路基杂填土处理及加固措施研究

郭逾冬

（招商局重庆交通科研设计院有限公司,重庆 400067）

杂填土路基通常大范围聚集性出现,不仅杂填成分复杂,且填充物质在不同时间不同地点随意堆放自然形成,因此与一般路基相比,对其进行处理时有较大难度。采用不同的加固处理方式对同一场地的杂填土路基进行处理后,加固效果也往往各不相同[1]。如何根据杂填土路基的实际情况选用合适的处理方式,使路基性能满足要求。本文介绍常用的几种杂填土路基处理方式,阐述其原理、方法、适用范围、特点,并结合实际工程项目,将室内物理- 化学处理与现场机械加固相结合,达到技术可行、经济合理的目的。

1 杂填土处理及加固措施

1.1 CFG 桩加固

在制作CFG 桩时,一些常见的无机结合料,如水泥、碎石、粉煤灰等是制作CFG 的主要材料。将上述材料加水拌合,再经专业化机械设备成桩制作,通常还要经过一定时期的养生,即可形成具有一定强度的桩身柱体。

CFG 桩对杂填土的加固主要表现在以下几个方面：

（1） 桩体作用 首先,桩体由碎石等强度较高的材料制作而成,能有效提高杂填土路基的强度,能够显著增强桩间土体的抗液化能力,对杂填土的其他性能也能起到良好的改善作用。其次,CFG 桩加固技术是将强度相对较大的CFG 桩柱体埋入杂填土路基中,将原有杂填土路基中的低强度杂填土“挤压”出去,即用高强度桩体置换低强度杂土。埋入CFG 桩的土基较之原来的杂填土路基,强度更高,模量更大,也能承担相对更多的荷载。

（2） 振动挤密作用 将CFG 桩管体埋入路基时,机械设备作业时会带动施工区域的土地以一定频率振动,原本的桩间土不断受到挤压,土颗粒等不断受到压缩,土体的密实度不断提高,其压缩模量和强度也相应得到改善。

（3） 桩对土的约束作用 当上部荷载作用在桩间土时,在桩体的限制下,其横向变形较之未填埋CFG桩时减少,整个复合地基的纵向变形相应减少,复合地基的承载力增强,抗沉降抗变形能力提升。

（4） 褥垫层作用 褥垫层存在于路基与“桩- 桩间土”组成的整体之间,主要起到应力缓冲作用。当有外力作用在上部结构时,“桩- 桩间土”组成的整体会承担一部分荷载,另一部分荷载经褥垫层传递给地基。

褥垫层一般由碎石和砂组成,其中,砂的最大粒径不能超过30 mm。

（5） 加速排水固结作用 当CFG 桩加固技术应用于饱和砂土或者细颗粒粉土土基时,CFG 桩能起到加速排水固结的作用。一方面,CFG 桩在施工时不断振动,对周围土体产生挤压作用。在这种振动挤压下,周围土地因外力作用逐渐产生超孔隙水压力,促使土体中的水分经由裂隙排出,从而导致路基排水固结速度加快,详情见图1。另一方面,CFG 桩体一般由碎石、粉煤灰等粗骨料构成,在水泥完全硬化之前,颗粒间存在不少缝隙,构成良好的排水通道。路基中的水分经由桩体内的排水通道排出,路基排水固结速度加快,如图2所示。

图1 CFG 桩复合地基排水固结示意图

图2 CFG 桩复合地基承载力示意图

1.2 水泥加固处理

用水泥加固杂填土路基,主要靠水泥中的主要熟料与土路基中的水及盐类离子发生水解水化反应得到的产物[2]。水化物进一步发生胶结,促使路基强度提升。用普通硅酸盐水泥加固杂填土路基,主要反应如下：

