鱼塘路段人工硬壳层承载特性及计算方法

李德晟， 陈龙*， 陈永辉， 林立宏， 曾昭宇， 沈政

(1.河海大学岩土工程科学研究所， 南京 210098； 2.浙江台州市沿海高速公路有限公司， 台州 318000；3.广东省交通规划设计研究院股份有限公司， 广州 510507)

在沿海地区道路工程的施工中，经常要经过淤泥、水田、鱼塘等不良路基地段。鱼塘地段软土含水率高、抗剪强度低、透水能力弱、压缩性高，在此基础上修筑的路基往往因沉降过大或不均匀沉降出现破坏，从而影响使用。目前针对鱼塘路段的成熟处置方法主要有换填法、排水固结法、修建结构物跨越法等[1]，这些方法都难以避免施工工期长、成本高等问题，换填法产生的淤泥外运与堆置，还对环境会产生较大的危害。

就地固化技术是一种利用固化剂(水泥、石灰、粉煤灰、工业废料等)与土体内部颗粒发生的物理、化学反应，就地对软土进行固化以使其强度满足一定要求的方法，使用该技术对鱼塘路段进行地基处理，能快速形成人工硬壳层，方便施工机械进场[2]。目前中外就地固化的相关研究大致可分为两类，一是针对固化土的室内研究，如在传统固化剂中添加新型材料以提高固化土的强度、稳定性等[3]；使用新型固化剂处理重金属污染土，并分析其处理效果和工程特性[4-5]；对不同成分固化剂改良土的机理进行研究[6]；探究水泥掺量、含水率等与固化土强度或其他性能之间的关系[7]。二是就地固化方法的工程应用研究，如沈政等[8]采用就地固化技术对滩涂土进行处理，提出了适用的固化剂配合比并分析了其承载特性；徐亮等[9]将就地固化技术应用于城市快速路清淤填塘项目，先通过室内试验确定固化剂配合比并在现场试验中验证其承载力满足要求；王颖等[10]将就地固化处理低填土软基的承载结果与3种理论结果进行比较，提出了相应的设计理论。现有研究中，使用就地固化技术处理鱼塘路段还没有得到系统的工程应用，根据现场测试结果计算处理后路基承载力的方法也很少涉及。

采用就地固化技术对多鱼塘路段进行软土固化处理，详细介绍了现场情况、施工设备与施工工艺，并对固化后土体进行取芯检测，浅层平板载荷试验，轻型、重型动力触探试验；根据试验结果和相关规范等，对固化土承载力的计算和测试方法进行探讨。

1 软土就地固化设备

河海大学通过水利部“948”项目引进芬兰ALLU PMX300HD强力搅拌头，并进行相关的设备配备、自动给料设备和定位设备的研发，现已形成一套成熟的软土就地固化搅拌设备，如图1、图2所示。

其中，强力搅拌头可实现三维立体搅拌；供料系统可以实时控制固化剂输送过程中的压力、输送量及输浆泵流速等。固化系统的工作流程主要是先将储料罐中的固化剂通过送料绞龙输送至操作后台的料仓内，通过后台自动定量供料控制系统控制进料及输料，在自动感应称重装置和上下搅拌桶的共同作用下，将后台料仓内的固化剂拌匀后由输浆泵输送至输料软管，混合后的固化剂通过安装于挖掘机上的强力搅拌头的喷浆装置输出，在搅拌头的强力搅拌下，将输出的固化剂与土体均匀拌和，达到就地固化的目的。

2 工程概况

2.1 工程背景

潮汕环线高速公路金浦互通所处区域(TJ09标段)，地势平坦，鱼塘、稻田紧密分布，水网密集，鱼塘区水深0.5～1.5 m，软土深度均在3 m以内。建设过程需穿越多个鱼塘、稻田，原处理方案为素砼桩，平均处理深度9.1 m。

