淺層土體固化技術(shù)在公路項目中的應用

王一凡 郭云漢

中國建筑土木建設(shè)有限公司 北京 100070

在新時代的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，我們不僅滿足于完成眼前的建設(shè)目標，同時也追求滿足高效生產(chǎn)、節(jié)約資源、保護環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展需求。浜塘地段的傳統(tǒng)處理方法為，將浜塘區(qū)域的淤泥質(zhì)土挖出，再使用磚渣、素土等建筑材料進行填埋，挖填及運輸過程施工周期長，機械用量大，易造成污染，且淤泥土處理困難，缺乏磚渣等建筑材料，工程質(zhì)量把控困難。近年來逐步推廣的土體固化技術(shù)，在軟土地基中注入固化劑，將其轉(zhuǎn)化為具有足夠承載力的土質(zhì)結(jié)構(gòu)，減少了挖填的繁雜工序，節(jié)約了大量人力、物力且縮短了工期，具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢，同時避免了運輸過程中的水土及揚塵污染，減少場地占用和交通影響，降低對周邊的干擾，固化劑為工業(yè)廢料設(shè)計加工而成，促進資源循環(huán)利用，且施工便利易把控管理，質(zhì)量得到提升[1-4]。

1 工程概況

1.1 設(shè)計標準

上海市某新建高速公路工程，總長度為6.64 km，主線道路等級為高速公路，地面道路按城市主干路設(shè)計。設(shè)計使用年限為100年。高速公路荷載標準按公路-I級設(shè)計，并同時滿足城-A級；地面道路按城-A級。設(shè)計安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。道路抗震設(shè)防烈度為7度，橋梁抗震設(shè)防烈度8度，高速系統(tǒng)抗震設(shè)防類別為B類，地面系統(tǒng)城市主干路橋梁抗震設(shè)防類別為丙類。主線路寬38 m，采用雙向六車道高速公路標準，設(shè)計速度100 km/h，匝道路寬12.5 m，雙車道，設(shè)計速度50 km/h。路基工程主要包括路床處理、明暗浜處理、臺后處理、路基拼寬處理等，明浜、暗浜處理均采用淺層土體固化技術(shù)。

1.2 建設(shè)條件

工程所在的上海市奉賢區(qū)為沿海區(qū)域，為亞熱帶季風氣候地區(qū)，風向為常年東南風，日照充足，雨水充沛。是上海市內(nèi)陸部分空氣質(zhì)量最好地區(qū)，空氣降塵量為市中心的1/10左右。常年平均氣溫16.1 ℃，年平均降雨量1 191.5 mm，平均無霜期225 d。全區(qū)地勢較為平坦，河網(wǎng)十分密集，表層土質(zhì)為軟塑土-可塑狀粉質(zhì)黏土，土層厚度在0.7～3.2 m范圍，河流及水塘河床土質(zhì)大多為淤泥質(zhì)土，該土質(zhì)含水高、壓縮性高，且易擾動、易變形，承載力極差，工程地質(zhì)條件差。

2 軟土地基固化設(shè)計方案

2.1 固化劑設(shè)計

選擇固化劑配比的基本要求包括：固化效率高、固化強度大、固化穩(wěn)定均勻、成本低污染小等。根據(jù)施工經(jīng)驗及該地區(qū)周邊常見材料類別，該類地質(zhì)下固化劑使用的主要材料為水泥、粉煤灰及部分添加劑，設(shè)計固化劑類型為漿劑固化劑，主要成分配置的初步設(shè)計標準為摻量為8%，包括6%強度P.O 42.5的水泥及2%粉煤灰，漿液水灰比為1∶1。

對施工區(qū)域內(nèi)進行多次小規(guī)模取樣，現(xiàn)場土的密度取1.8 t/m3，按處理深度1 m，5 m×5 m的區(qū)域計算，配置水泥用量2.7 t，粉煤灰用量0.9 t。每桶漿液的配合比水∶水泥∶粉煤灰＝900 kg∶675 kg∶225 kg，水灰比為1∶1，按一桶漿液1.8 t計算，其中水0.9 t、水泥0.675 t、粉煤灰0.225 t。粉煤灰的粒徑不宜大于1.2 mm，其中超過45%的顆粒粒徑小于0.075 mm。粉煤灰中不得含有如團塊、腐殖質(zhì)等雜質(zhì)，按設(shè)計標準設(shè)置自動配料系統(tǒng)，配料偏差不超過0.5%。最佳配合比通過記錄對比誤差范圍內(nèi)的試驗結(jié)果進行確定。

