無機土壤固化劑路基改良效果及應用研究

高震宇

(山西省交通新技術發展有限公司，太原 030032)

路基質量作為公路工程建設質量控制最重要、 最基礎環節， 路基材料及填筑質量的好壞直接影響著公路建設質量。由于我國幅員遼闊，部分地區土體并不能滿足路基填筑要求， 必須對土體進行一定改良才能滿足路用性能要求。目前應用廣泛的改良方式有石灰、水泥等無機結合料改性， 但上述改性方法均存在不同程度應用實際問題，如石灰改良存在早期強度低、強度增長慢等缺點，水泥改性則存在收縮隱患大，裂縫難以控制等問題[1-4]。相關研究表明，土壤固化劑作為一種新型的土體改良方案，正逐漸受到廣泛應用。 土壤固化劑種類較多，包括無機類、有機類、生物酶類及復合類等，廣泛用于地基處理、公路工程、水利工程等土體改良應用中。無機土壤固化劑作為其中一種，具有成本低、強度穩定性好等優點，具有較大的潛在利用價值。 無機土壤固化劑一般以水泥、石灰、粉煤灰等為主劑，然后摻加一定量激發劑制備產生，主要以粉末狀存在。 無機土壤固化劑改良土體機理在于其可先與土體中自由水發生反應，生成膠凝性產物，膠凝性產物可與土體中相關活性礦物繼續反應生成纖維狀晶體結構，上述反應產物在土體混合物中形成網狀結構，促進土體理、化及性質發生改變[5-10]。

研究擬選取一種常用無機土壤固化劑，對不同土體進行改良， 通過比較土體改良前、 后相關指標改變，并結合工程實例分析無機土壤固化劑對路基土體的改良效果，期望為相關路基土體改良提供新的處治方案。

1 試驗方案設計

依托某新建高速公路項目， 選取兩段不同土質路基段落取樣，分別標記為A、B 段落，土樣標記為A 土樣、B土樣。為了分析無機土壤固化劑對兩段土體的改良效果，進行室內土體性能試驗分析，分別進行界限含水率、擊實試驗(確定最佳含水率及最大干密度)、無側限抗壓強度試驗及固結試驗等， 比較無機土壤固化劑對各性能指標影響，然后在上述A、B 段落進行改良試驗段，以探討無機土壤固化劑改良方案的可行性。其中，無機土壤固化劑采用與水混合然后摻入土體拌和的方法， 固化劑與土體摻配比例為1∶30。為方便標記，將摻加固化劑前后土體分別標記為A、A+GH、B、B+GH。

2 試驗結果分析

2.1 界限含水率試驗

界限含水率作為土體重要工程特性參數，包括液限、塑限和縮限等指標。 為研究固化劑對上述參數的影響規律，對4 種土體進行液塑限試驗。其中，液限、縮限試驗分別采用圓錐儀法與搓條法。 由于A 類土粘性較差， 采用搓條法不能達到試驗終點， 采用液限儀當落錐錐入深度為3 mm 時判定達到塑限。4 種土體界限含水率測試結果如圖1 所示。

圖1 4 種土體液塑限測試結果

由圖1 分析可知：

(1)根據塑性指數計算公式：塑性指數(Ip)=液限(ωc)-縮限(ωp)，計算各土體塑性指數如表1 所示。 根據土體劃分依據，可判定，A 土體為粉體、B 土體為粉質黏土，且土壤固化劑改性后土體性質并未發生本質變化。

表1 4 種土體塑性指數

(2)整體而言，加入土壤固化劑后，土體液限、縮限并無顯著變化規律。 其中，A 土體液限、縮限值均減??；B 土體液限、縮限值均增大，但各土體變化幅度均較小，表明土壤固化劑對土體界限含水率影響較小。

2.2 擊實試驗

參照土工試驗規范， 為確定上述4 種土體最佳含水率與最大干密度，采用輕型擊實試驗進行確定。根據擊實試驗結果進行最佳含水率與最大干密度計算， 計算結果見表2。

表2 4 種土體最大干密度及最佳含水率

由表2 分析可知：

(1)隨著土壤固化劑摻入，兩種土體最佳含水率均增大，增幅分別為0.4%、0.6%。

(2)隨著土壤固化劑摻入，兩種土體最大干密度均增大，其中A 土體增幅較小，為0.02 g/cm3，B 土體增幅相對較大，為0.07 g/cm3。 由于相對而言，B 土體黏土顆粒含量較大，表明土壤固化劑對黏性土改性效果更顯著。

上述變化主要原因在于土壤固化劑加入后， 其可將土體顆粒表層水置換，增大了水的吸收率，同時也減小了土顆粒之間的相對距離， 使得單位體積內土體顆粒含量增大，進而提高了土體最大干密度。