根据钻探及静力触探结果采用浅层换填处理方案；同时，考虑到工程周围无弃土场、弃淤困难，外运经过市区且会造成严重环境污染。于该立交范围内浅层软基处理处增加就地固化方案，并在金浦互通收费站区域选择一段路基进行就地固化试验，该试验段长60 m，宽112 m，面积6 729 m2，平均处理深度2 m。

2.2 地质情况

金浦互通区域地表有一层0.5～3.4 m的耕植土或素填土，下伏0.8～2.0 m的淤泥质土或中、细砂或粉质黏土，其下为可塑状粉质黏土或硬塑状砂质黏性土。试验段内上覆人工填土、砂土及砂质黏土、淤泥质土、中砂，下伏基岩为侵入花岗岩。表1为试验段一处钻孔获得的土性，全风化花岗岩：灰白色，风化完全，岩芯呈坚硬土柱状；微风化花岗岩：花白色，块状构造，节理裂隙发育，岩质坚硬。

表1 试验段QK17号钻孔获得的土性Table 1 Soil properties obtained from borehole QK17 in test section

2.3 设计情况

试验段设计平均固化深度为2 m，要求处理厚度与设计厚度相差不超过20 cm。处理宽度用尺量测，要求现场量测宽度与设计宽度相差不超过10 cm。将试验段划分为6 m×5 m的区块，每个区块测试点不少于3处。

固化剂为浆剂，设计固化剂为4%PO42.5水泥+2%二级粉煤灰，水灰比为0.67，施工过程中水泥浆的配合比(质量比)水∶水泥∶粉煤灰为1∶1∶0.5。

设计承载力特征值大于150 kPa，可采用固化土的静力触探、动力触探、荷载板试验等方法进行检验，以1 000 m2为一个区块。

在固化层顶部和底部分别埋设沉降板，当沉降位移超过标准时，立即停止路基填筑。对于高填路基且下有软基的区域，预压期不少于3个月。

对于鱼塘路段，先进行排水疏干，以淤泥层顶部为基准向下进行浅层固化处理，需处理完淤泥层，并进入下部土质较好土层0.5～1 m。

2.4 现场施工工艺

试验段就地固化技术施工工艺，主要包括：

(1)清表：首先对处理区域进行清除表面杂质等影响下沉搅拌的杂物，场地整平，施工前进行现场试搅，未发现搅拌头自身难以下沉土层，所以无需进行整体翻晒。

(2)划分区块：将试验段划分为单个尺寸为6 m×5 m的区块，再将每个区块分为24个小区块，施工时逐个小区块进行搅拌施工。

(3)组装设备进场：将供电系统、供料系统以及搅拌设备进行组装后进场。

(4)原位固化处理：搅拌设备直插式对原位土进行搅拌，在搅拌头上添加标志线以控制固化深度，同时利用固化剂用量控制系统自动控制固化剂用量，整体采用边固化边推进的方式。

(5)整平养护：区域固化搅拌完毕后，可在其上铺设铁板，作为固化下一区域挖机的支撑平台，同时达到对该区域进行压实效果。整个场地区域固化完毕，浅层土强度初步提高后，利用挖掘机进行场地整平和碾压，每个施工区块结束后如不用作施工平台铺设塑料薄膜覆盖养护。

对于鱼塘区域，需先使用水泵进行初步排水，方可进行上述步骤，同时，对存在活鱼的鱼塘需做好转移工作，若鱼塘深度较大，为保证路面平整，需进行回填。图3为试验段就地固化处理前后场地情况的对比。

图3 试验段就地固化处理前后对比Fig.3 Comparison of test section before and after the in-situ solidification treatment

2.5 技术经济比较

将原设计方案(素砼桩)、方案一(浅层换填)、方案二(就地固化)的造价、优缺点和工期进行对比，结果如表2所示。

表2 3种方案对比Table 2 Comparison of three options

方案一、二造价明显低于原方案，就地固化方案造价虽略高于浅层换填方案，但其在环保和缩短工期方面的优势是显著的。

3 现场试验

3.1 取芯检测

采用现场挖探和钻孔取芯的方式测量固化深度。施工过程中随即进行了现场挖探检测，经测量固化深度为2.1 m，厚度满足设计要求。同时在固化场地内随机抽取3处进行抽芯检测，芯样显示固化深度为2.6、2.3、1.5 m，平均固化深度2.13 m。

