，固化土試樣的水穩(wěn)定系數(shù)增大的幅度逐漸減小，這與1.2.2 中的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果基本一致。因此，綜合考慮軟土地基的強(qiáng)度、水穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)成本等因素，選擇土壤固化劑GS-2 的最佳加量為12%。

2.2.3 固化土壓實度的影響 按照1.2.2 中的實驗方法，以水穩(wěn)定系數(shù)為評價指標(biāo)，考察了固化土壓實度對固化土試樣水穩(wěn)定性的影響，其中土壤固化劑類型均為GS-2，土壤固化劑的加量均為12%，實驗結(jié)果見圖6。

圖6 固化土壓實度對水穩(wěn)定性的影響Fig.6 Effect of compaction degree of solidified soil on water stability

由圖6 可見，隨著固化土試樣壓實度的不斷增大，試樣的水穩(wěn)定系數(shù)同樣呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。當(dāng)固化土的壓實度為90%時，試樣的水穩(wěn)定系數(shù)較低（僅為72.5%），而當(dāng)固化土的壓實度增大至100%時，試樣的水穩(wěn)定系數(shù)則可增大至93.5%，與壓實度為90%時相比，水穩(wěn)定系數(shù)提升了28.97%，這與

2.1.3 中的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果基本一致。這是由于固化土試樣的壓實度越大，越會壓縮土壤顆粒的毛細(xì)管中的水分，致使其內(nèi)壓降低，使毛細(xì)管中的結(jié)合水逐漸變成自由水；另外，土壤固化劑GS-2 中的表面活性劑成分會吸附在土壤顆粒表面，疏水基團(tuán)朝向外部，大大降低土壤顆粒的親水性，使其不易吸水膨脹，從而達(dá)到提高固化土試樣水穩(wěn)定性的目的。 因此，在實際施工過程中，應(yīng)盡可能的增大固化土的壓實度，以最大程度的提升其水穩(wěn)定性。

3 結(jié)論及建議

（1）土壤固化劑的加入能夠不同程度的提升目標(biāo)軟土樣品的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性能，其中土壤固化劑GS-2 的效果最好，隨著GS-2 加量以及固化土壓實度的不斷增大，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定系數(shù)均逐漸增大，當(dāng)GS-2 的加量為12%、固化土壓實度為96%時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值可以達(dá)到3.05MPa，水穩(wěn)定系數(shù)可以達(dá)到90.3%。

（2）土壤固化劑GS-2 能夠滿足軟土地基的快速固化需求，建議在實際施工過程中，根據(jù)工程需要選擇合適的土壤固化劑加量，并盡可能的提高固化土的壓實度。