2.2 場地處理

本工程道路段設(shè)計為常見結(jié)構(gòu)，區(qū)域范圍內(nèi)浜塘共40余處，需進行固化處理后進行路基填筑，明浜地區(qū)在固化前需修筑圍堰圈定范圍，用水泵抽出地表明水，然后清理范圍內(nèi)影響固化施工的表面雜物。之后用素土或開挖出來的浜填土回填，直至標高達到與周邊地面等高處。暗浜處理區(qū)域則直接進行場地清表及整平即可。明浜區(qū)域共計回填土體37 226 m3，處理體積53 046 m3，需固化處理深度為0.77～2.60 m。暗浜處理面積27 674 m2，處理體積43 709 m3，固化處理平均深度為1.5～2.2 m。處理后對固化的區(qū)域進行測量放樣，并劃分成5 m×5 m的多個待處理區(qū)塊，若施工區(qū)域靠近河道，則分區(qū)及斷面根據(jù)水體調(diào)整，部分區(qū)塊調(diào)整為更小的其他形狀區(qū)塊以方便施工。

2.3 設(shè)備組裝調(diào)試

施工主要設(shè)備為發(fā)電機、強力攪拌頭、挖掘機、漿劑自動控量設(shè)備及空氣壓縮機等。將強力攪拌頭與漿劑自動控量設(shè)備組裝成主體固化裝置，組裝完畢后進行固化調(diào)試，測試其工作狀態(tài)是否正常，施工環(huán)境內(nèi)是否存在安全隱患，挖機的動力系統(tǒng)是否適用于強力攪拌頭并可以完成鉆進攪拌施工，同時自動控量設(shè)備根據(jù)設(shè)定自動配給材料，驗證產(chǎn)出的漿劑配比誤差在控制范圍內(nèi)。主體固化裝置試啟動過程按照以下順序及要求進行：首先檢查所有配件及細部連接結(jié)構(gòu)，如螺栓、扣件、焊接接頭等，并復核齒輪組等動力結(jié)構(gòu)安裝正確，尤其要注意油箱的正確安放，燃料無缺失及安全隱患。然后查驗排水管是否正確安裝，使管內(nèi)壓力穩(wěn)定在300 kPa以內(nèi)。均復核無誤后連接強力攪拌頭與挖掘機之間的電纜并安裝機械發(fā)動機。組合完成后通過向各角度傾斜強力攪拌頭來確保其能全方位均勻攪拌。最后是固化劑系統(tǒng)的檢查，出漿口液壓管能否自由移動，轉(zhuǎn)筒轉(zhuǎn)動方向正常。機械驗證無誤后調(diào)試配料系統(tǒng)，設(shè)置好固化劑的配比及流量，保證上下攪拌與供料的速度分別滿足相關(guān)要求。

2.4 攪拌固化

按照劃分的25 m2區(qū)塊進行細部控制，由兩岸延長線固化，待固化區(qū)域強度達到設(shè)備承重要求后，作為設(shè)備站位區(qū)域固化下一層沿線區(qū)域，由此按照設(shè)計順序逐層從外向內(nèi)推進固化處理。

經(jīng)過計算，確定單個區(qū)塊內(nèi)攪拌頭的施工數(shù)量，攪拌過程需確保噴攪均勻。每個區(qū)塊攪拌完成后還要進行整體攪拌確保整體固化均勻，相鄰區(qū)塊之間重疊噴攪不小于5 cm的條形邊界區(qū)域來避免漏攪，最終整體均勻固化形成硬殼層。

