土壤固化技术与灰土换填法在燃气工程处理地基的对比分析

文 / 张诚 张佳骐 吕文克 马伯昊 徐画格 李柏廷 王健宇

燃气场站建、构筑物的地基基础处理和管线的基底处理是工程建设的重要组成部分，北京地区地质条件、水文条件十分复杂，确保质量合格难度较大，不良土质采取换填处理投资不菲，采取桩基等复合地基等方式工程投资更将会大幅提升。同时，北京地区安全文明、绿色环保施工要求逐年提升，重大社会活动期间管理要求往往提升几个等级，如果必须在特殊时期施工则需要支付高昂的技术措施费。特别是近年来，由于城市总体规划的管理要求，管线路由常常定位于既有道路上，道路回填费用往往达到管线总投资的40-50%。

目前，工程建设中在燃气场站建、构筑物的地基基础处理和管线的基底处理等工程项目建设中存在以下亟待解决的技术问题：（1）缺乏适用于各类地质水文条件、造价合理、质量可靠、工期较短、绿色环保的施工工艺和材料；（2）缺乏能够满足道路回填质量要求，又能大幅降低工程投资的回填材料。近年来环保新型高强土壤固化剂在道路工程中得到了广泛的应用，相比于传统材料，利用土壤固化剂对就地取材的土壤进行固化，固化土体的相对强度、水稳定性、高低温稳定性、耐久性等优势明显，可用于高等级公路的底基层和二级及以下公路的基层，村镇道路基层和面层等，以及加固的路基区域回填等。

本文依托北京市葫芦垡高压A站天然气工程，具体对比分析土壤固化技术与灰土换填法在地基处理中的应用，从施工工艺、优缺点以及经济造价等三个方面重点介绍，为实际工程应用提供指导，推进土壤固化技术在地基处理方面的大规模应用。

1 工程概况

1.1 工程简介

葫芦垡高压A站天然气工程位于北京市房山区良乡镇规划良窦路与京深路交汇路口东北角。拟建建筑场地现状为空地。项目占地约2990平米，东西宽约44.50～49.50米，南北长约49.60～73.70米。

本拟建门站为一座新建高压A站天然气调压站工程。主要建(构)筑物包括仪表间、戊类仓库、次高压A调压箱、高压A调压箱、高压A计量箱、过滤区、阀门区、围墙等，设计要求对本工程地基采用换填进行地基处理，处理后的复合地基承载力标准值≥110KPa，地基土压缩模量≥10MPa。

图1 拟处理范围示意图

1.2 地基方案及稳定性、均匀性评价

1.2.1 特殊性土

根据本次勘察所揭露地层，拟建场地人工填土的揭露厚度在 0.50～1.40m 左右，部分位置可能更厚，回填物质以黏质粉土素填土为主，含砖渣、灰渣等建筑垃圾。成分较复杂，回填时间较短，回填过程未经过碾压夯实，软硬不均，未经处理不宜作为建(构)筑物的基础持力层，同时该填土结构松散，易坍塌，应着重考虑其对基坑稳定的不利影响。

1.2.2 土的压缩性和均匀性评价

拟建场地表层为人工堆积层，厚度约为0.50～1.40m，为本场地特殊土，该层土堆积时间短，土质结构松散，物理力学性质差，土质不均，在地面荷载或受地下水、雨水等的影响作用下，易发生沉降变形，须经过处理才能作为拟建建(构)筑物持力层。人工堆积层以下新近沉积层与第四纪沉积层，沉积时间较长，层位相对较稳定，强度较高，土的工程性质和力学性质较好，可以作为拟建建(构)筑物的天然地基持力层。

1.2.3 地基处理

各拟建建(构)筑物基底地基为不均匀地基，应采取地基处理，处理的范围及深度须满足建(构)筑物地基承载力、均匀性和稳定性的要求。设计时需考虑由于地基持力土层差异（天然地基、人工处理地基）适当加强建(构)筑物结构与基础的强度与刚度，同时严格控制回填土的压实系数不小于0.96，此种情况下，承载力标准值应＞100kPa。

