无机土壤固化剂路基改良效果及应用研究

高震宇

(山西省交通新技术发展有限公司，太原 030032)

路基质量作为公路工程建设质量控制最重要、 最基础环节， 路基材料及填筑质量的好坏直接影响着公路建设质量。由于我国幅员辽阔，部分地区土体并不能满足路基填筑要求， 必须对土体进行一定改良才能满足路用性能要求。目前应用广泛的改良方式有石灰、水泥等无机结合料改性， 但上述改性方法均存在不同程度应用实际问题，如石灰改良存在早期强度低、强度增长慢等缺点，水泥改性则存在收缩隐患大，裂缝难以控制等问题[1-4]。相关研究表明，土壤固化剂作为一种新型的土体改良方案，正逐渐受到广泛应用。 土壤固化剂种类较多，包括无机类、有机类、生物酶类及复合类等，广泛用于地基处理、公路工程、水利工程等土体改良应用中。无机土壤固化剂作为其中一种，具有成本低、强度稳定性好等优点，具有较大的潜在利用价值。 无机土壤固化剂一般以水泥、石灰、粉煤灰等为主剂，然后掺加一定量激发剂制备产生，主要以粉末状存在。 无机土壤固化剂改良土体机理在于其可先与土体中自由水发生反应，生成胶凝性产物，胶凝性产物可与土体中相关活性矿物继续反应生成纤维状晶体结构，上述反应产物在土体混合物中形成网状结构，促进土体理、化及性质发生改变[5-10]。

研究拟选取一种常用无机土壤固化剂，对不同土体进行改良， 通过比较土体改良前、 后相关指标改变，并结合工程实例分析无机土壤固化剂对路基土体的改良效果，期望为相关路基土体改良提供新的处治方案。

1 试验方案设计

依托某新建高速公路项目， 选取两段不同土质路基段落取样，分别标记为A、B 段落，土样标记为A 土样、B土样。为了分析无机土壤固化剂对两段土体的改良效果，进行室内土体性能试验分析，分别进行界限含水率、击实试验(确定最佳含水率及最大干密度)、无侧限抗压强度试验及固结试验等， 比较无机土壤固化剂对各性能指标影响，然后在上述A、B 段落进行改良试验段，以探讨无机土壤固化剂改良方案的可行性。其中，无机土壤固化剂采用与水混合然后掺入土体拌和的方法， 固化剂与土体掺配比例为1∶30。为方便标记，将掺加固化剂前后土体分别标记为A、A+GH、B、B+GH。

2 试验结果分析

2.1 界限含水率试验

界限含水率作为土体重要工程特性参数，包括液限、塑限和缩限等指标。 为研究固化剂对上述参数的影响规律，对4 种土体进行液塑限试验。其中，液限、缩限试验分别采用圆锥仪法与搓条法。 由于A 类土粘性较差， 采用搓条法不能达到试验终点， 采用液限仪当落锥锥入深度为3 mm 时判定达到塑限。4 种土体界限含水率测试结果如图1 所示。

图1 4 种土体液塑限测试结果

由图1 分析可知：

(1)根据塑性指数计算公式：塑性指数(Ip)=液限(ωc)-缩限(ωp)，计算各土体塑性指数如表1 所示。 根据土体划分依据，可判定，A 土体为粉体、B 土体为粉质黏土，且土壤固化剂改性后土体性质并未发生本质变化。

表1 4 种土体塑性指数

(2)整体而言，加入土壤固化剂后，土体液限、缩限并无显著变化规律。 其中，A 土体液限、缩限值均减小；B 土体液限、缩限值均增大，但各土体变化幅度均较小，表明土壤固化剂对土体界限含水率影响较小。

2.2 击实试验

参照土工试验规范， 为确定上述4 种土体最佳含水率与最大干密度，采用轻型击实试验进行确定。根据击实试验结果进行最佳含水率与最大干密度计算， 计算结果见表2。

表2 4 种土体最大干密度及最佳含水率

由表2 分析可知：

(1)随着土壤固化剂掺入，两种土体最佳含水率均增大，增幅分别为0.4%、0.6%。

(2)随着土壤固化剂掺入，两种土体最大干密度均增大，其中A 土体增幅较小，为0.02 g/cm3，B 土体增幅相对较大，为0.07 g/cm3。 由于相对而言，B 土体黏土颗粒含量较大，表明土壤固化剂对黏性土改性效果更显著。

