土壤固化剂在富流滩船闸改扩建工程中的应用研究

2021-11-03倪西海黎海波杨正武

四川水利 2021年5期

倪西海，黎海波，杨正武

(四川港航建设工程有限公司，成都，610039)

引言

高液限土在我国分布广泛，主要包括软土、膨胀土、红粘土、有机质土等。具有天然含水率高、塑性指数高、液限高，强度低，水稳性差、施工困难等不良特征。

高液限土填筑路基，最简单有效的方法是将其废弃，但这样做不仅需要为这些弃土找堆放场地，造成大面积土地占用，还需要寻找工程性能良好的土，导致消耗巨大、环境破坏的问题。由此，寻找合理的改良方案显得十分重要，通过大量研究，高液限土的改良方法主要有[1]：

(1)物理加固法：是用机械、施工工艺改进的方法，对填筑土体进行加固，并没改变土体的固有性质。

(2)化学加固法：是加入外加剂，使土质的固有性质发生改变。

(3)综合加固法：是在土壤中加入外加剂，再结合物理加固法，改变土体的力学特性。

对于不能满足要求的高液限土，为提高其强度特性，使其在路基中达到规范标准要求。国内外研究人员采用物理加固等措施，对高液限土改良进行过大量探究，并取得一定效果，相关研究成果有：

廖俊棠[2]通过对山区高液限土地基处治施工技术研究，提出土工格栅加筋垫层和碎石桩等施工工艺和质量控制标准；

仇益梅[3]根据高液限土的膨胀量将高液限土分为五类，并针对每种土样提出了相应的施工方案，使其满足路基填筑要求；

Wenhui Zhang等[4]采用石灰改良高液限土，结果表明，随着生石灰惭掺量增加，高液限粘土的最佳含水量、塑性和CBR值均有所提高，而最大干密度、液限、塑性指数均降低，改良土的CBR值及塑性指数均满足路基填筑要求；

Blanck G等[5]通过对ES、LS等3种有机固化剂对改良土的研究发现，0.002%的ES及2.0%的LS掺量下对改良土的压实特性有很大改善。

1 工程概况

富流滩枢纽位于渠江下游广安市岳池县罗渡镇河段，是渠江航道四川段七级航运梯级规划自上而下的最后一级，上游与四九滩电站尾水衔接，下游尾水与草街航电枢纽回水重叠。工程开发任务以发电为主，结合航运。正常蓄水位213.8m，相应库容2.07亿m3，调节库容830万m3，具有日(周)调节性能，电站装机39MW，船闸等级为Ⅳ级，尺寸为120m×12m×2.5m。富流滩系闸坝枢纽，挡水建筑物自左至右为左接头坝、溢流坝、泄洪冲砂闸、电站主厂房、船闸上闸首、右岸接头坝。

富流滩船闸改扩建工程位于原枢纽工程的左岸，紧邻左岸接头坝，为新建二线船闸一座，船闸为Ⅲ级船闸，船闸最大工作水头11.8m，有效尺寸为200.0m×23.0m×4.2m(有效长度×宽×门槛水深)，可通行1000t级船舶。船闸由上引航道、上闸首、闸室、下闸首和下引航道组成，闸室尺寸为180m×23m×4.2m，船闸顺水流长度约990m。

2017年下半年受环保大环境影响，市面上砂石价格大幅度上调且短时间内无法采购到货。为保证2017年12月堤顶道路能够顺利竣工，项目部与设计单位、项目前期筹备组、监理单位、实验室充分沟通交流，决定在回填中试用新材料、新技术，用易孚森固化土取代传统施工方法，路基采用2%水泥+98%土+0.015%稳定剂的配比。

2 经济效益分析

针对固化土用作路基回填，代替原设计中的路基连槽石换填方案。经济对比，结果如表1。

表1 经济对比

由表1对比分析可知，固化土用于路基回填建设的经济效益非常显著。

3 固化剂的施工工艺

3.1 室内试验部分

3.1.1 材料

对现场膨胀土进行取样筛选，清除杂物和大颗粒。加入0.1‰～0.3‰固化剂，掺入水泥量为1%～6%，确定试块尺寸为100mm×100mm×100mm。确定试块质量并计算出其中土、水、水泥、土壤固化剂的分别含量。

3.1.2 成型试块

试块尺寸确定采取100mm×100mm×100mm，采用人工成型压实法按94%的压实度成型。采用液体土壤固化剂，将水泥和土搅匀后，与固化剂混合物和水搅拌至均匀，最后分三次盛入模具夯实造型。静置24h后拆模、编号，进入养生。

3.1.3 养生拆模

拆模后量取试块质量，并以塑料薄膜包裹，以相对湿度95%，相对温度20℃±2℃的环境标准养护。根据试验要求，养护龄期划分为7d、14d和28d不等。待养生期的最后一天，称量试块的质量，然后以水面高过试块表面2.5cm的标准完全浸泡试块于水中。试块养生期质量损失标准：大试块不超过10g，中试块不超过4g，小试块不超过1g，不能满足上述规定条件的试块要作废。通过阅读相关文献，听取易孚森固化土厂家代表的建议，进行了无侧限抗压强度多组配合比的试验研究。其中固化剂掺量分别为0‰、0.1‰、0.12‰、0.15‰、0.18‰、0.2‰、0.25‰，水泥掺量分别为6%、5%、4%、3%、2%、1%，含水率分别为16%、13%、10%、8%。

