适用于软土地基快速固化的土壤固化剂研究*

赵兴涛

（北京城建集团有限责任公司，北京 100088）

随着我国经济和社会的不断发展，对于道路建设的需求也越来越多，而在道路建设施工过程中需要用到大量的土地资源，我国沿海地区的土地资源又比较紧缺，因此，需要寻找其他类型的资源以满足日益增长的道路建设需求[1-3]。我国沿海地区的软土资源比较丰富，主要包括淤泥质土、泥炭质土、杂填土以及冲填土等。软土一般具有含水量大、渗透性差、孔隙比高、压缩性高以及强度低的特点，通常不能直接用于道路建设工程施工，需要对其进行固化加固处理，以满足道路建设施工的需求[4-7]。

目前，针对软土地基加固的处理方法主要有复合地基处理法、强夯法、排水固结法、真空预压法以及土壤固化剂法等[8-11]，其中土壤固化剂法是近年来软土地基加固处理研究较多的一种方法，也是一种新兴的地基处理方法，已在实际道路建设施工过程中得到了较为广泛的应用。此类方法的关键是土壤固化剂的选择，目前，较为常用的土壤固化剂类型主要包括无机固化剂（水泥、石灰、水玻璃、粉煤灰以及其他工业矿渣废料等）、有机固化剂（高分子聚合物类）、离子固化剂以及复合型固化剂等[12-16]。其中不同类型的单一固化剂对于不同区域软土土壤的固化效果差异较大，需要考虑固化剂的适应性。因此，本文以沿海地区某滩涂场地的软土样品为研究对象，开展了适用于软土地基快速固化的土壤固化剂优选实验研究，以无侧限抗压强度和水稳定系数为评价指标，主要考察了常用的土壤固化剂水泥、HAS以及复合型土壤固化剂（GS-1、GS-2 和GS-3）对目标软土样品的加固效果，以期为沿海地区道路建设施工提供一定的技术支持。

1 实验部分

1.1 材料及仪器

实验用软土样品取自沿海地区某滩涂场地（属于淤泥质粉质黏土，基本物性参数见表1）；普通硅酸盐水泥PO42.5（河北兆烨建材科技有限公司）；HAS 土壤固化剂（市售）；复合型土壤固化剂GS-1、GS-2 和GS-3 均为实验室自制。

表1 实验用软土样品的基本参数Tab.1 Basic parameters of experimental soft soil samples

YYW-2 型应变控制式无侧限抗压强度测定仪（钰展仪器设备（沧州）有限公司）；ZGH 型实验室小型高速搅拌机（常州市孝昌干燥设备有限公司）；ZP-12 型三维混凝土振动平台（河南新斯曼机械设备有限公司）；90B 型恒温恒湿标准养护箱（河北华伟试验仪器有限公司）。

1.2 土壤固化剂性能评价方法

1.2.1 无侧限抗压强度实验 首先，参照CJ/T 486-2015《土壤固化外加剂》的要求，在实验用软土样品中加入不同类型以及不同加量的土壤固化剂，搅拌混合使土样达到均匀的状态，制备出不同压实度的圆柱状固化土试样，其尺寸均为50mm×100mm。

然后，参照JTG E40-2007《公路土工试验规程》的要求，测定不同固化土试样在养护一定龄期后（3d）的无侧限抗压强度值。

1.2.2 水稳定性实验 以水稳定系数为评价指标，考察土壤固化剂对软土试样水稳定性的影响。具体实验步骤为：按照1.2.1 中的方法制备出尺寸均为50mm×100mm 的固化土试样，然后将试样在标准条件下养护3d，养护龄期达到最后24h 时将固化土试样进行浸水处理，浸水处理完毕后擦去试样表面的水分，测定试样浸水后的无侧限抗压强度Rc1，并与试样浸水前的无侧限抗压强度Rc0相比，计算其水稳定系数S，计算公式见式（1）。

式中 S：水稳定系数，%；Rc0：固化土试样浸水前的无侧限抗压强度值，MPa；Rc1：固化土试样浸水后的无侧限抗压强度值，MPa。

2 结果与讨论

2.1 无侧限抗压强度实验结果

2.1.1 土壤固化剂类型的影响 按照1.2.1 中的实验方法，考察了不同类型土壤固化剂对固化土试样无侧限抗压强度的影响，其中土壤固化剂的加量均为10%，固化土的压实度均为96%，实验结果见图1。空白软土样品的无侧限抗压强度较小，无法测定。

图1 不同类型土壤固化剂对无侧限抗压强度的影响Fig.1 Effect of different types of soil stabilizer on unconfined compressive strength

由图1 可见，加入不同类型土壤固化剂的固化土试样无侧限抗压强度差别较大，其中土壤固化剂GS-2 对固化土试样无侧限抗压强度的提升效果最好，当其加量为10%时，可使固化土试样的无侧限抗压强度增大至2.84MPa。这是由于GS-2 是由水泥、新型高分子活化剂、激发剂以及分散剂等组成的复合型土壤固化剂，其能通过与软土颗粒接触来激发软土颗粒自身的活性，改变软土颗粒的结构，抑制其吸水膨胀的特性，进而达到显著提升土壤强度的目的。因此，以固化土试样的无侧限抗压强度为评价指标，选择GS-2 作为软土地基快速固化用土壤固化剂并继续进行下一步加量的优化实验。

2.1.2 土壤固化剂加量的影响 按照1.2.1 中的实验方法，考察了土壤固化剂不同加量对固化土试样无侧限抗压强度的影响，其中土壤固化剂类型均为GS-2，固化土的压实度均为96%，实验结果见图2。

图2 土壤固化剂加量对无侧限抗压强度的影响Fig.2 Effect of soil stabilizer dosage on unconfined compressive strength

