浅层土体固化技术在公路项目中的应用

2022-03-23王一凡郭云汉

建筑施工 2022年8期

王一凡郭云汉

中国建筑土木建设有限公司北京 100070

在新时代的基础设施建设中，我们不仅满足于完成眼前的建设目标，同时也追求满足高效生产、节约资源、保护环境的可持续发展需求。浜塘地段的传统处理方法为，将浜塘区域的淤泥质土挖出，再使用砖渣、素土等建筑材料进行填埋，挖填及运输过程施工周期长，机械用量大，易造成污染，且淤泥土处理困难，缺乏砖渣等建筑材料，工程质量把控困难。近年来逐步推广的土体固化技术，在软土地基中注入固化剂，将其转化为具有足够承载力的土质结构，减少了挖填的繁杂工序，节约了大量人力、物力且缩短了工期，具有显著的经济优势，同时避免了运输过程中的水土及扬尘污染，减少场地占用和交通影响，降低对周边的干扰，固化剂为工业废料设计加工而成，促进资源循环利用，且施工便利易把控管理，质量得到提升[1-4]。

1 工程概况

1.1 设计标准

上海市某新建高速公路工程，总长度为6.64 km，主线道路等级为高速公路，地面道路按城市主干路设计。设计使用年限为100年。高速公路荷载标准按公路-I级设计，并同时满足城-A级；地面道路按城-A级。设计安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。道路抗震设防烈度为7度，桥梁抗震设防烈度8度，高速系统抗震设防类别为B类，地面系统城市主干路桥梁抗震设防类别为丙类。主线路宽38 m，采用双向六车道高速公路标准，设计速度100 km/h，匝道路宽12.5 m，双车道，设计速度50 km/h。路基工程主要包括路床处理、明暗浜处理、台后处理、路基拼宽处理等，明浜、暗浜处理均采用浅层土体固化技术。

1.2 建设条件

工程所在的上海市奉贤区为沿海区域，为亚热带季风气候地区，风向为常年东南风，日照充足，雨水充沛。是上海市内陆部分空气质量最好地区，空气降尘量为市中心的1/10左右。常年平均气温16.1 ℃，年平均降雨量1 191.5 mm，平均无霜期225 d。全区地势较为平坦，河网十分密集，表层土质为软塑土-可塑状粉质黏土，土层厚度在0.7～3.2 m范围，河流及水塘河床土质大多为淤泥质土，该土质含水高、压缩性高，且易扰动、易变形，承载力极差，工程地质条件差。

2 软土地基固化设计方案

2.1 固化剂设计

选择固化剂配比的基本要求包括：固化效率高、固化强度大、固化稳定均匀、成本低污染小等。根据施工经验及该地区周边常见材料类别，该类地质下固化剂使用的主要材料为水泥、粉煤灰及部分添加剂，设计固化剂类型为浆剂固化剂，主要成分配置的初步设计标准为掺量为8%，包括6%强度P.O 42.5的水泥及2%粉煤灰，浆液水灰比为1∶1。

对施工区域内进行多次小规模取样，现场土的密度取1.8 t/m3，按处理深度1 m，5 m×5 m的区域计算，配置水泥用量2.7 t，粉煤灰用量0.9 t。每桶浆液的配合比水∶水泥∶粉煤灰＝900 kg∶675 kg∶225 kg，水灰比为1∶1，按一桶浆液1.8 t计算，其中水0.9 t、水泥0.675 t、粉煤灰0.225 t。粉煤灰的粒径不宜大于1.2 mm，其中超过45%的颗粒粒径小于0.075 mm。粉煤灰中不得含有如团块、腐殖质等杂质，按设计标准设置自动配料系统，配料偏差不超过0.5%。最佳配合比通过记录对比误差范围内的试验结果进行确定。

2.2 场地处理

本工程道路段设计为常见结构，区域范围内浜塘共40余处，需进行固化处理后进行路基填筑，明浜地区在固化前需修筑围堰圈定范围，用水泵抽出地表明水，然后清理范围内影响固化施工的表面杂物。之后用素土或开挖出来的浜填土回填，直至标高达到与周边地面等高处。暗浜处理区域则直接进行场地清表及整平即可。明浜区域共计回填土体37 226 m3，处理体积53 046 m3，需固化处理深度为0.77～2.60 m。暗浜处理面积27 674 m2，处理体积43 709 m3，固化处理平均深度为1.5～2.2 m。处理后对固化的区域进行测量放样，并划分成5 m×5 m的多个待处理区块，若施工区域靠近河道，则分区及断面根据水体调整，部分区块调整为更小的其他形状区块以方便施工。

