土壤固化剂在公路工程不良路基中的应用

2022-04-18贾志强

交通世界 2022年9期

贾志强

（张家口泰保工程监理咨询有限责任公司，河北张家口 075000）

0 引言

土壤固化剂是一种无毒无害无污染的新材料，作用于不良地基具有加固效果好、施工简单等优点，广泛运用于不良地基加固施工中，但在实际工程中对土壤固化剂掺加量并未明确，导致土壤固化剂掺量过小加固效果并不明显，土壤固化剂掺量过大将导致土壤硬化[1]。故本文依托实际工程，在试验路段采用四组土壤固化剂掺加量处理不良路基，并使用石灰和土壤固化剂处理不同土壤，结合不良地基施工工艺，研究土壤固化剂对不良地基施工质量的影响。

1 加固机理

1.1 水化反应

土壤固化剂在水作用下发生水化反应，生成各种氢氧化钙、水化碳酸钙等各种水化产物，这些水化产物首先在土壤中相互聚集凝结，包围土颗粒，在土层内部形成具有一定硬度和强度的骨架结构，这些骨架结构可以增强黏性土和粉质土等不良土体之间的连接强度[2]。

1.2 置换反应

土壤中含有较多水分，土壤固化剂与土壤均匀混合后，固化剂与土壤中的水发生置换反应生成钙矾石结晶体，土壤混合物中水分减少，所生成钙矾石结晶体使得混合物体积增大，结晶体能够有效填充土壤大颗粒空隙，土壤孔隙率减小，土体之间紧密度增加，稳定性越好；固化剂与土壤中的水发生置换反应后，土壤中游离水转换成结晶水，相互连接，土壤颗粒被其包围，形成一个牢固稳定的网状结构，从而提高土层密实性、抗压性能和抗渗性能[3]。

1.3 火山灰反应

土壤固化剂与土壤混合后，反应生成钙矾石针状结晶体。在土层内部，这些针状钙矾石晶体就像钢筋交叉错乱在土颗粒之间，在土壤内起到加筋作用，增加固化土的强度。

2 工程实例

2.1 工程概况

某公路位于西北山岭重丘区，全线长100km，起点桩号K1100+000，终点桩号K1200+000，道路上面层采用4cm的改性沥青玛蹄脂碎石混凝土SMA-13，中面层采用6cm的沥青混凝土AC-20，下面层采用15cm的沥青温度碎石，基层采用20cm的水稳碎石，路基土就地取材进行压实。施工前对当地地貌和水文地质进行探测，结果表明当地月降雨量高达500mm，路基土多为淤泥、粉质土和黏性土，且土体含水率较高，地质条件较为恶劣，对当地交通量调查发现，日交通量较大，若对土体不进行加固处理，竣工后在反复循环的交通荷载以及外界环境共同作用下，导致路基由于承载力不足引起沉陷。其中道路K1120+210—K1141+810路段部分道路存在大面积沉陷等病害，已经严重影响交通出行。故本文选用K1130+000—K1130+800道路右侧作为试验路段，并对道路土质进行试验研究，结果如表1所示。

表1 路土质物理性能和颗粒组成

2.2 施工工艺

为研究不同土壤固化剂掺加量对不良路基施工质量的影响，本文选用某公路K1130+000—K1130+400道路右侧作为试验路段，全长400m，采用四组土壤固化剂掺加量进行施工，施工方案如表2所示。

表2 四组土壤固化剂掺加量施工方案

为研究土壤固化剂的固化效果，本文采用石灰作为对比，在试验路段使用石灰和土壤固化剂固化不同土质土壤，具体方如表3所示。

表3 试验方案

试验路段施工过程中，将不良地基土壤进行修整与翻松处理，根据道路等级确定摊铺厚度，本文摊铺厚度选择35cm，并根据施工现场设置机械摊铺速度，本文摊铺速度控制在2～5km/h，摊铺机具应匀速行驶中途不得突然变速，否则导致路基出现凸起、凹陷等情况。摊铺施工完成后，初压采用胶轮压路机进行碾压作业，碾压遍数为3遍，碾压速度为2.5km/h；复压采用振动压路机进行碾压作业，碾压遍数为6遍，碾压速度为3km/h；终压采用胶轮压路机进行碾压作业，碾压遍数为2遍，碾压速度为2km/h[3]。

2.3 性能检验

（1）土壤固化剂掺加量

土壤固化剂掺加量影响路基土自由水与结合水含量，土壤固化剂掺量过小时，路基土自由水含量高结合水含量低，加固效果并不明显，土壤固化剂掺量过大时，路基土中没有多余的自由水转换成结合水，加固效果不会增加，且影响工程成本，故为研究不同土壤固化剂掺加量对不良地基施工质量的影响，本文采用四种土壤固化剂掺加量处理试验路段A、B、C、D，并检测其无侧限抗压强度，检测结果如表4所示。试验路段土壤固化剂掺加量与无侧限抗压强度关系如图1所示。

表4 不同试验路段稳定土无侧限抗压强度

图1 试验路段土壤固化剂掺加量与无侧限抗压强度关系图

由图1可知，土壤固化剂掺量从0%增加到0.4%时，试验路段无侧限抗压强度从0.64MPa增加到1.42MPa，强度增加率高达121.9%，土壤固化剂掺量从0.4%增加到0.6%时，试验路段无侧限抗压强度虽从1.42MPa增加到1.61MPa，强度增加率仅为13.3%对试验路段土壤固化剂掺加量与无侧限抗压强度关系进行拟合分析，y=0.312x+0.345，R2=0.946，因此使用固化剂处理不良地基时，土壤固化剂掺量控制在0.4%～0.6%范围内，不仅加固效果好，还可以节约工程成本。

（2）土壤固化剂固化效果

为研究土壤固化剂对不同土质土壤固化效果，本文在试验路段选用粉质土和黏质土，采用土壤固化剂固化试验路段，并使用石灰固化试验路段作为对照组。施工完成以后，使用钻芯法检测试验路段强度，首先分别在试验路段轮迹带位置处随机选取采样点，接着使用钻芯机钻取半径150mm、深度600mm的试样，在实验室内模拟经过28d龄期后，试件进行5次冻融循环试验，最后测得冻稳定系数，测定结果如表5所示。

表5 试验路段稳定系数结果表

土壤固化剂对土壤固化效果优于石灰，由表5可知，在相同粉质土，使用石灰固化土壤，冻稳定系数为0.65，而使用土壤固化剂固化土壤，冻稳定系数为0.82，土壤固化剂较石灰提高了26%；在相同黏质土，使用石灰固化土壤，冻稳定系数为0.76，而使用土壤固化剂固化土壤，冻稳定系数为0.98，土壤固化剂较石灰提高了29%；土壤固化剂对土壤固化效果明显优于石灰，这是由于土壤固化剂中含有较多的钙离子、镁离子和铝离子，能够与土壤中的负电荷发生反应，使土颗粒之间相互靠拢并黏结，密实度增加，稳定性得到提高。

由表4可知，土壤固化剂对黏质土具有更好的固化效果，土壤固化剂固化粉质土时冻稳定系数为0.82，固化黏质土时冻稳定系数为0.98，因此对于含有较多黏质土的不良路基应该使用土壤固化剂进行加固处理，可以提高路基强度和稳定性。