原位固化技术在城市快速路中的应用研究

白兰兰， 崔起航， 洪 雷， 李 杰， 彭 劼

（1.苏交科集团股份有限公司，南京 210019； 2.河海大学，南京 210024）

由于东南地区软土分布广泛，在城市道路建设过程中，往往会遇到较多的软弱地基，一般都是力学性能较差的淤泥、黏土等，其工程性质差、颗粒细小、黏粒和有机质含量高，渗透系数低. 相当一部分工程是将软弱土开挖废弃后进行换填，开挖土方被废弃于抛填区、低洼地区，不可避免地占用一定的土地资源甚至对抛泥区域产生污染. 在我国近年来大力提倡绿色、环保、节能发展的背景下，将道路工程中的软弱开挖土方进行资源化、无害化利用，成为急需解决的工程和社会问题.

开挖土方资源化利用的重点是降低含水率和提高强度. 目前资源化利用和处理这类软土的方法主要有脱水、烧结、土工管袋、固化等［1-4］. 其中脱水法主要适用于含水率超高的疏浚淤泥初次处理，一般情况下，离心脱水机可将淤泥含水率降低至70%，对道路工程而言并不适用［5］. 烧结法是通过熔融和烧结的方法去除软土中过量的水分并将淤泥中的黏土矿物高温改性，可以将软土处理为陶粒或烧制砖瓦来使用［6-7］，这种方法能耗大、处理量有限. 土工管袋是将需要进行脱水作业的淤泥填充到土工袋中，然后填入土工袋中的淤泥在自身重力的作用下，水分从土工袋的微小空隙中渗透出来，实现泥水分离，但该方法也主要适用于含水率超高的土体［8-9］. 固化方法是在土体中添加土壤固化剂，固化剂能够直接胶结土体颗粒或能够与黏土矿物反应生成胶凝物质，从而改善和提高土体力学性能. 固化处理方法最早用于有毒废弃物的处理，后在地基处理中经常被采用. 对城市道路路基软土而言，待处理土体的含水率介于25%～60%之间，固化法是较合适的资源化处理方法［10-14］. 已有学者对固化法进行相关研究，并有不少应用，但目前国内外已有的淤泥固化处理案例主要集中在河道整治、堆场处理以及废弃土方二次利用［15-17］等应用领域，在高等级道路工程中的应用尚不多见.

原位固化方法是指无须开挖软土，直接对原位软土进行固化处理，从而达到固化、利用软土的方法. 张浩苍用两种就地拌和专用工程机械进行了原位固化，这两种机械的工作原理类似于搅拌桩施工机械，属于低速切割拌和［18］. 近年来就地强力搅拌得到了较广泛的关注和应用. 就地强力搅拌是指使用专门的强力搅拌头，其高速切割、拌和土体，能够得到优于普通拌和机械的加固效果. 就地强力搅拌法使用固化材料对软弱地基浅层进行固化处理，使其形成表面板体，亦可称作“人工硬壳层”，是满足使用要求的施工方法. 该方法可直接对地基土进行固化处理，处理深度可达6 m左右，无须分层填筑［19-21］. 采用水泥、石灰等材料与土中的矿物成分和水发生化学反应，产生胶凝物质，导致形成的硬壳层具有一定的刚度，从而提高整体的地基承载力. 该方法的固化剂主要是水泥+少量稳定剂，可根据实际地质情况增加粉煤灰、石灰或石膏等，该方法固化剂掺入比一般在5%～7%左右，加固后地基承载力可提高到200 kPa以上.

本文针对现场长江漫滩区的典型软土，开展了室内固化配比及原位固化现场试验，研究了原位固化方法在高等级快速路软土路基中的效果，对国内类似工程具有重要的参考意义.

1 室内固化配比实验

图1 现场河塘分布示意图Fig.1 Schematic diagram of on-site river pond distribution

拟建项目为城市快速路，位于南京市江北新区，沿线河塘密布，如图1 所示. 如前所述，传统做法工序繁琐，周期较长，本项目河塘挖除淤泥达18.6 万m3，且江北新区附近无弃土场，弃土距离将达到30 km，传统做法的造价较高. 而弃方堆放还将占用土地资源，污染环境，因此，针对本项目，开展直接就地资源化处置方案研究，十分必要.

现场的河塘区抽水后，塘底淤泥暴露为地表，该层淤泥厚度在3.0～4.0 m，取样时发现河塘区淤泥含水量差异较大，含水量在40.9%～64%之间，力学性质指标如表1所示.

