土壤固化劑在鐵路路基地基處理中的應(yīng)用探討

姚昊宇(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610036)

0 引言

隨著國(guó)家科技、經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，以石灰、水泥、粉煤灰、碎石等材料傳統(tǒng)的鐵路路基處理方法已經(jīng)不能滿足新時(shí)代對(duì)鐵路路基的更高要求。且這種傳統(tǒng)材料需要消耗大量資源、能源等，經(jīng)濟(jì)效益不突出，還容易造成污染。針對(duì)鐵路路基的處理中，水泥、石灰及粉煤灰固化土存在的缺陷，探求一種能改善土壤水穩(wěn)性，增加強(qiáng)度、降低干縮性的同時(shí)又節(jié)能環(huán)保的土壤處理方式是道路建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。土壤固化劑就為人們提供了這樣一種經(jīng)濟(jì)又而有效的固化土壤的方法。

1 土壤固化劑特點(diǎn)及其在鐵路路基地基處理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.1 土壤固化劑特點(diǎn)

土壤固化劑的技術(shù)先進(jìn)，能縮短工期，降低資金成本投入，還可以有效保護(hù)周圍生態(tài)環(huán)境。土壤固化劑的應(yīng)用可以代替石灰等傳統(tǒng)的、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重的材料，從而達(dá)到了保護(hù)植被、降低CO2排放量的效果，這也使得此項(xiàng)技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性得到了突出體現(xiàn)[1]。

1.2 土壤固化劑在鐵路路基地基處理中的具體應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1.2.1 可縮短工期

與傳統(tǒng)的路基處理方式相比較，土壤固化劑的應(yīng)用可以使路面基層施工工期縮短50%左右。

1.2.2 可節(jié)約資金成本

土壤固化劑原料造價(jià)較低，再加上處理施工中會(huì)依然是以當(dāng)?shù)赝寥罏橹饕?，進(jìn)而明顯降低施工成本，一般可節(jié)約成本40%～50%。

1.2.3 節(jié)能環(huán)保

土壤固化劑最為主要的優(yōu)勢(shì)是節(jié)能環(huán)保，其與傳統(tǒng)的路面基層材料存在明顯差異，在施工過程中對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境的破壞幾乎為零。

1.2.4 施工流程簡(jiǎn)單

土壤固化劑與土壤的和易性良好，一旦與土壤結(jié)合之后，很容易開展接下來的壓實(shí)操作，便于施工。

所應(yīng)用的施工機(jī)械設(shè)備與以往的路基施工設(shè)備基本相同，并明顯縮減了勞動(dòng)力[2]。

1.2.5 冷凍穩(wěn)定性好

經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐表明，土壤固化劑具有良好的冷凍穩(wěn)定性，可以結(jié)合季節(jié)性溫度特征使用，并且我國(guó)在此方面的技術(shù)研究已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。

2 土壤固化劑在鐵路路基地基處理中的應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 工程概況

以Z市市內(nèi)某新建鐵路路段為例，線路全長(zhǎng)9.1 km。在進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，確定以40 cm煤矸石及20 cm級(jí)配碎石為原料。在工程正式建設(shè)施工之前，由于原材供應(yīng)不足，導(dǎo)致其價(jià)格在短時(shí)間內(nèi)快速上漲。如果依然按照原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行原料采購(gòu)，勢(shì)必會(huì)超出原有工程預(yù)算，從而影響工程經(jīng)濟(jì)效益。因此，決定將原有路基結(jié)構(gòu)改為固化土底層基底+固化層基層。

2.2 固化土混合料配合比設(shè)計(jì)分析

本工程固化土混合料配比工作嚴(yán)格按照2007年發(fā)布的《土壤固化劑應(yīng)用技術(shù)導(dǎo)則》中的各項(xiàng)規(guī)定開展，在滿足無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工需求確定了固化劑與水泥摻量。

2.2.1 原材料準(zhǔn)備

(1)水泥。本工程選擇了42.5硅酸鹽水泥，將初凝時(shí)間設(shè)定為150 min，終凝時(shí)間設(shè)定為200 min，其抗壓強(qiáng)度為26.0 MPa。經(jīng)檢測(cè)，本工程所選用的水泥材料屬合格品。(2)土壤固化劑[3]。本次選用TK-G離子型液體土壤固化劑，以2015年發(fā)布的《土壤固化外加劑》為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其性能進(jìn)行檢測(cè)，確定本次所需用的土壤固化劑無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比為140.1%，水穩(wěn)系數(shù)比為116.9%，均符合文件標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 含水率及干密度檢測(cè)