图4为现场抽芯检测过程，观察现场抽出的芯样，显示固化土层厚度为1.5～2.6 m，固化体底部与原状土结合较好，能很好地联接在一起。

图4 现场抽芯检测Fig.4 On-site core-pulling inspection

3.2 浅层平板载荷试验

固化施工满28 d后，对试验段进行浅层平板载荷试验，随机选取1点进行试验，承压板为方形，面积为0.5 m2，加荷情况如表3所示，试验结果如图5所示。

图5 浅层平板载荷试验P-S曲线Fig.5 P-S curve of shallow plate load test

表3 浅层平板载荷试验加荷历程Table 3 Loading history of shallow plate load test

路基在200 kPa荷载持续作用下，沉降仅为0.23 mm。卸载后沉降由0.23 mm回弹至0.10 mm，卸荷后回弹率为56.5%。

3.3 轻型动力触探试验

固化施工28 d后，对随机选取的24个测点进行轻型动力触探试验，根据每30 cm锤击数计算换算承载力，24个测点的承载力平均值如图6所示，图中所指的试验深度为开始进行动力触探试验时的深度，试验深度增加可反映固化深度降低，承载力指承载力特征值，下同。

图6 轻型动力触探试验结果Fig.6 Light dynamic penetration test results

根据试验结果，固化土表层承载力平均值达到了395.33 kPa，随试验深度的增加，换算承载力呈下降趋势。但即使当试验深度达；到1.8 m，即固化土底部时，平均承载力为189.67 kPa，大于设计值150 kPa。

3.4 重型动力触探试验

固化施工28 d后，随机选取8个点进行重型动力触探试验，每0.1 m深度进行一次测试，根据获得的63.5 kg重锤每10 cm锤击数N63.5(次)计算换算承载力，试验得到的结果如图7所示。试验段所使用的确定地基承载力标准值fk(kPa)的换算经验公式(由重型动力触探仪厂家给出)为

图7 重型动力触探试验结果Fig.7 Heavy dynamic penetration test results

fk=35.96N63.5+23.8

(1)

根据试验结果，固化土表层的承载力平均值达到481.5 kPa，但在0.1 m深度处进行试验，承载力平均值骤降至293 kPa，此后随试验深度的增加，逐渐降至139.75 kPa。这是由于固化剂浆体密度小于土体，机械搅拌导致部分水泥浆体上浮，使得固化土体上部形成一层较薄的“水泥浆硬壳层”。

比较轻型动力触探和重型动力触探的试验结果可以发现，当试验深度接近固化土底部时，重型动力触探试验得到的换算承载力明显低于轻型动力触探的试验结果，并且重型动力触探试验“水泥浆硬壳层”现象更明显。原因为重型动力触探试验在选择测点时随机性更强，搅拌不均匀和固化深度不足的问题得到了凸显。

4 就地固化硬壳层地基承载力探讨

4.1 规范计算

根据《建筑地基基础设计规范》(GB 5007)[11]，由土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值，并应满足变形要求。计算公式为

fa=MbγbMdγmdMcck

(2)

式(2)中：fa为由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值，kPa；Mb、Md、Mc为承载力系数，可依据φk按规范查表确定。φk为基底下1倍宽度的深度范围内土的内摩擦角标准值，(°)；γ、γm为基础底面以下土的重度和基础底面以上土的加权平均重度，kN/m3；b为基础底面宽度，m，大于6 m时按6 m取值，对于砂土小于3 m时按3 m取值；d为基础埋置深度，m；ck为基础下1倍短边宽度的深度范围内土的黏聚力标准值，kPa。

