土壤固化劑加固細粒土路基的應用研究

張東海

（山西路橋第一工程有限責任公司，山西 太原 030006）

目前，細粒土路基常用水泥穩(wěn)定砂石來加固，但隨著我國公路事業(yè)的快速發(fā)展，砂石材料已不能滿足日益增長的需求，且砂石的過量開采會破壞環(huán)境、致使資源消耗、生態(tài)惡化[1]。另一方面，一些地區(qū)砂石資源匱乏，滿足不了公路建設要求。土壤固化劑作為一種新型工程材料，能夠迅速改善土體的工程性質，提高其強度[2]。因此，在滿足一定的經濟效益情況下，可利用土壤固化劑穩(wěn)定細粒土路基，使其具有與水泥砂石相當的功能。國內外已對土壤加固技術展開了較全面的研究。Zalihe等[3]通過試驗發(fā)現，采用粉煤灰與石灰作為固化劑，可顯著改善石灰膨脹性黏土的性能；Kate等[4]對液體離子固化劑加固土的應用展開了研究，發(fā)現液體離子固化劑可較好地提高土體的強度，滿足工程應用要求。20世紀80年代，我國開始研發(fā)土壤固化技術，并取得了可喜的成果。李迎春[5]等在黏土與粉土中分別加入復合固化劑，發(fā)現黏土與粉土中的活性物質被激發(fā)，生成CSH膠凝，加固效果顯著；肖亞子等[6]用石膏來穩(wěn)定石灰土，并取得了良好的加固效果。但國內外對土壤固化劑加固細粒土路基的應用效果及路用性能尚不完善。

通過室內試驗，本文對固化劑加固細粒土的無側限抗壓強度、回彈模量以及承載比性能進行了研究，并通過工程實例對固化劑穩(wěn)定細粒土基層的路用效果進行了分析評價。

1 試驗材料

1.1 砂土與黏土

試驗所選用的細粒土分為砂土與黏土，均取自某一級公路項目的路基填土，砂土顆粒分析如表1所示。按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]，由重型擊實試驗，可得到砂土及黏土的相關物理參數如表2、表3所示。

表1 砂土的顆粒分析

表2 砂土的物理參數

表3 黏土的物理參數

1.2 固化劑

本試驗所采用的土壤固化劑為粉末固化劑，其成分主要為一些活性材料，并配入一定量硅酸鹽水泥、減水劑、活性激發(fā)劑與高分子聚合材料等。固化劑中的這些成分能與土壤作用，發(fā)生一系列的物理及化學反應，從而提高土壤的強度及性能。

2 固化劑穩(wěn)定細粒土路用性能研究

2.1 固化土的室內擊實試驗

為分析固化土的最大干密度與最佳含水率，為現場施工提供參考，試驗采用CSK-VI型多功能電動擊實儀，取固化劑的摻入量為10%，按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》JTG E51—2009[8]，分別進行固化砂土、固化黏土的室內擊實試驗，可得如圖1所示試驗結果。

圖1 加固土的干密度與含水量的關系

由圖1可知，固化砂土的最佳含水率與最大干密度分別為9.2%、1.927 g/cm3，固化黏土的最佳含水率與最大干密度分別為14.3%、1.742 g/cm3。

2.2 固化劑摻入量對加固土的無側限抗壓強度的影響

取固化劑的摻入量分別為3%、7%、10%，12%、15%，將自然風干后的砂土與黏土分別過5 mm篩。本試驗采用的應變控制式無側限壓縮儀，型號為YYW-II型，參照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》JTG E51—2009[8]，按最佳含水率分別制定試塊，標準養(yǎng)護28 d后，測定其無側限抗壓強度，結果如圖2所示。

圖2 不同固化劑摻量下的無側限抗壓強度

由圖2可知，隨著固化劑摻量的增加，砂土與黏土的無側限抗壓強度均有較好的增加。其中，固化劑對砂土的加固效果要優(yōu)于黏土。當固化劑的摻入量由7%提高到12%時，固化黏土與固化砂土的無側限抗壓強度迅速增加，其中，固化砂土的無側限抗壓強度增長了0.381 MPa，固化黏土的無側限抗壓強度增加了0.413 MPa。當固化劑摻入量大于12%后，兩種不同路基土的無側限抗壓強度的增長幅度逐漸減少。這是因為隨著固化劑摻入量的增加，固化劑與土壤的反應逐漸趨于飽和，加固作用逐漸達到臨界點。因此，在工程應用中，考慮到經濟效益，建議取固化劑的摻入量為10%。

2.3 齡期對固化土無側限抗壓強度影響

取固化劑的摻入量為10%，按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》JTG E51—2009[8]，分別測得固化砂土、固化黏土在不同齡期下的無側限抗壓強度，可得如圖3所示結果。

圖3 固化土在不同齡期下的無側限抗壓強度

由圖3可知，隨著齡期的增加，固化劑穩(wěn)定砂土與黏土的無側限抗壓強度逐漸增加。其中，固化劑的摻入使得砂土與黏土的早期強度迅速增加，砂土與黏土在齡期為28 d時，其無側限抗壓強度分別增長了0.612 MPa、0.412 MPa。另一方面，隨著齡期的增長，兩類固化土的無側限抗壓強度的增長幅度逐漸減弱，直到最大值。

