土壤固化在城市道路淤泥质土软弱地基处理中的应用

2022-12-30杨科学中国铁工投资建设集团有限公司城市建设分公司

中国建筑装饰装修 2022年8期

杨科学中国铁工投资建设集团有限公司城市建设分公司

土壤固化是通过一定配比的土体固化剂与土体拌合后发生化学反应形成一定特性的固化土。固化土的特性包括抗压抗剪性能、沉降开裂变形性能及水稳干湿性能。在施工中，固化剂配合比和施工工艺的控制对固化土影响较大。

1 土壤固化的原理

土壤固化的原理为，采用化学方法对淤泥质软土进行固化，通过添加环保型无机复合型固化材料（主要由含二氧化硅、氧化钙等成分的无机类原材料制成）与原土进行搅拌，使得固化剂、土颗粒和水发生一系列水化反应与离子交换反应，生成胶凝物质（C—S—H—水化硅酸钙和Aft—钙矾石等），从而凝结、包裹土中的细小颗粒，使之团粒化，同时在团粒间生成针絮状物质填充空隙，最终形成具备一定强度、压缩性较低、整板性好、稳定性高、短期内可开挖再回填的土体结构，实现软土地基向工程地基的转换[1]。

2 固化土的性能

2.1 耐久性

固化土作为无机化学作用下的改良地基土，其固化原理类似于混凝土的凝结硬化原理，属于硅酸盐类反应，其化学反应过程不可逆。图1 为南京龙袍项目市政道路试验段淤泥质土软弱地基固化后的强度生长曲线，固化土强度随时间推移不断增长，最后达到稳定。

淤泥质土中加入固化剂后，早期强度生长较快，14 d、28 d 为快速生长期，28 d 后强度增长速率减慢，但仍然持续缓慢提升，360 d 后的固化土强度约为28 d 时的1.2 倍。原因如下：固化剂中的无机胶凝材料与淤泥及水发生一系列水化和水解反应，产生大量水化胶凝产物以及结晶物质，胶结、包裹淤泥中的土颗粒，并形成三维空间网状结构，从而使淤泥具备一定的结构强度[2]。随着水化进程的不断推进，大部分有效成分参与早期快速反应，而一些早期未参与反应的惰性反应物质开始逐渐参与反应（例如固化剂与淤泥中的次生矿物成分），因此强度增长在早期较为快速、激烈，后期虽大幅度减缓，但仍可处于长期反应状态。同时，由于水化反应是不可逆的，三维空间网络结构在不受外力破坏的情况下可长期保持稳定，因此可以保证固化土强度性能长期稳定，不会出现随着时间的推移强度降低或性能衰减的情况。

2.2 水稳定性

淤泥中加入固化剂后，土颗粒与固化剂之间发生离子交换作用，使得土颗粒表面吸附的结合水膜被阻断，黏土颗粒上的电势被破除，细小的黏土颗粒发生不可逆转的凝聚作用，产生胶结性土体颗粒，填充到固化土孔隙之中，形成不规则的骨架结构，从而大大减少、阻隔水的附着和毛细上升现象，进一步提高土体的水稳性。同时，固化土是亲水性材料，不会因地下水或雨水浸润而开裂崩解。此外，固化土还具有良好的抗渗性能，能够有效阻隔水体渗透，保持土体的整板性。

2.3 二次开挖及回填

为满足后期建设需求，道路路基或场地基础在固化完成后可进行二次开挖铺设管道，开挖出的固化土可作为常规土基材料回填使用。如果对管道上方回填土方有特定性能要求，也可加入适量固化剂掺拌，再回填碾压[3]。

3 淤泥质土软弱地基土壤固化的具体应用

3.1 固化液剂的配合比设计

固化液剂的配合比设计要依据现场的土壤性质进行，不同地区或区域的土质情况不同，需要进行土质检测试验后进行最优的固化剂液配合比设计，以此确保后期土壤固化后固化土的基本力学性能。

采用土壤固化配合比设计试验时，应选用3 个不同固化剂掺加量进行对比试验，其中基准配合比外加剂掺量为产品使用说明书中的推荐用量，另外两个配合比的外加剂掺量比产品推荐用量分别增加和减少25%，试验土料的粒径不应大于4.75 mm。试验测定固化土试件7 d 无侧限抗压强度，应根据对比试验结果确定选用的土壤固化外加剂及掺量。

3.2 土壤固化施工工艺流程

土壤固化施工工艺流程如下。

施工准备→基槽开挖（土料取备）→液剂制备→拌合施工→机械碾压→整型养护。

3.3 固化液剂的制备施工方法

3.3.1 罐槽式液剂施工

罐槽式液剂施工即采用专业化液剂施工工艺和成套设备进行固化处理。液剂施工工艺包含后台制浆设备和前端固化处理设备。后台系统将固化剂制浆后，利用泥浆泵输送液剂至前端挖掘机处掺合搅拌。制浆器容量为1 ～6 m3，后台制浆设备单位制浆量为16 ～36 m3/h。此方法可连续制备固化剂液剂，适用于大面积、规模化施工。