表1 土样基本物理力学性质指标Tab.1 Basic physical and mechanical properties of soil

由于土体过软，现场动力触探无法得到初始地基承载力结果，由十字板剪切试验测得的地基承载力特征值平均为35.6 kPa.

处理的主要目的为满足后期搅拌桩施工作业平台要求，因此要求处置后承载力特征值fak≥100 kPa.同时考虑到后期搅拌桩施工时土体不宜过硬，因此处理后的承载力不超过200 kPa.

固化剂选择了水泥和矿渣微粉，水泥采用海螺牌PO 425硅酸盐水泥，矿渣微粉即磨细水淬高炉矿渣粉，也是一种常用的工业废料产品，本研究采用S95矿渣微粉. 固化剂的配合比如表2所示. 固化剂以浆剂（水灰比1∶0.6）的形式与原状土进行混合搅拌，并在1 h内制成无侧限抗压强度试样，如图2所示. 然后放入恒温恒湿箱养护，养护温度（20±3）℃，相对湿度大于95%，养护7、14、28 d后分别进行无侧限抗压试验，每个试验均有3个平行样，得到改良后的土体强度平均值. 具体试验结果见表3.

表2 原位固化室内实验配合比方案Tab.2 Proportioning schemes of in-situ solidification laboratory experiment 单位：%

由固化土强度估算地基承载力按照Skempton 极限承载力公式计算：

图2 固化土室内试验土样Fig.2 Soil samples for laboratory test of solidified soil

将按照Skempton 公式估算的地基承载力极限值除以2，可得到地基承载力特征值fak，再考虑现场试验强度值相对于室内试验强度值有所折减，折减系数取0.7. 从而得到表3中的现场试验地基承载力值.

表3 固化土的无侧限抗压强度qu 及换算地基承载力fuTab.3 The uncofined compressive strength qu of solidification soil and the bearing capacity fu of foundation through converting 单位：kPa

从表3中数据可以看出，水泥对淤泥固化有较好的强度提高作用，随着水泥掺量的提高，河塘淤泥改良后强度逐渐提高，如图3所示. 矿粉对强度提高有一定的作用，但在初期较水泥稍弱，到后期强度增长显著，分析其主要原因为矿粉的水化速度和强度发展速度比水泥要缓慢. 从室内试验的结果看，采用的配合比方案均能满足承载力≥100 kPa的要求.

同时，对比数据可以看出，当水泥掺量超过7%之后，固化强度将超过200 kPa，不利于后期搅拌桩施工，且过高的水泥掺量经济性较差，因此现场固化剂掺入比例建议控制在5%～7%之间.

图3 不同水泥掺量对应河塘土的强度变化Fig.3 Strength changes of river pond soil with different cement contents

图4 不同含水量对固化效果影响Fig.4 Effect of different water contents on curing effects

从表3中结果可以看出，在相同配合比条件下，含水量越小，固化后强度越高，如图4所示. 由于现场河塘含水量差异较大，不同河塘应采用复测含水量，当现场含水量超过64%时，应重新进行掺量试配.

2 现场原位固化试验

2.1 国产强力搅拌设备

要确保固化效果，固化剂和土壤的充分、均匀混合是关键. 以往工程中常用的水泥搅拌设备的混合、切割土体，属于低速切割拌和［15］. 近年来强力搅拌设备得到了较广泛的关注和应用. 强力搅拌是指使用专门的强力搅拌头，其高速切割、拌和土体，能够得到优于普通拌和机械的加固效果. 产自芬兰的ALLU PMX强力搅拌头是常见的设备，其具有搅拌速度快、加固效果均匀的优点，但是也存在价格超高、维修麻烦等不足.基于类似的工作机理，本单位联合山东某机械厂研制了专用的强力搅拌头，如图5所示. 该系统由强力搅拌头、挖掘机、固化剂供料系统和储料设备以及控制系统等组成. 该系统通过供料控制系统控制进料及输料，将后台料仓内的固化剂混合后通过安装于挖掘机上的强力搅拌头的浆喷装置输出，在搅拌头的强力搅拌下，将输出的固化剂与土体均匀拌和，达到原位固化的目的.

图5 强力搅拌头示意图Fig.5 Self-developed powerful stirring head

2.2 现场试验方法

结合室内试验结果，现场河塘区试验段采用了6种配合比，具体配合比掺量如表4所示. 每个试验区块大小均为3 m×6 m，处理深度为1.5 m. 如图6所示.