在對(duì)土壤固化劑進(jìn)行選擇以及使用時(shí)，要嚴(yán)格按照2009年發(fā)布的《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)來對(duì)其物理性質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。經(jīng)檢測(cè)，確定固化土基層以及固化土底基層的含水率、干密度如表1所示。

表1 固化土基層、底基層最佳含水率及最大干密度

2.2.3 工程路段路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)2012年發(fā)布的《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》來對(duì)固化土路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)路段進(jìn)行嚴(yán)格要求，保證其在滿足文件中各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，要盡可能減少固化土施工過程中材料采購(gòu)以及運(yùn)輸頻率。并且，控制運(yùn)輸距離，秉持就地取材原則，以隧道中挖掘出的土壤、碎石作為原材料，確定施工段固化土路基結(jié)構(gòu)以及厚度，在厚度方面，依然以之前的設(shè)計(jì)方案為準(zhǔn)，確定其路基結(jié)構(gòu)厚度為40 mm+20 mm=60 mm，從下到上的路基結(jié)構(gòu)依次為路床(150 mm)+固化土底基層(150 mm)+固化土基層(250 mm)+碎石層(50 mm)。

2.3 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、水穩(wěn)系數(shù)試驗(yàn)方法及結(jié)果分析

2.3.1 試驗(yàn)方法

按照《公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范》中的試驗(yàn)規(guī)程要求來制作固化土基層及地基層無限抗壓強(qiáng)度試件。當(dāng)試件成型后，設(shè)定其壓實(shí)度為96%，以最佳含水率(固化土基層9.3%、固化土底基層11.5%)及最大干密度(固化土基層1 920 kg/m2、固化土底基層1 850 kg/m2)為依據(jù)稱取試件，將其裝入50×50 mm的試模中，加壓成型，脫模得到試件。在進(jìn)行測(cè)試試件養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)與水養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的方式。固化土基層和底基層中的土壤固化劑摻量分別是0.016%、0.014%，而固化劑也同樣應(yīng)用外摻的形式加入，具體產(chǎn)量取決于固化土混合料總重量。試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d之后，未添加土壤固化劑的固化土基層平均強(qiáng)度為2.10 MPa，固化土基底層的平均強(qiáng)度為2.02 MPa。添加土壤固化劑的混合料養(yǎng)護(hù)方式與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 固化土混合料試件養(yǎng)護(hù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果明示

2.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過綜合對(duì)比，無論是固化土基層還是固化土底基層混合料，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)6 d的養(yǎng)護(hù)方式，其綜合養(yǎng)護(hù)效果最為理想，可以使無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到有效提升，而水穩(wěn)系數(shù)基本保持不變。由此表明，水泥與土壤固化劑摻量可以進(jìn)一步增大固化土基層混合料的無限抗壓強(qiáng)度以及水穩(wěn)定性，將其應(yīng)用到鐵路路基結(jié)構(gòu)處理中發(fā)揮了預(yù)想作用。

2.3.3 鐵路路基地基處理中的土壤固化劑應(yīng)用流程分析

本次分析嘗試以集中廠拌法為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)土壤固化劑在鐵路路基地基處理中的應(yīng)用流程進(jìn)行了分析(如圖1所示)，對(duì)重點(diǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行了文字闡述。

圖1 土壤固化劑在鐵路路基地基中的應(yīng)用流程圖

2.3.4 施工準(zhǔn)備環(huán)節(jié)

在進(jìn)行地基處理時(shí)，應(yīng)該在處理范圍外挖設(shè)專門的排水溝。同時(shí)，還應(yīng)該使用測(cè)量?jī)x精準(zhǔn)測(cè)出地基處理范圍，應(yīng)該間隔10～20 m設(shè)定地基位置，并且周圍設(shè)置中、邊樁，保證其距離適當(dāng)。按照測(cè)量放樣的位置來進(jìn)行基底高程設(shè)計(jì)，并且按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定開展核查、核查驗(yàn)收工作。在進(jìn)行代表性土樣選取時(shí)，應(yīng)該對(duì)固化劑的摻量比例進(jìn)行確定，最終選擇最為科學(xué)的配合比。

2.3.5 備土、整平

按照設(shè)計(jì)圖紙要求，其中的備土、整平環(huán)節(jié)非常重要，需要根據(jù)圖紙要求確定本次工程所需要的土方總量，然后將其應(yīng)用到土方施工中，按照預(yù)先設(shè)定好的高度、寬度來確定接下來的施工環(huán)節(jié)。在進(jìn)行土方整平處理操作時(shí)，應(yīng)該掌握其中的要點(diǎn)環(huán)節(jié)，通過人工與機(jī)械相結(jié)合的方式確定平整處理方法，從而為后續(xù)施工工作開展奠定基礎(chǔ)。