将式(2)应用于就地固化试验段(固化深度2 m)，已知原状土：γ1=14 kN/m3，c1=10 kPa，φ1=10°；固化土：γ2=15 kN/m3，c1=60 kPa，φ1=38°[12-14]。首先假设硬壳层上部(d=0)有一基础，其宽度b与fa的关系如表4所示。

随基础宽度b的增加，fa反而成下降趋势，当宽度刚超过固化处理深度时甚至产生骤降，这与常理不符。究其原因，宽度b越大，下层土对fa的影响越大，式(2)用于常规建筑地基，基底深度往往超过了软土厚度，且原状土多是上软下硬，若将式(2)用于上硬下软的固化土地基则不合适。

若将基础宽度固定为3 m，则其埋置深度d与fa的关系如图8所示。对比图8与图7的关系曲线可以发现：由式(2)计算得到的fa-d曲线虽然比重型动力触探试验实测曲线更平滑，但两曲线d=0与d=1.6 m所对应的fa相近。计算得到的曲线在d=0.1 m左右没有出现突变，即没有出现“水泥浆硬壳层”现象。

综上，式(2)并不适用于固化土地基承载力特征值的计算，但若现场固化土均匀度控制得较好，可近似使用图8曲线判断不同固化深度的地基承载力。

图8 埋置深度d与fa的关系Fig.8 The relationship between embedding depth d and fa

4.2 动力触探试验求承载力

轻型动力触探的适用范围为黏性土、粉土、粉砂[15]，而试验段固化土的变形模量多在40～60 MPa，性质相比更接近中、粗、砾砂和碎石类土[16-17]，因此轻型动力触探试验不适用于就地固化试验段承载力的确定。广东省《建筑地基基础设计规范》(DBJ 15-3—91)用N10确定地基承载力标准值fk(kPa)的关系式为

fk=24+4.5N10

(3)

根据式(3)，如果地基承载力为400 kPa(试验段常见)，则轻型动力触探试验需要约84次锤击，不适用。

针对重型动力触探试验，因变形模量相近，可参考中、粗、砾砂和碎石类土的N63.5-fk关系。根据广东省建筑设计研究院资料，中、粗、砾砂N63.5与fk之间关系如表5所示。

表5 中、粗、砾砂N63.5与fk的关系Table 5 The relationship between N63.5 and fk of medium, coarse and gravel sand

现有关于中、粗砂的资料中，N63.5一般不超过12，根据沈阳市区《建筑地基基础技术规范》(DB 21-907-96)资料，砾砂N63.5与fk之间的关系如表6所示。

表6 砾砂N63.5与fk的关系Table 6 The relationship between N63.5 and fk of gravel sand

周林花等[18]根据《动力触探技术规定》(TBJ 18—87)中碎石类土地基基本承载力f0与N63.5的关系表，用最小二乘法得到拟合方程

(4)

该方程可用于直接确定碎石土、卵砾、圆砾的承载力。将上述结论绘制于图9中。

图9 不同方法得到的N63.5和承载力关系Fig.9 The relationship between N63.5 and bearing capacity obtained by different methods

由图9可知，N63.5≤10时，检测使用曲线与广东建筑设计研究院资料吻合度极高；N63.5≤20时，检测使用曲线与周林花等得到的拟合曲线较接近；N63.5≤25时，换算承载力均不超过沈阳规范资料使用值。

锤击数较少时，使用一次函数进行拟合能较好地反映真实情况，实际上，广东资料使用的拟合公式为fk=40N63.5(3≤N63.5≤10)。然而，当锤击数增加至一定程度(如N63.5≥20)时，线性拟合结果会偏大，锤击数越大，越不宜使用线性拟合。这也是大部分规范不在锤击数较大时使用一次函数计算承载力的原因。相比之下，二次函数的拟合结果更加合理，尤其是在锤击数出现大值的时候，而固化28 d后表层土的锤击数往往大于20。