3.3.2 基槽式液剂施工

在拌合区域现场开挖液剂制备基槽，槽内定量灌水后，按量将固化剂吨包袋半沉入基槽池中开包掺入，将浆液搅拌均匀，再由挖机将液剂转运至周边。此方法灵活机动，可就地制备。

3.4 土壤固化施工步骤

路段路基固化土施工一般分两步进行：第一步，开挖至设计底标高以上约50 cm 处，对深约50 cm 的淤泥质土采取原位搅拌基本拍实的方法处理；第二步，将开挖出的淤泥质土进行异位固化，待原位搅拌的淤泥固化土存在一定反力后进行分层回填，并使用挖掘机拍实[4]。具体施工工序如下。

3.4.1 定位放样

测量放样前所需要的测量设备必须经过检测机构标定，现场所用的控制点位复测无误后，由专业测量人员现场测量放样，标识出道路路基和场地基础需要固化的范围，测量放样要加强复核，避免出现不必要的错误。

3.4.2 机械准备

机械准备是整个施工过程中的关键环节，是影响施工进展的关键因素。根据项目实际进展情况和施工计划要求合理选择施工机械，土壤固化施工用到的机械包括挖掘机、压路机、推土机、平地机、装载机、小型运土车、液剂固化设备、雾泡机及负压风机等。以上机械要根据试验段的施工工艺合理选型，最终达到资源配置最优化。

3.4.3 材料准备

由专业厂家提供固化剂，根据试验检测所得的配合比，结合现场施工进度现场制备成液剂。固化剂进场必须有相应的质量检测证明文件，进场后需要按照要求抽样复检，检测合格后方可用于施工。

3.4.4 清理场地

清除场地表层的杂物，清表厚度约30 cm，同时对施工区域进行整平。视现场土质情况，严格控制开挖深度，将开挖出的土料按序堆放在选定的场地备用，与开挖出来的基坑保持一定的距离。如果采用整体开挖方式直接开挖至设计处理深度，则开挖坑槽容易发生边坡失稳或基低隆起等情况，因此开挖至设计底标高以上约50 cm 处。

3.4.5 固化搅拌

将施工区域按照一定的标准划分区域，通过加强对每个区域开挖土方的注料以及搅拌的精细化管理，以保证施工区域均匀掺入固化剂，做到对整个区域的施工质量把控。

根据实际方量按照要求控制产量，确保按掺量均匀搅拌。搅拌要求如下。

第一，按设计要求，配料应准确，拌合应均匀[5]。第二，采用挖掘机反复搅拌混合物，使固化剂浆液和淤泥充分接触，以获得良好的效果。第三，单独使用挖掘机搅拌时，为保证搅拌效率，每次搅拌方量宜在12 m3左右，搅拌时间控制在25 min 左右。普通挖机拌完固化土进行集中打堆，然后使用挖机和推土机进行回填整平。第四，固化土搅拌后，应无固化剂块状物质，确保色泽一致、均匀。第五，潮湿地区或多雨季节施工时，应采取下垫上盖措施，保护好固化剂物料，防止渗漏或雨淋。

3.4.6 回填碾压

将拌合好的固化土逐层向上回填，每层回填的厚度控制在30 cm，并且采用6 ～8 t 压路机碾压至无明显轮迹。

3.4.7 工后养护

固化场地完成后即进行养护，若出现连续高温暴晒等情况，应适当晒水。固化土养护龄期一般为28 d，该养护龄期可视整体结构及初期使用情况进行调整。整个养护期内，固化土采用薄膜覆盖养护，强度处于不断增长状态。在其养护未达到要求养护龄期之前，未经允许应禁止各类车辆通行。

3.4.8 抑尘防水措施

第一，固化土施工采用液剂施工，并用雾炮等辅助设施避免扬尘，对土易飞扬的颗粒状材料应进行严密覆盖，以免扬尘。第二，施工现场定时进行洒水，使地（路）面保持湿润，确保小风不飞土、大风无扬尘。第三，施工现场内派专人清扫，做好监控记录，保持施工现场整洁。第四，及时关注气象预报，避开雨天施工，施工现场要设置排水沟、挡水台等防水措施，避免雨水浸泡土体。

3.5 固化土的工程质量检测

3.5.1 材料（固化剂）检测

固化剂为一种环保型无机复合型固化材料，主要由含二氧化硅、氧化钙等成分的无机类原材料制成，原材料的各项性能均符合国家标准或行业标准要求，其主要检测的项目应包括含水率、密度、细度、烧失量。

3.5.2 施工检测

施工质量检测可分为施工过程检测和工后检测。第一，施工过程检测。目测：对搅拌后的固化土进行目测，看颜色是否均匀，是否有灰条等，保证固化材料与软土能够均匀搅拌。试验检测：拌合前需要测定土样的含水率和密度，控制其含水率范围，保证固化效果。对已拌和好的固化土散土进行抽样制模，进行无侧限抗压强度测试，一般5 d 龄期的固化土无侧限抗压强度应达到50 kPa，由此判定固化土反应是否启动。第二，工后检测。固化土养护龄期达28 d 时，地基承载力检测可依据参照《建筑地基检测技术规格》（JGJ340—2015）规范进行轻型动力触探或平板荷载试验。

4 土壤固化施工中要注意的主要问题

4.1 固化土配合比设计要点

第一，严格控制土壤固化剂的掺量，其掺量并非越多越好，某些土质中的掺量过高会引起严重的收缩开裂，故应合理选择掺入量，其最终掺量需要通过试验和经济技术综合评定来确定。第二，做好土质检测工作，要在将要施工的部位取样，并且所取的土样要具有代表性，如果施工中存在多种土质，则需要全部取样试验，并分别进行配合比设计，也就是说配合比设计要齐全。