2.3 设备组装调试

施工主要设备为发电机、强力搅拌头、挖掘机、浆剂自动控量设备及空气压缩机等。将强力搅拌头与浆剂自动控量设备组装成主体固化装置，组装完毕后进行固化调试，测试其工作状态是否正常，施工环境内是否存在安全隐患，挖机的动力系统是否适用于强力搅拌头并可以完成钻进搅拌施工，同时自动控量设备根据设定自动配给材料，验证产出的浆剂配比误差在控制范围内。主体固化装置试启动过程按照以下顺序及要求进行：首先检查所有配件及细部连接结构，如螺栓、扣件、焊接接头等，并复核齿轮组等动力结构安装正确，尤其要注意油箱的正确安放，燃料无缺失及安全隐患。然后查验排水管是否正确安装，使管内压力稳定在300 kPa以内。均复核无误后连接强力搅拌头与挖掘机之间的电缆并安装机械发动机。组合完成后通过向各角度倾斜强力搅拌头来确保其能全方位均匀搅拌。最后是固化剂系统的检查，出浆口液压管能否自由移动，转筒转动方向正常。机械验证无误后调试配料系统，设置好固化剂的配比及流量，保证上下搅拌与供料的速度分别满足相关要求。

2.4 搅拌固化

按照划分的25 m2区块进行细部控制，由两岸延长线固化，待固化区域强度达到设备承重要求后，作为设备站位区域固化下一层沿线区域，由此按照设计顺序逐层从外向内推进固化处理。

经过计算，确定单个区块内搅拌头的施工数量，搅拌过程需确保喷搅均匀。每个区块搅拌完成后还要进行整体搅拌确保整体固化均匀，相邻区块之间重叠喷搅不小于5 cm的条形边界区域来避免漏搅，最终整体均匀固化形成硬壳层。

搅拌施工的具体步骤为：首先搅拌设备竖直插入原位土，设备正向运行匀速深入土体旋转搅拌并喷射固化剂，直至达到设计深度后再反向运行匀速提升，搅拌并喷固化剂，钻进与提升的速度均根据现场情况进行调整，确保满足固化剂均匀喷洒搅拌。根据经验，强力搅拌头搅拌装置的转速控制在25～100 r/min范围内，一般情况下保持在50～80 r/min，转速低于25 r/min时，需减小下推力。施工期间系统内的机油工作温度不得超过90 ℃。若遇到无法进行垂直固化的硬土层，则采用挖机翻松土体后再进行回填固化。

固化搅拌完毕后进行养护，强度达到规范标准后采用机械压实表面，若距下步施工时间较长，碾压时另覆盖厚30 cm的素土保护土体。

2.5 质量验收标准

土体固化质量检测主要包括2个指标，固化厚度检测及地基承载力检测。厚度检测通过静力触探试验确定，要求处理厚度与设计厚度相差不超过20 cm。处理区域的长宽度用尺进行量测，要求现场量测长宽度与设计宽度相差不超过10 cm。每个浜塘测试点至少1处，且1 000 m2不少于1处。静力触探锥尖阻力不小于0.8 MPa。

地基承载力检测方法为，固化14 d后在处理区域对1 m×1 m的荷载板进行荷载板试验，每个浜塘测试点至少1处，且1 000 m2不少于1处，承载力不小于100 kPa，或28 d按同样方法承载力要求不小于130 kPa进行检测。

3 处理效果分析

以首件施工M7号浜塘作为参考，试验检测后各区块质量均达标，根据施工记录参数表中固化剂浆液配比，施工过程中逐步减少固化剂中水泥用量比例，最终将掺量压低至7.93%，其中水泥与粉煤灰占比变为5.85%与2.08%，提高了工业废料粉煤灰的占比，降低了水泥用量，加强了资源的循环利用的同时节约资源，且未降低工程质量。

为确保调整后浆剂的均匀喷搅，并提高施工效率，施工中逐步提高强力搅拌装置的转速，在钻进时转速稳定在65～70 r/min，高于此速度时会导致机油温度升高至80 ℃，提升时控制转速至40 r/min，搅拌头提升或下降的速率均在0.05 m/s。喷浆速度控制在160～190 kg/min，喷浆量为270～290 kg/m3，能够均匀喷洒搅拌。

4 效益分析

经济效益方面，采用就地固化处理技术代替换填，成本由清淤费加换填费用约300元/m3降至180元/m3，本工程96 755 m3固化区域节省成本过百万元，经济效益十分明显。同时就地固化处理施工效率高，单个钻头每日可固化土体超过400 m3，本工程2组同步施工，116 d完成全部软土地基处理，根据前期测算，若采用换填法，工期约为140 d，且未计算填筑材料缺失导致窝工的情况，工期效益明显。同时本次地基处理经检测验收无质量问题，施工过程中施工人员少，无安全隐患，管理效率显著提升。

而更为显著的是社会效益，采用浅层土体固化法全程无污染，并采用粉煤灰作为原料，实现了土资源循环利用，体现了绿色施工，得到了政府部门及业主单位的认可和好评。