由图2 可见，随着土壤固化剂GS-2 加量的不断增大，固化土试样的无侧限抗压强度值呈现出逐渐增大的趋势。当土壤固化剂GS-2 的加量达到12%时，固化土试样的无侧限抗压强度值可以提升至3MPa 以上，再继续增大土壤固化剂GS-2 的加量，固化土试样的无侧限抗压强度值增大的幅度逐渐减小。因此，综合考虑软土地基的固化效果和经济成本等因素，以固化土试样的无侧限抗压强度为评价指标，选择土壤固化剂GS-2 的最佳加量为12%。

2.1.3 固化土压实度的影响 按照1.2.1 中的实验方法，考察了固化土压实度对固化土试样无侧限抗压强度的影响，其中土壤固化剂类型均为GS-2，土壤固化剂的加量均为12%，实验结果见图3。

图3 固化土压实度对无侧限抗压强度的影响Fig.3 Effect of compaction degree of solidified soil on unconfined compressive strength

由图3 可见，随着固化土试样压实度的不断增大，试样的无侧限抗压强度值呈现出逐渐增大的趋势。当固化土的压实度由90%增大至100%时，试样的无侧限抗压强度值可由2.57MPa 增大至3.24MPa，提升幅度达到了26.07%。这是由于固化土的压实度越大，固化土越密实，内部结构就相对更为稳定，从而提升了其无侧限抗压强度。因此，在实际施工过程中，为了更好的提升软土地基的强度，应尽可能的增大固化土的压实度。

2.2 水稳定性实验结果

2.2.1 土壤固化剂类型的影响 按照1.2.2 中的实验方法，以水稳定系数为评价指标，考察了不同类型土壤固化剂对固化土试样水稳定性的影响，其中土壤固化剂的加量均为10%，固化土的压实度均为96%，实验结果见图4。空白软土样品遇水即崩裂，无法测定水稳定系数。

图4 不同类型土壤固化剂对水稳定性的影响Fig.4 Effect of different types of soil stabilizer on water stability

由图4 可见，土壤固化剂类型对固化土试样的水稳定系数影响较大，水泥作为固化剂时固化土试样的水稳定系数较低，仅为58.3%。而土壤固化剂GS-2 的效果相对更好，当其加量为10%时，可使固化土试样的水稳定系数增大至85.7%。这是由于土壤固化剂GS-2 中的活性成分能够通过改变土壤颗粒的结构和活性等作用来提升其稳定性能，从而使软土土壤具有良好的防水和防渗透效果，增强其耐水性能。因此，以固化土试样的水稳定性为评价指标，同样选择GS-2 作为软土地基快速固化用土壤固化剂并继续进行下一步加量的优化实验。

2.2.2 土壤固化剂加量的影响 按照1.2.2 中的实验方法，以水稳定系数为评价指标，考察了土壤固化剂不同加量对固化土试样水稳定性的影响，其中土壤固化剂类型均为GS-2，固化土的压实度均为96%，实验结果见图5。

图5 土壤固化剂加量对水稳定性的影响Fig.5 Effect of soil stabilizer dosage on water stability

由图5 可见，随着土壤固化剂GS-2 加量的不断增大，固化土试样的水稳定系数呈现出逐渐增大的趋势。当土壤固化剂GS-2 的加量达到12%时，固化土试样的水稳定系数即可以增大至90%以上，再继续增大土壤固化剂GS-2 的加量，固化土试样的水稳定系数增大的幅度逐渐减小，这与1.2.2 中的无侧限抗压强度实验结果基本一致。因此，综合考虑软土地基的强度、水稳定性以及经济成本等因素，选择土壤固化剂GS-2 的最佳加量为12%。

2.2.3 固化土压实度的影响 按照1.2.2 中的实验方法，以水稳定系数为评价指标，考察了固化土压实度对固化土试样水稳定性的影响，其中土壤固化剂类型均为GS-2，土壤固化剂的加量均为12%，实验结果见图6。

图6 固化土压实度对水稳定性的影响Fig.6 Effect of compaction degree of solidified soil on water stability

由图6 可见，随着固化土试样压实度的不断增大，试样的水稳定系数同样呈现出逐渐增大的趋势。当固化土的压实度为90%时，试样的水稳定系数较低（仅为72.5%），而当固化土的压实度增大至100%时，试样的水稳定系数则可增大至93.5%，与压实度为90%时相比，水稳定系数提升了28.97%，这与

2.1.3 中的无侧限抗压强度实验结果基本一致。这是由于固化土试样的压实度越大，越会压缩土壤颗粒的毛细管中的水分，致使其内压降低，使毛细管中的结合水逐渐变成自由水；另外，土壤固化剂GS-2 中的表面活性剂成分会吸附在土壤颗粒表面，疏水基团朝向外部，大大降低土壤颗粒的亲水性，使其不易吸水膨胀，从而达到提高固化土试样水稳定性的目的。 因此，在实际施工过程中，应尽可能的增大固化土的压实度，以最大程度的提升其水稳定性。

3 结论及建议

（1）土壤固化剂的加入能够不同程度的提升目标软土样品的无侧限抗压强度和水稳定性能，其中土壤固化剂GS-2 的效果最好，随着GS-2 加量以及固化土压实度的不断增大，试样的无侧限抗压强度和水稳定系数均逐渐增大，当GS-2 的加量为12%、固化土压实度为96%时，无侧限抗压强度值可以达到3.05MPa，水稳定系数可以达到90.3%。

（2）土壤固化剂GS-2 能够满足软土地基的快速固化需求，建议在实际施工过程中，根据工程需要选择合适的土壤固化剂加量，并尽可能的提高固化土的压实度。