软土路基固化改良性能研究

许 凤 荣

(秦皇岛市海港区教育和体育局,河北 秦皇岛 066008)

0 引 言

随着我国经济发展,地区之间联系紧密,人们对交通出行的需求量越来越大,我国道路建设也随之快速发展.然而随着道路里程不断增加,各种地质状况也随之出现.软土作为一种工程性质较差的土,在道路施工中常常难以直接利用,然而将其废弃再换填符合要求的土往往需要大量的挖方以及运输,经济成本高昂且转运周期漫长,严重影响施工进度.因此,采用一些处理方法将改变软土性质,提高软土承载力,使其满足路基承载力要求.

上世纪八十年代,唐业清[1]对冲填地质的工程性质进行分析研究,分析发现了冲填地质力学性质不稳定,在早期具有沉降变形大、承载力低以及水稳定性差等问题.杨坪等[2]通过改变振动频率与动应力模拟车辆荷载,研究了路基破坏时孔隙水压力的变化.韩会令等[3]通过研究发现,这些土体力学性质难以满足工程需求,需要处理后才能使用.吴小勇[4]分析研究了塑料排水板的应用效果,并结合具体工程阐述施工工艺与流程.缪东等[5]通过现场试验,研究了真空预压法对软土地基的力学性能改良效果.随着国内外学者交流逐渐增多,国外学者通过添加剂改良软土特性的研究传入国内,引起我国学者的研究兴趣.戴丽菜等[6]提出一种新型的复合无机固化材料“SCA”,能够广泛应用于软土地基,并通过试验证明改良后土体能够满足路基填土的各项力学指标.杨晓鹏[7]研究了了LZSS固化剂对软土路基的可行性,该固化剂使用简单且具有良好的抗冻性与水稳定性,固化效果能持续较久.况宏伟等[8]通过分析多种固化剂与骨料掺入土体的改良效果,得到结论证明HAS能够改良土体,为工程实践提供技术支持.

本研究在前人基础上,使用PO42.5水泥固化剂对软土路基进行加固处理,通过室内试验分析土体力学性能,探究改良后土体能否满足路基承载力要求.

1 软土加固技术

软土是一种具有高含水量、高塑性指数的土体,同时具有重度小、渗透性小的特点,因此决定了这种土体高压缩性、低强度的工程特性,难以直接作为工程用土投入使用.必须经过处理,使其力学性质发生改变方可投入工程建设.

我国传统的软土加固技术主要是采用物理方式,在施加外力作用下快速改变土体的性质.随着国内外技术相互融合借鉴,采用添加化学剂改变土体性能的方式逐渐被人们接受,并逐渐投入工程实践.

1.1 物理加固

物理加固方式作为传统加固方式发展到目前已经较为成熟,仅以以下几种具有代表性的加固方式为例作为说明.

(1)强夯法

主要特征为将重锤抬升到一定高度后落下,夯实软土层,从而达到快速固结土体的效果.升至高空的重锤将重力势能转化为动能,强大的冲击波将土体孔隙压缩,达到加固土体的效果.

强夯法优点在于原理简单,操作方便,短时间内可以获得良好效果,同时价格低廉,低碳环保.但由于其操作方式简单,在重锤落下时会产生巨大噪声并伴随强烈震动,对周围居民及建筑物会产生较大影响.

(2)换土垫层法

将充当持力层的软弱土层按照需要宽度与深度替换为强度高的垫层.一般选取碎石、砂、灰土、矿渣等作为回填材料.

换土垫层法的优点在于回填材料粒径较大、性能稳定,能够起到支撑作用且价格低廉,容易获得.但需要保证在开挖过程中边坡稳定性,且回填垫层需要搅拌均匀才能回填.

(3)堆载预压法

在施工开始前对地基土体施加压力,铺设排水管道加速路基土体中孔隙水的排出,促进土体固结,短时间内达到承载力要求.

堆载预压法的优点在于产生的沉降相对均匀,操作简单,不会污染环境以及产生噪音危害,运输方便,具有可控性.但在堆载过程中要求较为严格,需要大量的堆载材料,以便于控制沉降速率,同时由于需要时间使土体固结,导致工期增长.

1.2 化学加固

相对于物理加固法施加机械力改变土体性质,采用化学加固法则是使用化学剂与土体粒子间发生反应,以达到增强土体强度、固化土体的作用.化学固化剂主要成分包括有机物、无机物以及生物酶等能够与土体颗粒发生化学反应的物质.

相对于物理加固法,采用土壤固化剂有以下几种优势:(1)固化效果持续有效.固化剂中的有效粒子与土粒在水的作用下可以持续发挥作用,达到长期固化的效果.(2)具有良好的抗冻性能.软弱土本身具有较高的含水率,气温较低时容易发生冻胀危害,掺入固化剂后,有效降低土体中自由水含量,提高土体抗冻性能.(3)经济效益明显.不需要大量碎石材料,同时有效利用原位土体,避免造成二次运输,降低成本.且不会对工期造成过大影响.

2 试验方法

2.1 土体无侧限抗压强度试验

本试验通过控制试验变量,分别分析PO42.5水泥对软土地基的固化作用,具体试验方案如表1所示.

表1 无侧限抗压强度试验结果

为便于直观分析试验所得数据,绘制曲线如图1所示.

(a) 掺量对无侧限抗压强度的影响 (b) 养护龄期的无侧限抗压强度的影响图1 掺量与养护时间对无侧限抗压强度的影响

由图1(a)可知当掺量较低时,随着养护龄期的增大,土体强度先增大,而后下降.分析原因,发现随着养护龄期增加,固化剂逐渐与土颗粒反应完全,由于掺量较低,没有固化剂继续与土颗粒发生反应,因此土体强度下降.而随着掺量增加,固化剂能够持续与土颗粒发生反应,使土体强度保持在较高的一个范围.由图1(b)可知,随着养护龄期增长,同一掺量下土体强度增加不明显,但随着掺量不断增大,土体强度不断增加,由图可知,掺量为9%和11%时,土体强度接近,说明掺量增加到一定程度后对软弱土体的固化效果达到上限.

2.2 水稳定性试验

水稳定性能够反映路基土体的耐久性.试验将掺入PO42.5水泥固化剂的改良固化土浸水后测试无侧限抗压强度,将试验所得数据整理表格如表2所示.

表2 浸水后抗压强度及水稳定系数

为便于直观分析试验所得数据,绘制曲线如图2所示.

(a) 养护龄期对强度的影响 (b) 养护龄期对水稳定系数的影响图2 浸水后土体强度试验研究

分析曲线发现,相同养护龄期下,掺量越大,浸水强度与水稳定性系数越大.相同掺量下,随着养护龄期增加,浸水强度与水稳定性系数增大.

3 结 论

采用控制变量法,分析PO42.5水泥固化剂在不同影响因素下以及浸水后固化土的强度和水稳定性系数,通过曲线对比图分析,得到以下结论:

(1)随着养护龄期增大,固化土效果有所增强,但当掺量较小时,养护龄期增大反而会降低土体强度.

(2)改良后土体强度随着掺量增加不断增大,但当掺量增加到9%,再增加掺量时土体强度增量降低,故存在最优掺量.

(3)随着掺量增大,养护龄期增加,浸水后固化土强度增加,水稳定性系数增大.