道路地基填土改性技术发展现状与分析

尹博鑫 王正君 李嘉昊 贾明霖

（黑龙江大学 寒区水利工程重点实验室水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

由于现代经济的迅速发展，人们生活水平显著提高，对交通造成的负担越来越重，同时人类社会活动对自然环境造成一定破坏，导致灾害频发且愈发严重。早在2009年就有因为道路地基不稳而造成的严重铁路交通事故，近年来也报道不少因暴雨导致路基失稳造成的令人痛心的新闻，为了尽可能避免悲剧再度发生，对道路地基稳定性的研究愈加重要。

1 道路地基填土及改良方法

道路地基简称路基，是保证列车及交通运营的重要前提。土是道路地基中最常见的物质，具有开采容易、可塑性强、具有一定强度的特点，但由于土的形成位置不同，内部存在多种不同的主要矿物成份，土的形状和级配也具有明显差异，这些都对填土性质有不同程度的影响。当土壤的地质情况比较好或可以承受一定的负荷时，即可使用自然地基；但如果土壤地质情况较差或所要承担的负荷过大时，就必须人为来强化地基，这种就叫人工地基。有效地对填土性质进行改良已经成为国内外研究正在进行的的重要课题，目前人工加固道路地基已有多种方法，比如：预压法、换填法、深层搅拌法等。

2 道路地基填土的改良物质

本文主要讨论深层搅拌法中的加固剂，简单说这种方法就是将加固剂和土体搅拌在一起，送达特定的位置，以实现改良加固目的。加固剂种类有很多，下面对其中几种常见物质展开初步分析。

2.1 水泥

水泥是水、硬性无机胶凝材料按照一定比例制成的，具有良好的塑性，是工程上常见的加固剂。黄新等认为填土性质被改良主要是由于水泥的硬化胶结作用，同时素土的物理性质和改良工艺也会对加固效果产生影响。罗明亮等依托深圳机场扩建项目，在施工中分别添加不同含量的水泥和碎石进行现场试验（试验结果如表1、图1）。表明水泥含量越高，反应模量测量值越大，水泥掺量10%、碎石掺量20%时反应模量最大；抗压强度随着养护时间的增加而增加。

表1 地基承载力结果

图1 无侧限抗压强度结果对比

Ahmed Farouk针对水泥水灰比对改良土强度的影响展开研究，得出混合土抗压强度随水灰比的增加而降低，并且与水泥的剂量存在指数关系 （如图2）：Q=1.175 e（Q为7d的无侧限抗压强度、CD为水泥用量）。

图2 水泥用量与7d抗压强度的指数关系

上述论述说明水泥可以极大程度改良路基填土，提高填土的稳定性和抗压强度，针对水泥的理论研究相对完整，目前已被大量应用到实际工程中。但在应用水泥时存在如下缺点：1）生产过程中会产生能造成温室效应的CO，对环境造成不利影响；2）水泥的耐热、耐腐蚀性比较差，在填土中加固时间可能较短；3）水泥水化热较高，可能会产生温度应力导致裂缝的形成，影响地基的稳定性。

2.2 石灰

石灰主要由两种物质组成，一种是生石灰，一种是熟石灰。谢长征阐述了利用石灰进行填土改良的原理：1）离子间的交换作用，能降低结合水的含量，提高早期强度；2）.石灰遇水生成氢氧化钙、氢氧化镁，与空气中的二氧化碳反应会生成碳酸钙、碳酸镁，这类物质具有的强度较高，会使填土的稳定性有所提升；3）胶凝反应，反应生成的化学物质在水环境中发生硬化，在填土外围形成保护膜，并且具有很强的粘结力，可以保持填土长期稳定性；4）结晶，氢氧化钙在水中的溶解度不高，会以晶体形式析出，减小了土粒间的空隙，进一步提高了填土的强度。石静利用石灰对膨胀土路基进行加固改良，依据不同的掺灰率对改良土体的膨胀收缩性能进行试验，得到最佳的改良效果 （如表2）。试验结果表明石灰在一定掺量范围内对土体有改良作用，超过6%后，反而有不利影响；对改良土进行一定时间养护才能避免填土产生的较大变形。