上述变化主要原因在于土壤固化剂加入后， 其可将土体颗粒表层水置换，增大了水的吸收率，同时也减小了土颗粒之间的相对距离， 使得单位体积内土体颗粒含量增大，进而提高了土体最大干密度。

2.3 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度作为土体室内试验强度主要评价指标，一定程度上可反映土体填筑后承载性能。参照土工试验规范， 按照96%压实度进行无侧限抗压强度试验试件制作。 试件制备完成后分3 种试验条件进行养护：①自然风干7 d；②保湿养护7 d；③保湿养护28 d。将4 种土体、3 种养护条件试件进行无侧限抗压强度试验， 试验结果见表3。

表3 4 种土体、3 种养护条件试件无侧限抗压强度试验结果

由表3 分析可知：

(1)比较各土体无侧限抗压强度变化规律，两种土体在保湿养护条件下7d 强度与28d 养护条件强度变化均较小， 而风干状态下无侧限抗压强度显著高于保湿状态下强度，且A 土样保湿状态下无侧限抗压强度较风干状态减小幅度明显。 这是由于A 土样为粉质土，保湿状态下由于含水率增大将导致强度衰减显著小于粉质黏土。

(2)对比土壤固化剂对两种土体无侧限抗压强度改善效果，相同养护条件下，土壤固化对B 土样强度提高幅度显著高于A 土样，增幅分别为其2.3、11.7、13.3 倍。 表明土壤固化剂对黏性成分较高土体强度改善效果明显优于粉质土。

(3)比较土壤固化剂对风干土体与保湿土体强度改善效果， 土壤固化剂对保湿土样强度提高幅度显著高于风干试样。 结果显示土壤固化剂对土体有水养护条件下强度具有更明显的改善效果， 表明土壤固化剂可显著改善土体的水稳定性。

2.4 土体固结试验

土体固结试验是土体在完全侧限条件下压缩变形性能，可测定孔隙比、压缩系数、压缩模量等指标，对土体填筑后工后沉降扽判断、计算具有重要作用。对上述4 种土体进行土体固结试验，试验结果如表4 所示：

表4 土体固结试验结果

由表4 分析可知：

(1)整体而言，随着土壤固化剂的加入，土体压缩系数均减小，压缩模量均较大，表明土壤固化剂对土体压缩特性具有明显的改善效果。

(2)比较土壤固化剂对A、B 土体的改善效果，发现B土体较A 土体压缩系数、压缩模量增大幅度或减小幅度均接近A 土样变化幅度2 倍。 表明土壤固化剂对粉质黏土压缩特性改善效果优于粉质土。

3 工程实例

在上述A、B 段落各选取试验段200 m， 分别改用无机固化剂进行土体改良，在填筑、碾压施工完成后分别进行压实度、弯沉、回弹模量等质量检测，检测结果如表5所示。检测结果表明，两段试验段所有检测结果均符合规范及设计要求。

表5 试验段质量检测结果

4 结论

依托某新建高速公路项目，选取A、B 两段不同土质路基试样，采用土壤固化剂对两段土体进行改良，分别对改良前后土体进行界限含水率试验、击实试验(确定最佳含水率及最大干密度)、无侧限抗压强度试验以及固结试验等，比较无机土壤固化剂对各性能指标影响，得出如下结论：

(1)加入土壤固化剂后，土体液限、缩限并无显著变化规律，各土体变化幅度均较小，表明土壤固化剂对土体界限含水率影响较小。

(2)随着土壤固化剂掺入，两种土体最佳含水率、最大干密度均增大。 相对而言，B 土体黏土颗粒含量较大，表明土壤固化剂对黏性土改性效果更显著。

(3)相同养护条件下，土壤固化对B 土样强度提高幅度显著高于A 土样，增幅分别为其2.3、11.7、13.3 倍。 表明土壤固化剂对黏性成分较高土体强度改善效果明显优于粉质土。 结果显示，土壤固化剂对土体有水养护条件下强度具有更明显的改善效果， 表明土壤固化剂可显著改善土体的水稳定性。

(4)随着土壤固化剂的加入，土体压缩系数均减小，压缩模量均较大。 表明土壤固化剂对土体压缩特性具有明显的改善效果；且B 土体较A 土体压缩系数、压缩模量增大幅度或减小幅度均接近A 土样变化幅度2 倍，表明土壤固化剂对粉质黏土压缩特性改善效果优于粉质土。

综上所述， 土壤固化剂对土体各项性能指标具有明显的改善效果，且对粉质黏土改良效果明显优于粉质土，可用于路基土体改良处治。