攪拌施工的具體步驟為：首先攪拌設(shè)備豎直插入原位土，設(shè)備正向運行勻速深入土體旋轉(zhuǎn)攪拌并噴射固化劑，直至達到設(shè)計深度后再反向運行勻速提升，攪拌并噴固化劑，鉆進與提升的速度均根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整，確保滿足固化劑均勻噴灑攪拌。根據(jù)經(jīng)驗，強力攪拌頭攪拌裝置的轉(zhuǎn)速控制在25～100 r/min范圍內(nèi)，一般情況下保持在50～80 r/min，轉(zhuǎn)速低于25 r/min時，需減小下推力。施工期間系統(tǒng)內(nèi)的機油工作溫度不得超過90 ℃。若遇到無法進行垂直固化的硬土層，則采用挖機翻松土體后再進行回填固化。

固化攪拌完畢后進行養(yǎng)護，強度達到規(guī)范標準后采用機械壓實表面，若距下步施工時間較長，碾壓時另覆蓋厚30 cm的素土保護土體。

2.5 質(zhì)量驗收標準

土體固化質(zhì)量檢測主要包括2個指標，固化厚度檢測及地基承載力檢測。厚度檢測通過靜力觸探試驗確定，要求處理厚度與設(shè)計厚度相差不超過20 cm。處理區(qū)域的長寬度用尺進行量測，要求現(xiàn)場量測長寬度與設(shè)計寬度相差不超過10 cm。每個浜塘測試點至少1處，且1 000 m2不少于1處。靜力觸探錐尖阻力不小于0.8 MPa。

地基承載力檢測方法為，固化14 d后在處理區(qū)域?qū)? m×1 m的荷載板進行荷載板試驗，每個浜塘測試點至少1處，且1 000 m2不少于1處，承載力不小于100 kPa，或28 d按同樣方法承載力要求不小于130 kPa進行檢測。

3 處理效果分析

以首件施工M7號浜塘作為參考，試驗檢測后各區(qū)塊質(zhì)量均達標，根據(jù)施工記錄參數(shù)表中固化劑漿液配比，施工過程中逐步減少固化劑中水泥用量比例，最終將摻量壓低至7.93%，其中水泥與粉煤灰占比變?yōu)?.85%與2.08%，提高了工業(yè)廢料粉煤灰的占比，降低了水泥用量，加強了資源的循環(huán)利用的同時節(jié)約資源，且未降低工程質(zhì)量。

為確保調(diào)整后漿劑的均勻噴攪，并提高施工效率，施工中逐步提高強力攪拌裝置的轉(zhuǎn)速，在鉆進時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在65～70 r/min，高于此速度時會導致機油溫度升高至80 ℃，提升時控制轉(zhuǎn)速至40 r/min，攪拌頭提升或下降的速率均在0.05 m/s。噴漿速度控制在160～190 kg/min，噴漿量為270～290 kg/m3，能夠均勻噴灑攪拌。

4 效益分析

經(jīng)濟效益方面，采用就地固化處理技術(shù)代替換填，成本由清淤費加換填費用約300元/m3降至180元/m3，本工程96 755 m3固化區(qū)域節(jié)省成本過百萬元，經(jīng)濟效益十分明顯。同時就地固化處理施工效率高，單個鉆頭每日可固化土體超過400 m3，本工程2組同步施工，116 d完成全部軟土地基處理，根據(jù)前期測算，若采用換填法，工期約為140 d，且未計算填筑材料缺失導致窩工的情況，工期效益明顯。同時本次地基處理經(jīng)檢測驗收無質(zhì)量問題，施工過程中施工人員少，無安全隱患，管理效率顯著提升。

而更為顯著的是社會效益，采用淺層土體固化法全程無污染，并采用粉煤灰作為原料，實現(xiàn)了土資源循環(huán)利用，體現(xiàn)了綠色施工，得到了政府部門及業(yè)主單位的認可和好評。

5 結(jié)語

淺層土體固化目前已逐漸大規(guī)模地應用在軟土地基處理中，且固化漿劑種類配比也豐富多樣，與之搭配各種不同的攪拌噴漿方法。

不同施工方法的共同目的在于結(jié)合現(xiàn)場施工實際情況完成土體固化，從水土結(jié)構(gòu)、取材難度、承載要求等各個維度進行比較，選擇最合理的施工方案，以充分發(fā)揮就地固化的優(yōu)勢，就地完成后續(xù)施工需求，減少污染并循環(huán)利用資源，達到綠色施工的總體目標。