2.3.6 固化劑的噴灑與拌和

在對(duì)土壤固化劑進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，應(yīng)該對(duì)應(yīng)用方式進(jìn)行明確，要選擇具有代表性的區(qū)域來對(duì)當(dāng)前土壤中的含水量進(jìn)行計(jì)算、分析，從而確定施工作業(yè)過程中所需要的補(bǔ)水重量，在對(duì)這一總量進(jìn)行設(shè)定時(shí)，通常會(huì)將其控制在2%左右。當(dāng)確定測(cè)試結(jié)果之后，應(yīng)該對(duì)區(qū)域內(nèi)的土方體系、土壤固化劑摻入量等數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，選擇壓力式灑水車進(jìn)行灑水操作，保證噴灑均勻。當(dāng)噴灑完成之后，應(yīng)該應(yīng)用拌合設(shè)備來對(duì)原料進(jìn)行均勻拌和，最終用平地機(jī)處理平整。

2.3.7 悶料

悶料是土壤固化劑施工中非常重要的環(huán)節(jié)之一，在開展這一環(huán)節(jié)工作時(shí)，應(yīng)該先保證混合料攪拌均勻。在悶料過程中，應(yīng)該根據(jù)地基處理實(shí)際需求對(duì)悶料時(shí)間進(jìn)行確定，通常要將其悶料時(shí)間設(shè)定在6 h以上，而粘性土悶料應(yīng)該在10 h以上。

2.3.8 碾壓

碾壓操作主要是根據(jù)具體施工情況制定并且執(zhí)行相應(yīng)的碾壓計(jì)劃，根據(jù)工程情況選擇18～25 t的重型壓路機(jī)。碾壓時(shí)要從低到高、先靜后振，從而保證碾壓操作的規(guī)范性，還要保證碾壓所產(chǎn)生的輪跡重疊寬度與規(guī)范要求相符合。同時(shí)，在整個(gè)碾壓過程中，應(yīng)該保證碾壓速度始終處于勻速狀態(tài)。

2.4 施工效果

當(dāng)完成試驗(yàn)段的施工之后，要對(duì)其施工成果的后期使用情況進(jìn)行持續(xù)性觀測(cè)，在試驗(yàn)路段施工完成12 h后，可以通行40 t以內(nèi)的裝載車輛，并且不會(huì)留下轍痕。試驗(yàn)路段投入試用1 a之后，使用情況良好，施工單位檢測(cè)、維修次數(shù)大幅度減少，與傳統(tǒng)路基結(jié)構(gòu)施工方式進(jìn)行比較，體現(xiàn)出了經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性。從綜合回彈模量、CBR試驗(yàn)還是回彈彎沉均有顯著改善，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加15%～40%；綜合回彈模量較傳統(tǒng)固化土提高100%～200%；CBR值提高240%～280%；彎沉降低50%～80%；在浸水條件下，固化土強(qiáng)度衰減速度較傳統(tǒng)方法降低57%～89%。

2.5 經(jīng)濟(jì)效益分析

采用固化劑的方案可比傳統(tǒng)方案節(jié)省費(fèi)用，綜合造價(jià)可節(jié)省8.0%～26.4%，對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 使用土壤固化劑與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)造價(jià)對(duì)比表

2.6 社會(huì)效益

由于路基處理層耐久性提高，避免了傳統(tǒng)石灰土強(qiáng)度隨著地下水的侵入降低而造成的道路重復(fù)改造，石灰及水泥的用量大大減少也節(jié)省了社會(huì)能源。同時(shí)也降低了對(duì)工程環(huán)境的污染，這無論從環(huán)保還是能源等方面都具有顯著的社會(huì)效益。

3 結(jié)語

該項(xiàng)工程采用土壤固化劑固化土處理技術(shù)，較傳統(tǒng)工藝難度增加不多，但充分考慮了傳統(tǒng)石灰土強(qiáng)度衰竭的弊端，大大提高了路基強(qiáng)度及水穩(wěn)定性。通過實(shí)地對(duì)比，結(jié)果表明土壤固化劑固化土效果較石灰土強(qiáng)度有很大提高，彎沉值大大降低，CBR值大大提高，水穩(wěn)性得到很好的改善，可作為鐵路路基處理層或底基層，可降低綜合造價(jià)，每平方米降低造價(jià)12元，具有顯著的效果。