表4 原位固化现场试验处理方案表Tab.4 In-situ solidification field test treatment plan table 单位：%

施工过程中按照既定的固化方案进行固化剂的调配，用强力搅拌头将固化剂均匀混入土中，其在平面及深度方向的施工方式如图7 所示［22］. 施工后待其形成一定强度后，再利用推土机等机械进入场内整平其表面，为后续的施工做准备.

2.3 加固效果

1）轻型动力触探

原位固化处理前，河塘底部淤泥承载力较差，动力头可轻易陷入泥中，轻型动力触探第二击触探深度已达1 m，如图8所示. 原位固化处理后3 d，轻型动力触探试验结果显示，固化处理后的地基承载力在0.4～1.5 m深度内，已超过100 kPa，满足进一步施工机械的承载力要求，如图9所示.

图6 现场试验区示意图Fig.6 Field test area diagram

图7 原位固化的推进及搅拌方式示意图Fig.7 Schematic diagram of the in-situ solidification process

图8 处理前的河塘土Fig.8 River pond soil before treatment

图9 处理后的河塘地基Fig.9 River pond soil after treatment

在现场试验完成第4 d、第7 d 及第12 d 进行了轻型动力触探试验，承载力换算如式（2）所示：

式中：fa为换算的地基承载力特征值；N10为轻型动力触探的10 kg锤贯入土中30 cm时的锤击数.

本次试验段加固深度为1.5 m，得到的承载力如图10所示. 各方案中，除水泥4%+矿粉2%的方案外，其余方案处理后土体换算承载力均超过了100 kPa. 总体规律是纯水泥方案好于水泥+矿粉方案，随着水泥含量增加，水泥+矿粉的加固效果逐渐增加. 纯水泥方案随着水泥掺量增加，强度逐渐提高.

2）十字板强度

在现场试验完成第7 d及第12 d进行了十字板剪切试验，试验深度为地表下30～40 cm处.由十字板试验强度换算成承载力的方法为Skempton极限承载力公式，如式（1）所示.

将按照Skempton公式估算的地基承载力极限值除以2，可得到地基承载力特征值fak，得到表5中的十字板强度及估算的地基承载力值. 图11为加固前后地基承载力的对比. 从十字板试验结果可知，各试验区的强度规律跟动力触探结果的总体规律基本一致：纯水泥方案好于水泥+矿粉方案，随着水泥含量增加，强度逐渐提高，甚至超过了200 kPa，后续施工中要注意控制不宜过大，避免搅拌桩施工困难.

图10 各试验区处理厚度范围内平均承载力Fig.10 The average bearing capacities within the treatment range

表5 十字板剪切试验结果Tab.5 Results of cross plate shear test 单位：kPa

图11 十字板剪切试验得到的地基承载力变化Fig.11 Changes of foundation bearing capacities obtained by cross plate shear test

3）含水率

试验后在第7 d 取样做了含水率试验，取样深度为0.2～0.5 m，得到的处理后土的平均含水率如图12 所示. 该区域初始含水率为76%，在处理后含水率有较大幅度的下降.

图12 处理前后土体含水率变化Fig.12 Changes of soil water content before and after treatment

由现场试验数据可知，上述处理方案中，除了4%水泥+2%矿粉方案较差外，其余方案均能满足处理后承载力高于100 kPa的要求. 结合现场试验段实施效果，考虑到实施难度以及南京地区实际材料价格，建议在今后的大规模应用中，水泥掺量5.5%左右，即每方掺入100 kg水泥即可.

该建议方案的经济性分析如表6所示，该建议方案造价约每方114.05元，较传统处理方案即开挖+换填每方节约造价约55.7元，预计经济总共节约1036万元，且可节约大量的土地资源和土方资源，环保效益更高.

表6 原位资源化推荐方案造价估算表Tab.6 Cost estimation table of in-situ resource recommendation scheme

3 结论

本文结合南京横江大道河塘路基处理工程，在现有淤泥固化技术的基础上，结合强力搅拌头，通过室内试验和现场试验，研究了原位固化技术在城市快速路清淤填塘项目中的应用，得到了如下结论.

1）通过室内试验，可知4%～7%水泥及水泥结合矿粉固化改良方案可以满足路基处理承载力要求.

2）通过现场试验段施工，验证了实验室推荐配合比，并验证了经过水泥、矿粉等固化处理后，承载力满足设计要求，场地可满足后期施工要求. 经济性分析表明，原位资源化利用的经济性也较好，较传统工艺节约30%左右的投资，且更利于环保节约.

3）强力搅拌头实际应用能够满足类似工程的需求. 本项目提出的道路原位资源化利用技术，可用于高等级道路的清淤填塘项目，对于后期类似项目也有较好的参考价值，有较好的推广意义.