2.4 加固土的回彈模量及浸水膨脹量

本試驗所采用的儀器為HM-1型回彈模量測定儀，固化劑的摻入量為10%，固化砂土混合料的最佳含水率與最大干密度分別為9.2%、1.927 g/cm3，固化黏土混合料的最佳含水率與最大干密度分別取14.3%、1.742 g/cm3。按照《公路工程無機結合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》JTG E51—2009[7]，加載速度調至4～4.5 mm/min，分別測定兩種加固土的回彈模量及浸水膨脹量，可得如表4所示試驗結果。

表4 加固土的回彈模量及浸水膨脹量

由表4可知，摻入固化劑后的砂土與黏土的回彈模量值在549～834 MPa之間，浸水后的膨脹量在0.004 6%～0.021 9%之間。其中，固化砂土的回彈模量值要大于固化黏土，浸水膨脹量小于固化黏土。由表4所示可知，摻入固化劑后的砂土與黏土，其變形性能較好，兩類土的回彈模量值與無側限抗壓強度值存在一定的正相關關系。

2.5 加固土的承載比

工程中，一般用CBR值作為路基土、路面材料的設計參數，為測定兩類加固土的承載能力，進行承載比試驗。本試驗采用ZSY-13型承載比測定儀，表5為在不同固化劑摻入量下，齡期為60 d時，按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）[7]進行承載比試驗得到的結果。

表5 加固土的承載比試驗結果

由表5可知，隨著固化劑摻入量的增加，砂土與黏土的承載比逐漸增加。其中，固化砂土的承載比大于固化黏土，且當固化劑摻入量由3%增加到10%的過程中，固化砂土的承載比要明顯優(yōu)于固化黏土。

3 工程應用與效果評價

3.1 工程概況

本文依托某新建一級公路項目展開固化劑穩(wěn)定細粒土路基的研究，該公路跨越黏土與砂土區(qū)域較廣。該公路K54+300—K55+300段為固化砂土試驗路段，K563+120—K564+120段為固化黏土試驗路段，黏土與砂土的物理參數同表2、表3所示。施工中，固化劑的摻入量為10%，固化砂土與固化黏土的最佳含水率分別取9.2%，14.3%。采用大型機械設備將混合料拌合均勻后，對路基進行鋪筑、壓實。

3.2 壓實度檢測

按照《公路工程質量檢驗評定標準》JTG F80/1—2004[9]，采用灌砂法對試驗路段進行壓實度檢測，由檢測結果可知，固化砂土試驗路段的壓實度平均值為98%，且各樁號的壓實度值均大于96%；固化黏土試驗路段各樁號的壓實值均大于97%，平均壓實度達到了99%。因此，各試驗路段的壓實度均滿足施工要求。

3.3 鉆芯取樣分析

路基施工完成并養(yǎng)護60 d后，對各試驗路段進行鉆芯取樣，對 K54+300—K55+300段、K563+120—K564+120段，每間隔100 m，取3個試驗，各路段均取得30個試驗，分別進行無側限抗壓強度檢測。

檢測結果表明，固化砂土路段的無側限抗壓強度平均值為1.21 MP，大于室內試驗所測值1.13 MPa；固化黏土路段的無側限抗壓強度平均值為1.03 MPa，大于室內試驗所測值0.92 MPa。因此，各試驗路段路基均有較好的抗壓強度，且滿足相關標準。

3.4 沉降觀測

路基養(yǎng)護60 d后，對試驗路段進行彎沉檢測。按照《公路路面基層施工技術細則》JTG/TF20—2015[10]，選取具有代表性的橫斷面埋設沉降板，可得各橫斷面的路基沉降量觀測值如表6、表7所示。

表6 K54+300—K55+300段路基的沉降觀測表(固化砂土)

表7 K563+120—K564+120段路基的沉降觀測表(固化黏土)

如表6、表7所示，砂土與黏土路基在摻入固化劑后，其路基沉降量滿足相應的沉降量控制標準，且具有較好的強度。由此可知，固化劑的摻入能夠有效控制砂土與黏土路基的沉降，增加路基的抗壓強度，保證路基的長期性能。

4 結論

a）隨著固化劑摻入量的增加，砂土與黏土的無側限抗壓強度均逐漸增加；當固化劑摻入量大于12%后，砂土與黏土的無側限抗壓強度的增長幅度逐漸減少。

b）隨著齡期的增加，固化劑穩(wěn)定砂土與黏土的無側限抗壓強度逐漸增加；固化砂土的回彈模量值要大于固化黏土，浸水膨脹量小于固化黏土。

c）隨著固化劑摻入量的增加，砂土與黏土的承載比逐漸增加。其中，固化砂土的承載比大于固化黏土。

d）工程應用中，建議固化劑摻入量取10%，固化砂土與固化黏土的最佳含水率分別取9.2%，14.3%，固化劑的摻入能夠有效控制砂土與黏土路基的沉降，增加路基的抗壓強度。