2 技术对比

2.1 定义

2.1.1 灰土换填法

灰土换填法是将浅基础下面的杂填土、软弱土或湿陷性黄土等特殊土挖去，然后换填以白灰和粘土以一定比例拌合的灰土，经分层回填分层压实后形成的人工地基[1]。2:8或是3:7灰土换填法浅层地基处理要求采用新鲜的消石灰，且粒径不大于5mm，所用土料以粘土或塑性指数＞4的粉土，其含水量在wop±2%内，土料需要过筛，土粒粒径不大于20mm[2]。

2.1.2 土壤固化技术

土壤固化技术是将各类土壤作为主要材料，通过添加小剂量的水泥与土壤固化剂，通过一系列物理化学反应改变土壤性质，并在压实功的作用下，使固化土易于压实和稳定，从而形成整体结构，达到常规所不能达到的压密度构筑道路路基、基层以及底基层，具有较好的力学性能和路用性能。土壤固化剂是一种环保型筑路材料，产品无毒无害无污染，适用于各种类型土壤的固化。

2.2 优缺点分析

2.2.1 灰土地基

优点：由于碱性石灰粉和黏土中的二氧化硅、三氧化二铝之间产生了复杂的化学反应，夯实后的灰土具有很好的强度、耐水道性和整体性。

缺点：灰土垫层的材料为石灰和土，石灰和土的体积比一般为3：7或2：8，石灰污染环境，劣质土需要外运，好土料需要购买、回运等造成成本过高。灰土垫层的强度随用灰量的增大而提高，但当用灰量超过一定值时，其强度增加很小，且灰土地基对拌和土要求较高，处理后的地基强度上升需要时间相对较长，灰土处理后的地基承载力一般不超过250kPa。此外，灰土换填法受气候、环境影响大，换填土质量不易控制。

2.2.2 固化土地基

优点：它与土壤混合后通过一系列物理化学反应来改变土壤的工程性质，能将土壤中大量的自由水以结晶水的形式固定下来，使得土壤胶团表面电流降低，胶团所吸附的双电层减薄，电解质浓度增强，颗粒趋于凝聚，体积膨胀而进一步填充土壤孔隙，在压实功的作用下，使固化土易于压实和稳定, 从而形成整体结构，并达到常规所不能达到的压密度。经过土壤固化剂处理过的土壤，其强度、密实度、回弹模量、弯沉值、CBR、剪切强度等性能都得到了很大的提高，其处理后的地基承载力可达到1000 kPa。

相比于传统材料，利用土壤固化剂对就地取材的土壤进行固化，固化土体的相对强度、水稳定性、高低温稳定性、耐久性等优势明显，可用于高等级公路的底基层和二级及以下公路的基层，村镇道路基层和面层等，以及加固的路基区域回填等。同时，土壤固化技术大大减小了石灰、水泥以及砂石料等传统建筑材料的掺量，这将大大减少减少砂石材料开发及运输费用，大大降低工程造价，经济效益显著；而且炸山取石和挖河采砂的减少，将增大自然植被和河流的保护，自然环境的破坏程度大大降低，环境效益显著；此外，这可减少传统材料开发、施工、运输过程中CO2等温室气体的排放量，进一步改善生态环境，有利于经济社会的良性循环和可持续发展。