4.3 由浅层平板载荷试验推求N63.5-fa曲线

一般情况下，载荷试验被认为是测量地基承载力各种原位测试方法中结果最准确，最可靠的一种。但由于其检测费用高，检测时间长等缺点，在工程中大范围使用需要的成本很大，因此动力触探试验往往更受青睐。对于固化土地基，如何得到准确的N63.5-fk曲线拟合公式是亟待解决的难题。

根据沈阳市区《建筑地基基础技术规范》(DB 21-907—96)资料，对砾砂变形模量E0(MPa)和重型动力触探数N63.5进行拟合，可以发现两者存在显著的二次项关系，即

R2=0.999 75

(5)

周林花等[18]根据《动力触探规定》(TBJ 18—87)，得到了砂土、碎石土变形模量E0(MPa)和重型动力触探数N63.5的拟合公式，即

R2=0.998

(6)

据此可使用二次函数拟合N63.5-E0曲线为

(7)

式(7)中：a1、b1、c1为待定系数。

浅层平板载荷试验的变形模量E0(MPa)计算[15]公式为

(8)

式(8)中：I0为刚性承压板的形状系数，圆形承压板取0.785，方形承压板取0.886；ν为土的泊松比，碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质黏土取0.38，黏土取0.42；d为承压板直径或边长，m；P为P-S曲线线性段的压力，kPa；S为与P对应的沉降，mm。

若结合试验情况，取I0=0.886，ν=0.30，d=0.71 m，则式(8)可简化为

(9)

联立式(7)与式(9)，可得

(10)

式(10)中：k为P-S曲线线性段的斜率；a、b、c为待定系数。

根据式(10)，在试验段3处位置分别进行一次浅层平板载荷试验与重型动力触探试验，即可确定系数a、b、c，具有成本低、准确度高的特点。由《工程地质手册》[15]，可取S/b=0.01～0.015(b为承压板直径或宽度)所对应的荷载作为地基土承载力特征值，此时仍可近似认为P-S曲线处于线性段。安全起见，取S/b=0.01，即S=7.07 mm对应的P值为承载力特征值，可得：

(11)

式(11)即为由浅层平板载荷试验推求的固化土N63.5-fa曲线拟合公式，分析第4.2节可知，这是一个二次函数，有较好的拟合效果。

为了验证式(10)与式(11)的合理性，基于式(5)，令S/b分别为0.01、0.015，可得

(12)

将式(12)的图像绘制于图10中。

图10 新方法的合理性分析Fig.10 The rationality analysis of the new method

根据图10，由浅层平板载荷试验推求的N63.5-fa拟合公式在S/b分别为0.01、0.015的情况下，对现存的换算方法有一个较好的包络效果。

综上，针对就地固化硬壳层，使用重型动力触探试验确定承载力较为合适，可由式(10)得到适用于不同现场的就地固化检测N63.5-fa曲线拟合公式，式中的沉降S应结合工程实际确定，取S/b=0.01为一种偏安全的考虑方法。

5 结论

介绍了软土就地固化技术及其设备，并以潮汕环线高速公路就地固化试验段为例，详细介绍了该技术在鱼塘路段的应用。通过取芯检测和其他三种承载力检测试验，可得到如下结论。

(1)对于高含水率的鱼塘、稻田软土地基，相比打桩、换填等传统处理方法，就地固化方法具有费用低、工期短、节能环保等显著优势。

(2)试验段软土经就地固化处理后，在200 kPa的地表荷载持续作用下沉降仅为0.23 mm，动力触探试验测得的表层承载力超过390 kPa，能满足承载力要求，但存在搅拌不均匀现象。同一测点的动力触探试验，测得的承载力随试验深度增加呈下降趋势，且存在“水泥浆硬壳层”现象。

(3)规范公式[式(2)]不适用于固化硬壳层的承载力计算，轻型动力触探试验也不适用于固化土。对于重型动力触探试验，使用二次函数拟合N63.5-fk曲线较好，式(10)揭示了浅层平板载荷试验P-S曲线与重型动力触探试验锤击数的关系，可根据式(11)用浅层平板载荷试验数据推求现场的N63.5-fa曲线拟合公式。