2.3 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度作為土體室內試驗強度主要評價指標，一定程度上可反映土體填筑后承載性能。參照土工試驗規范， 按照96%壓實度進行無側限抗壓強度試驗試件制作。 試件制備完成后分3 種試驗條件進行養護：①自然風干7 d；②保濕養護7 d；③保濕養護28 d。將4 種土體、3 種養護條件試件進行無側限抗壓強度試驗， 試驗結果見表3。

表3 4 種土體、3 種養護條件試件無側限抗壓強度試驗結果

由表3 分析可知：

(1)比較各土體無側限抗壓強度變化規律，兩種土體在保濕養護條件下7d 強度與28d 養護條件強度變化均較小， 而風干狀態下無側限抗壓強度顯著高于保濕狀態下強度，且A 土樣保濕狀態下無側限抗壓強度較風干狀態減小幅度明顯。 這是由于A 土樣為粉質土，保濕狀態下由于含水率增大將導致強度衰減顯著小于粉質黏土。

(2)對比土壤固化劑對兩種土體無側限抗壓強度改善效果，相同養護條件下，土壤固化對B 土樣強度提高幅度顯著高于A 土樣，增幅分別為其2.3、11.7、13.3 倍。 表明土壤固化劑對黏性成分較高土體強度改善效果明顯優于粉質土。

(3)比較土壤固化劑對風干土體與保濕土體強度改善效果， 土壤固化劑對保濕土樣強度提高幅度顯著高于風干試樣。 結果顯示土壤固化劑對土體有水養護條件下強度具有更明顯的改善效果， 表明土壤固化劑可顯著改善土體的水穩定性。

2.4 土體固結試驗

土體固結試驗是土體在完全側限條件下壓縮變形性能，可測定孔隙比、壓縮系數、壓縮模量等指標，對土體填筑后工后沉降扽判斷、計算具有重要作用。對上述4 種土體進行土體固結試驗，試驗結果如表4 所示：

表4 土體固結試驗結果

由表4 分析可知：

(1)整體而言，隨著土壤固化劑的加入，土體壓縮系數均減小，壓縮模量均較大，表明土壤固化劑對土體壓縮特性具有明顯的改善效果。

(2)比較土壤固化劑對A、B 土體的改善效果，發現B土體較A 土體壓縮系數、壓縮模量增大幅度或減小幅度均接近A 土樣變化幅度2 倍。 表明土壤固化劑對粉質黏土壓縮特性改善效果優于粉質土。

3 工程實例

在上述A、B 段落各選取試驗段200 m， 分別改用無機固化劑進行土體改良，在填筑、碾壓施工完成后分別進行壓實度、彎沉、回彈模量等質量檢測，檢測結果如表5所示。檢測結果表明，兩段試驗段所有檢測結果均符合規范及設計要求。

表5 試驗段質量檢測結果

4 結論

依托某新建高速公路項目，選取A、B 兩段不同土質路基試樣，采用土壤固化劑對兩段土體進行改良，分別對改良前后土體進行界限含水率試驗、擊實試驗(確定最佳含水率及最大干密度)、無側限抗壓強度試驗以及固結試驗等，比較無機土壤固化劑對各性能指標影響，得出如下結論：

(1)加入土壤固化劑后，土體液限、縮限并無顯著變化規律，各土體變化幅度均較小，表明土壤固化劑對土體界限含水率影響較小。

(2)隨著土壤固化劑摻入，兩種土體最佳含水率、最大干密度均增大。 相對而言，B 土體黏土顆粒含量較大，表明土壤固化劑對黏性土改性效果更顯著。

(3)相同養護條件下，土壤固化對B 土樣強度提高幅度顯著高于A 土樣，增幅分別為其2.3、11.7、13.3 倍。 表明土壤固化劑對黏性成分較高土體強度改善效果明顯優于粉質土。 結果顯示，土壤固化劑對土體有水養護條件下強度具有更明顯的改善效果， 表明土壤固化劑可顯著改善土體的水穩定性。

(4)隨著土壤固化劑的加入，土體壓縮系數均減小，壓縮模量均較大。 表明土壤固化劑對土體壓縮特性具有明顯的改善效果；且B 土體較A 土體壓縮系數、壓縮模量增大幅度或減小幅度均接近A 土樣變化幅度2 倍，表明土壤固化劑對粉質黏土壓縮特性改善效果優于粉質土。

綜上所述， 土壤固化劑對土體各項性能指標具有明顯的改善效果，且對粉質黏土改良效果明顯優于粉質土，可用于路基土體改良處治。