缺点：主要是对于高速性粘性土拌合较为困难，再就是目前国内该技术主要应用于公路交通系统，较少应用于工民建的地基处理，因此，在该方面应用缺乏一定的技术规范。

3 施工工艺比较

3.1 灰土换填地基

（1）准备工作。施工前，先根据要求，合理选择施工原材料，在石灰使用前的3～5d保证全部消解。随后打碎土，保证土块在1.5cm以下。

（2）摊铺土和灰。在路槽内将疏松的土均匀摊铺，根据体积比合理配置材料，并将材料铺筑到土层上，要求在30cm以内控制松铺厚度。

（3）拌和。拌和施工前，先对土的含水量进行详细检验，确定含水率之后，先进行2遍拌和，随后根据含水率情况，再次进行多次拌和，直至均匀拌和。

（4）碾压。在保证最佳含水量的基础上，根据“先轻后重，两边到中间”的顺序进行碾压施工，碾压施工后，要保证无显著轮迹，且压实度满足设计要求。

（5）养生。待完成上述施工之后，便可进行路面养护施工，一般养护周期为14d，可采用洒水保湿养护，保证整个路面养护质量合格。

3.2 土壤固化技术

（1）施工放样

首先利用挖机清除表土，并摊铺到前一个基坑中，摊铺时利用挖机适当碾压+铺水泥（使用po42.5普通硅酸盐水泥）水泥撒布一定要按照设计要求（土壤的质量比）撒布，不能漏撒和不撒布，可以人工喷洒或机械喷洒（如果经济条件或场地允许建议采用机械喷洒），人工喷洒水泥按照具体工程量与配合比计算出水泥质量后并均匀撒布。

（2）根据技术指标要求，稀释环型保高强稳定固化土材料。

按照实验室配合比取一次施工土体质量计算出环保型高强固化土材料用量，再按最佳含水率要求与现场含水率的缺水差额量补水将环保型高强固化土材料加入水车中搅拌均匀进行稀释，控制固化剂的量和水量的总原则是，先确保固化剂的足量，再适当补水。

（3）拌和

将稀释后的环保型高强固化土材料稀释液喷洒在需拌和的土质和水泥的混合料上，使用稳定土拌合机行拌合三遍以上。

（4）排压、整形

混合料拌和均匀后用钢轮压路机进行碾压整形。

（5）刮平机刮平

刮平机按照设计图纸标高进行多次刮平，刮平时应注意路面坡度走向有助于路面排水，对局部低洼处，应用齿耙将其表面耙松5cm-8cm深，并用新拌的环保型高强稳定固化土基层混合料进行填补找平排压，最后用刮平机精细整形一次，应将高处料直接刮出路外，不应形成薄层贴补现象。采用胶轮压路机进行排压两遍稳定混合料。

（6）碾压（先静压2遍后震压2遍）

根据路宽、压路机的轮宽和轮距的不同，制定碾压方案，应使各部分碾压到的次数相同。碾压过程中，如出现弹簧、松散、起皮等现象，应及时翻开重新拌和（加适量的环保型高强稳定固化土基层材料）或用其他方法处理，使其达到质量要求。软基层自然固化可用挖掘排压，压路机压实应达到96%的压实度。

（7）养生

碾压完后，必须采用覆盖保湿养生，养生期控制在7d为宜。

4 土壤固化技术地基处理方案和灰土地基处理方案的经济对比

拟建场地表层为人工堆积层，厚度约为 0.50～1.40m，自然地面标高位于设计基底标高以下，故需首先对自然地面以下分布的人工填土层进行固化处理，然后换填素填土至设计标高。地基处理范围内，采用固化土分层碾压至建（构）筑物基底设计标高，压实系数≥0.95，碾压后承载力≥100kPa；固化土碾压完成后，其上分层铺设素填土并压实（压实系数≥0.94）至设计标高，后再进行相应的建（构）筑物、管线等基础的开挖。

土壤固化配合比设计：按照土的质量添加5%的普通硅酸盐水泥（po42.5）和0.02%的环保型土壤固化剂。根据葫芦垡高压A站天然气工程地基处理设计，两种方案的经济对比如下表1～3：

表1：土方工作量

表2：灰土造价

表3：固化土造价

单从回填材料角度对比计算，固化土换填较灰土换填增加造价约18790元，占比约1.31%，两者基本持平。

5 结论

（1）土壤固化技术施工工艺类似于灰土换填法，但其各项技术性能指标又远高于灰土换填法。相较固化土的具有早强性，且后期强度稳定增长。

（2）单从回填材料角度对比计算，土壤固化技术与灰土换填法的造价基本持平。但由于土壤固化技术就地取材，大大减少了传统路基回填材料的掺量，因此该技术有效降低了运输费用。而且炸山取石和挖河采砂的减少，降低了自然环境的破坏程度，环境效益显著。相较灰土换填法，土壤固化技术都将带来更为可观的经济效益与社会效益。