表2 掺灰率、龄期的膨胀、收缩试验

Bisrat Gissil等对分散土路基改良，进行了承载比和无侧限抗压强度试验，并且对不同养护天数、不同掺灰率的改良填土根据ASSHTO分类系统进行了评估。结果表明改良填土的承载力和稳定性会随着掺灰率、养护时间的增加而提高；当养护时间为7～14d时，掺灰率的最佳比为7%～9%，这时路基质量由一般至稀疏变为优至良。

石灰也已经被投入到实际工程中，在工程中得到的负面反馈如下：1）干缩即温缩特征显著，会导致下层开裂；2）抗拉强度较低；3）塑性指数较小，导致稳定性较差；4）石灰对人的健康会产生一定影响。

2.3 微生物

微生物本身来源于土，加在土中不会对填土有任何扰动，所以利用微生物进行填土改良是一种经济、环保的方法。Jia He等解释了微生物矿化 （MICP）加固的原理，即诱导方解石沉淀并在土粒之间形成连接键，这些连接键使填土的强度和刚度增强。而Aswin Lim等利用电子显微镜等观察到少孢霉菌菌丝结合土壤颗粒的机理 （如图3），菌丝就像一条绳子，将土粒 “绑在一起”，提高了填土的强度。两种机理都可以使道路地基的稳定性得以保证。

图3 真菌生长演化：（A） 第1d，（B） 第2d，（C） 第3d

朱效博选择目前使用最广泛的巴氏牙孢杆菌对填土的改良效果进行的研究，选取不同浓度的胶结液加固试样，得出巴氏芽孢杆菌可以提高填土水稳定性的结论。通过实验可得，碳酸钙生产量与巴氏牙孢杆菌添加浓度并非单纯的正相关关系，当浓度为1.25mol/L，试验结果最优，抗压强度达到试验最大值1200KPa。Sabrina Marín于智利阿尔蒂普兰诺取材并与巴氏芽孢杆菌对填土的加固作对比试验 （如表3），结果显示当地微生物不仅可以在极端碱性条件下生存，而且产生的碳酸钙沉淀比巴氏芽孢杆菌形成的更多、厚度更大，土粒之间的粘结作用更强。

表3 阿尔蒂普兰诺与巴氏芽孢杆菌的试验对比

目前，生物矿化技术理论研究较少，还存在一些未知。黄飞指出微生物矿化还需要研究与探索：1）副产物。微生物矿化可能会产生对人体有害的物质；2）在实施过程中需要检测矿化过程，保证其工程质量及环境安全；3）注入的微生物是否能长期生存在该地填土中，能否长时间保证地基的稳定性。

2.4 纳米材料

任一维长度处于1～100nm的材料即纳米材料，这是21世纪最有发展潜力的一种材料。王施涵采用了纳米二氧化硅溶胶对土体进行改良，实验结果表明，掺入量很小就能显著提高填土的承载力，而且纳米二氧化硅溶胶能在土体中存活很长时间，达到长时间加固填土目的。Hamid Reza Akbari利用纳米沸石代替石灰加入到改性填土中，做了单轴抗压强度等实验。试验结果如图4所示，用纳米沸石代替40%石灰不仅能够降低对人体的伤害，而且能显著提高填土的强度，使道路地基更加稳定。

图4 纳米沸石替代量与单轴抗压强度的关系

Prasanna P.Kulkarni将纳米二氧化硅和水泥混合，使用浸水试样进行承载力实验，模拟在极端恶劣天气对填土加固情况。结果显示单独加入纳米二氧化硅不能提高土的承载力，而加入水泥和纳米二氧化硅后承载力得到了显著提高。在批次试验中，纳米二氧化硅具有促进水泥水化反应的作用；无侧限抗压强度随水泥含量和养护龄期的增加而提高。