硅酸三钙在水泥加固杂填土中起最主要的作用,其反应方程式如下：

产物之一的硅酸二钙是反应后期的主要强度来源：

铝酸三钙初凝速度最快,起到加快水泥早凝的作用：

因氢氧化钙的过饱和程度降低的速度与水泥中碱性物质的含量及碱的溶解速度呈正相关,土质的不同也影响着水泥加固土的效果。当粘性土塑性指数较大且含有较多的粉粒、粘粒且粘性土时,氢氧化钙会先与粉粒、粘粒发生作用,降低土体的PH 值,使得水泥水化物的硬化速度变慢。

水泥加固土具有强度高,稳定性好,结构抗水性能好,抗冻性良好等特点。由于水泥加固土施工工艺简单、抗渗性能优良、外观美观、稳定性好,其在工程中应用范围广泛,常见并不止于不良土体加固、基坑支护、河道护坡、水池护壁等。

1.3 石灰加固处理

将石灰加入土中后,石灰与土中的水分发生一系列物理化学反应,离子交换作用下土颗粒发生胶结,析出晶体；Ca (OH)2发生结晶作用生成结晶网格；Ca(OH)2发生碳化作用变成强度更高的碳酸钙；火山灰作用下生成铝酸钙等胶结物；再加上养生,石灰加固土的强度逐渐提高[3]。这个过程中主要发生的反应如下：

（1） 离子交换作用 石灰在水中或强碱环境中会解离出二价钙离子,土颗粒中含有钠、氢、钾（N+、H+、K+）等低价阳离子的矿质离子。将石灰加入土中,高价钙离子与低价钠、氢、钾（N+、H+、K+）进行离子交换,而吸附性与离子的价位成正相关,因此土颗粒胶体的吸附层降低,胶结作用发生。土颗粒逐渐汇聚在一起形成团粒,较之原来的土颗粒空隙降低密实度提高,从而实现增强土体强度和稳定性的目的。

（2） 结晶作用 用石灰加固土时,当Ca(OH)2达到饱和状态时会发生结晶作用,生成生石灰结晶网格。这一过程的化学反应式为：

石灰与土体中的活性矿物质发生反应生成足够多的水化产物是结晶作用的前提。随着化学反应的持续进行,这些水化产物的含量增多。水化产物达到一定浓度后,发生结晶作用,产生的结晶并作为一层“保护膜”附着在土颗粒周围。晶体保护膜对增强土体强度起到重要作用：一方面填充了土颗粒间的空隙,使土体更加密实,提升了土体强度；另一方面阻止外来水分深入土颗粒中,提升了土体水稳定性。遗憾的是这个过程进行的非常缓慢,当土体需要快速加固时仅依靠结晶作用是不可行的。

（3） 火山灰作用 石灰的加入将原有土体中的酸碱度逐渐改变,土体环境变为强碱性。在强碱状态下,土体内部的活性矿物质粒子,如氧化硅、氧化铝等,逐渐发生化学变化,其反应式如下：

从上述反应式中不难发现,火山灰作用需消耗土体中的水分。因为发生了火山灰作用,用石灰处理杂填土,不仅能够加强强度和承载力,还能赋予土体一定的水硬性。

（4） 碳化作用 碳酸化的化学反应式为：

产物之一的碳酸钙（CaCO3）本身硬度大,能和土中其他物质发生反应生成复杂盐类,而且复杂盐类又能继续和碳酸钙一起作用,使得土粒发生胶结,从而提高土体的强度,增大土体的稳定性。

1.4 固化剂加固

在土中加入固化剂,固化剂中起到固化作用的高分子聚合物溶于土体中的水,表面活性剂和土颗粒相互吸附,土颗粒间的表面自由能降低,颗粒与颗粒间的排斥作用减小,促进土颗粒更好的凝聚在一起,使得土体的强度与水稳性逐渐增强。因上述作用,经过固化剂加固的土体较之一般土体有更强的耐水性能,压实后也不易发生土体湿陷或者塑化现象。

利用固化剂加固路基土时,其施工作业简单、操作方便、经济效果佳,且不会对交通产生影响,路用性能优良,因此具有广泛的适用性。常见并不限于路基土加固、坡面加固、水利护坡加固等工程中。