3.1.4 优化剂量分析

(1)固化剂掺量的无侧限抗压强度剂量影响

含水率13%，水泥掺量2%，不同固化剂掺量固化土28d无侧限抗压强度见表2、图1所示。

表2 固化剂不同掺量固化土28d无侧限抗压强度

图1 固化剂不同掺量固化土28d无侧限抗压强度

由图1所示，添加固化剂后28d无侧限抗压强度显著提高，0.15‰的固化剂添加可获得大于50%的无侧限抗压强度提升；0.15‰固化剂掺量后，虽然强度也增长，但幅度显著减小。综合考虑，0.15‰是固化剂掺量的最优化经济参数。

(2)含水率的无侧限抗压强度剂量影响

0.15‰固化剂掺量，不同含水率的28d固化土无侧限抗压强度实验结果表明：随含水率的变化，28d固化土无侧限抗压强度也随之变化。高于13%含水率时，随着含水率的增大，抗压强度反而降低。只有低于13%含水率时，随着含水率的增大，抗压强度也增大，最高可以达到1.65MPa强度值。因此，13%左右是取得良好固化效果的含水率较佳取值。

(3)水泥掺量的无侧限抗压强度剂量影响

基于0.15‰的固化剂掺量和13%含水率，不同水泥掺量的28d固化土无侧限抗压强度测量结果显示：28d无侧限固化土抗压强度随水泥掺量的增多而增高，说明伴随增加水泥掺量，水化作用后的水泥越来越多地产生胶状物，固化土的抗压强度自然也会伴随增高。当由1%水泥掺量增加到2%水泥掺量时，抗压强度发生明显增长；2%水泥掺量后，虽然固化度也增长，但幅度显著减小。因此2%是取得良好固化效果的水泥掺量较佳参数取值。

(4)铺筑试验路

①合理选用压实机具按压实度要求，确定压实遍数。

②确定路基宽度内每层虚铺厚度。

③确定弯沉值能否达到设计要求。

3.2 现场施工部分

复合固结土的施工要点可用“足、匀、实、盖”来表示。“足”即使用固化剂和胶结材料要用足设计的量；“匀”即指拌和要均匀；“实”即碾压要密实；“盖”即覆盖养生。施工操作简单，具体操作如下。

3.2.1 施工前的准备工作

(1)计算土壤的含水量是否与固化剂混合料的标准含水量相符；

(2)结合配合比以及道路的宽与长、最大干密度、路基厚度来确定固化剂与水泥的使用量。

3.2.2 道路施工放样

布设道路路基的中线，标桩在直线段上每隔15m～20m左右设置，平曲线段每隔10m～15m设置，同时在两旁的路肩边缘设置标桩并且标记桩号，之后将相应桩号的路基边缘设计标高测量出来。

3.2.3 水泥、素土的拌和

水泥使用路拌机或者旋耕机拌和均匀，不能出现没有拌和完全的素土夹层。人工处理边边角角，需拌和两次，之间的宽度相互重叠20m。最大粒径不能超过50mm，超过须打碎，无法打碎的需要筛除。粒径过大时，应通过翻晒、机械砸碎、路拌机破碎等方式，降低土块粒径。

3.2.4 固化剂稀释后的溶液喷洒

在洒水车上装好水，之后倒入固化剂的浓缩液，根据天然含水量来确定稀释浓度，如果素土的含水量低，那么稀释后浓度的取值就要低，反之亦然。结合施工日的气温，把固化剂的稀释液喷洒在水泥土上，要求喷洒均匀；保证固化剂的量均匀且合适，同时混合料的含水量要高出标准含水量的1%～2%。当道路的纵坡超过20%时，需要密切配合，以防固化剂浓缩液流失，导致配合比不均匀。

3.2.5 路基整形

使用路拌机拌水泥土，把混合料充分拌和之后，使用推土机来回推压两次，之后再使用平地机将固化土刮平整。如果道路处于平曲线段，刮平的时候应从里到外；如果道路处于直线段，刮平的时候则应从两旁向中心。路基的整形过程，工作人员需要使用水准仪来控制不平整地段的湿铺标高，禁止在道路较低处做薄层补贴。

3.2.6 碾压

当混合料的路基整形完成后，在其最理想的含水量的时间内压实路基，如果路基的表层含水量不够，应该先洒水，再压实。碾压过程中重叠的部分是1/2的轮宽，至少重复碾压四次，直至后轮超过两段的接缝位置，再使用压路机将其压实成光面，严格控制压路机，使之速度低于3km/h。道路没有碾压成型时，禁止做急刹车或调头的动作，直至符合压实度的标准为止，即碾压的路基表面没有明显的车轮痕迹。基层固化土混合料碾压时靠近挡土墙一侧压路机无法碾压到位的地方必须用小型夯实机具进行夯实。

3.2.7 养护

当路基碾压结束后，立即喷洒养生水并采用薄膜覆盖保湿养生，养生期为7d，养生期内必须封闭交通禁止车辆通行。

4 现场施工质量控制注意事项

(1)路拌法中使用洒水车进行实地喷洒时，如果均匀度不足，而且喷洒过程中泄露较多，全部用旋耕犁或者圆盘犁来拌料很难大面积地搅拌均匀，以至于施工时出现软浆问题，最终路面干燥之后固化地不够均匀。根据室内和工地试验结果来分析原因，最好在条件合适的情况下通过场拌法来解决，如果不得不使用路拌法的时候，则应辅以刮平机来大面积地拌和。

(2)土壤中的天然含水量并非一成不变，拌和过程中的用水量可稍高于理想含水量的2%～3%，以此控制土壤含水量。