纳米改良填土的劣势：目前没有广泛应用到实际工程中，大多数处于试验理论阶段，并且有些纳米材料还具有吸附团聚、易被氧化燃烧的特点，容易对道路地基改良造成负面影响，仍然需要进一步的研究。

2.5 纤维

纤维是一种被广泛应用的材料，具有经济、施工所用时间短、任何季节都可以使用的优点，在土中均匀分散开后，自身的长度会让它们形成一个个相互交错的网络，抑制填土在外部荷载作用下发生的运动。钱叶琳研究了纤维加筋土的动力响应特性，是一种土体在经受动荷载后的现象，结果发现动力响应特性与土和纤维的性质、环境因素等有关。Xiaohua Bao等使用不同的碳纤维与水泥混合进行了多种试验，碳纤维的长度和含量对剪切强度、法向应力、无侧限抗剪强度、轴向应变都会产生影响，并且超过最佳含量或者最佳长度后，对填土的加固效果会明显下降。戴文亭通过对使用剑麻纤维路面地基进行的各种极端气候条件下无侧限耐压性能测试和劈裂强度的测试（如图5、图6），总结出利用剑麻纤维对道路地基填土改性早期强度较高，即可以缩短施工所用时间；在极端天气的抗冻效果和水稳定性也较好。

图5 龄期对无侧限抗压强度、劈裂强度的影响

图6 冻融和浸水对无侧限抗压强度的影响

劣势：纤维成本较高，制造过程困难而且可能会产生对环境有害物质，在做报废处理时不易降解，可能会产生对人体产生永久性伤害物质。

2.6 废弃物改良

现有资源被人类的发展消耗的越来越少，却有不少工业、建筑、生活产生的废物不能得到更好的安置，二者都会导致环境不同程度破坏。利用废弃物取代需要开采、需要生产的材料就可以同时解决这两个问题。粉煤灰是燃料燃烧时排出的一种细微颗粒，张小平等利用粉煤灰混合料具有易压实、压缩性低、渗透性好、以及强度较高特点，改善道路地基填土，得出较佳配合比为80∶20～85∶15。秸秆是农作物成熟脱粒后剩余的茎叶部分，每年都有大量秸秆被烧，造成空气污染。肖力光等对秸秆改良填土进行多组试验，结果如表4显示，折压比被大大提高，这说明秸秆的掺入可以显著增强填土材料的韧性，抗冲击性和抗裂性，而且还能维持填土内的温度，替代纤维在填土中的改性作用。

表4 不同秸秆量、不同龄期的折压比情况

Muhammad发现稻壳灰中含有火山质材料，通过对黏土混合石灰以及稻壳灰的承载性能指标分析，证明稻壳灰可以改善填土的稳定性与承载能力，使其满足路基填土要求。MarianaTonini de Araújo利用蛋壳灰来改良膨胀土的力学性质。蛋壳灰是蛋壳焙烧后产生的一种替代粘结剂，其加固土体效果也相当可观。

虽然目前很多废弃物在进行土体加固的过程中还需要其他物质配合，但已经在一定程度上减少了资源的再度开发。

3 结语

使用加固剂对路基填土改良已经受到了各个国家的重视，已知可用来改良的物质也有很多，本文仅对其中几种常用物质的优缺点进行了简要的叙述，水泥、石灰、微生物、纳米材料、纤维都可以提高路基的稳定性和强度，但是其中最具有发展潜力的是废弃物利用技术，将目前人类的需求与发展结合起来，不但解决了人们无处安放的 “垃圾”，而且满足人们对可持续发展的要求，减少了资源的消耗。但还需要更深一步的研究，使其能大规模投入到实际工程中去，最大程度减少资源再度开发。