1.5 强夯法加固

强夯法加固土体的原理相对比较简单。即利用起重设备将夯锤提升到一定高度,然后使夯锤发生自由落体运动,利用其下落时巨大的势能转化成的强大冲击能量夯实土体,以此来提升土体的强度和承载力。动力固结理论多用于加固饱和土。因为理论上认为饱和土是土颗粒周围被液体填满的土体[4],用强夯法加固时,随着夯锤的不断夯击,土体的超孔隙水压力逐渐增大,增大到一定程度时,土体结构发生破坏并形成放射状裂隙（详见图3）。土颗粒的孔隙水沿着这些裂隙排出,土中水压力逐渐消散,土体快速固结,密实度增加。

图3 强夯作用下产生的排水

2 杂填土处理与加固方法的可行性分析

某旅游公路先后穿过三个杂填土路基的区域,其中占地面积最大的一片区域近似为边长35 m 的正方形。经过实际勘察,发现路基中含有杂草、煤渣等多种工业垃圾、陶瓷砖瓦碎片等建筑垃圾、塑料布条等生活垃圾,成分复杂且不易降解,土质疏松,压塑性高[5],是典型的杂填土路基。根据上述实际,综合考虑几种常用的杂填土处理方法,分析如下：

（1） 若采用CFG 桩加固土体,桩体需要事先在预制工厂完成预制、养护后再运送至施工场地。这会产生如下几方面的不利因素：一是施工周期相对较长。浇筑桩身的混凝土需养护至强度达标,需要一定时间。二是成本相对较高。工地周边区域没有满足要求的预制工厂,从别处预制好桩体后运输到施工场地,运输费用高。三是施工场地不满足要求。沉桩施工需要较大范围的施工作业面,而工程实地被夹在东侧10 m 远的河道与西侧的杂填坑之间,作业面小,施工场地严重受限,无法满足沉桩作业要求。因此,CFG 桩加固方法不适用于该工程。

（2） 若采用水泥、石灰或者固化剂加固,三种材料各有优势。水泥加固土具有较高的强度和承载力、较好的稳定性和整体性,适用范围广；石灰加固土抗压强度和板体性相对较高,刚性和荷载分布能力较大,水稳性好,施工方便；固化剂加固土水稳性好,强度高,成本低,节能效果好。鉴于上述因素,考虑将上述三种材料用于杂填土加固。

（3） 强夯法在这一施工场地中具有很大的优势：能够提升路基的强度和承载能力,施工机具简单,节约材料,成本较小。施工场地远在郊区,施工时产生的噪音和振动也不会打扰到居民,场地也适合强夯作业。但是强夯法不能处理杂填土中的有机质。

综合考虑多种加固处理方法,确定采用“固化材料+强夯”的方法对项目中的杂填土路基进行处理加固。

3 杂填土处理与加固方法的确定

鉴于杂填土路基成分复杂、污染物多且土质疏松、承载力差等特点,对其进行加固处理时,应首先将树枝、杂草、布料、塑料等不宜作为路基填筑材料的成分清理出去,然后尽可能碾碎其中的大颗粒土。若杂填土路基中含有大块碎石类土、建筑生活垃圾土或工业废料土,优先考虑强夯法。其次采取合适的方法对对杂填土进行固化。综合考虑水泥、石灰、固化剂等材料的特性,结合工程实际,并进行物理力学性能试验,设置对照组,确定最佳的加固材料及最优的配合比,使得加固土体密实度增加的同时,不均匀性和高压缩性得以减小甚至完全消除。最后本文在综合考虑多种加固处理方法的基础上,结合工程实际,创造性的采用“固化材料+强夯”的方法,在加固杂填土满足性能要求的前提下,又可以简化施工、节约成本。有效避免传统单一采用掺灰加固或强夯法的弊端[6]。

4 结论

综上,本文主要阐述了五种常用的杂填土处理加固方法,分析了它们的加固原理、适用范围和优缺点。结合实际工程,对各种方法进行综合分析,最终确定以一定配比的水泥、石灰、固化剂组成的材料进行室内杂填土的加固,并结合强夯加固方法对杂填土路基进行加固。