土壤固化在城市道路淤泥質土軟弱地基處理中的應用

楊科學 中國鐵工投資建設集團有限公司城市建設分公司

土壤固化是通過一定配比的土體固化劑與土體拌合后發生化學反應形成一定特性的固化土。固化土的特性包括抗壓抗剪性能、沉降開裂變形性能及水穩干濕性能。在施工中，固化劑配合比和施工工藝的控制對固化土影響較大。

1 土壤固化的原理

土壤固化的原理為，采用化學方法對淤泥質軟土進行固化，通過添加環保型無機復合型固化材料（主要由含二氧化硅、氧化鈣等成分的無機類原材料制成）與原土進行攪拌，使得固化劑、土顆粒和水發生一系列水化反應與離子交換反應，生成膠凝物質（C—S—H—水化硅酸鈣和Aft—鈣礬石等），從而凝結、包裹土中的細小顆粒，使之團粒化，同時在團粒間生成針絮狀物質填充空隙，最終形成具備一定強度、壓縮性較低、整板性好、穩定性高、短期內可開挖再回填的土體結構，實現軟土地基向工程地基的轉換[1]。

2 固化土的性能

2.1 耐久性

固化土作為無機化學作用下的改良地基土，其固化原理類似于混凝土的凝結硬化原理，屬于硅酸鹽類反應，其化學反應過程不可逆。圖1 為南京龍袍項目市政道路試驗段淤泥質土軟弱地基固化后的強度生長曲線，固化土強度隨時間推移不斷增長，最后達到穩定。

淤泥質土中加入固化劑后，早期強度生長較快，14 d、28 d 為快速生長期，28 d 后強度增長速率減慢，但仍然持續緩慢提升，360 d 后的固化土強度約為28 d 時的1.2 倍。原因如下：固化劑中的無機膠凝材料與淤泥及水發生一系列水化和水解反應，產生大量水化膠凝產物以及結晶物質，膠結、包裹淤泥中的土顆粒，并形成三維空間網狀結構，從而使淤泥具備一定的結構強度[2]。隨著水化進程的不斷推進，大部分有效成分參與早期快速反應，而一些早期未參與反應的惰性反應物質開始逐漸參與反應（例如固化劑與淤泥中的次生礦物成分），因此強度增長在早期較為快速、激烈，后期雖大幅度減緩，但仍可處于長期反應狀態。同時，由于水化反應是不可逆的，三維空間網絡結構在不受外力破壞的情況下可長期保持穩定，因此可以保證固化土強度性能長期穩定，不會出現隨著時間的推移強度降低或性能衰減的情況。

2.2 水穩定性

淤泥中加入固化劑后，土顆粒與固化劑之間發生離子交換作用，使得土顆粒表面吸附的結合水膜被阻斷，黏土顆粒上的電勢被破除，細小的黏土顆粒發生不可逆轉的凝聚作用，產生膠結性土體顆粒，填充到固化土孔隙之中，形成不規則的骨架結構，從而大大減少、阻隔水的附著和毛細上升現象，進一步提高土體的水穩性。同時，固化土是親水性材料，不會因地下水或雨水浸潤而開裂崩解。此外，固化土還具有良好的抗滲性能，能夠有效阻隔水體滲透，保持土體的整板性。

2.3 二次開挖及回填

為滿足后期建設需求，道路路基或場地基礎在固化完成后可進行二次開挖鋪設管道，開挖出的固化土可作為常規土基材料回填使用。如果對管道上方回填土方有特定性能要求，也可加入適量固化劑摻拌，再回填碾壓[3]。

3 淤泥質土軟弱地基土壤固化的具體應用

3.1 固化液劑的配合比設計

固化液劑的配合比設計要依據現場的土壤性質進行，不同地區或區域的土質情況不同，需要進行土質檢測試驗后進行最優的固化劑液配合比設計，以此確保后期土壤固化后固化土的基本力學性能。

采用土壤固化配合比設計試驗時，應選用3 個不同固化劑摻加量進行對比試驗，其中基準配合比外加劑摻量為產品使用說明書中的推薦用量，另外兩個配合比的外加劑摻量比產品推薦用量分別增加和減少25%，試驗土料的粒徑不應大于4.75 mm。試驗測定固化土試件7 d 無側限抗壓強度，應根據對比試驗結果確定選用的土壤固化外加劑及摻量。

3.2 土壤固化施工工藝流程

土壤固化施工工藝流程如下。

施工準備→基槽開挖（土料取備）→液劑制備→拌合施工→機械碾壓→整型養護。

3.3 固化液劑的制備施工方法

3.3.1 罐槽式液劑施工

罐槽式液劑施工即采用專業化液劑施工工藝和成套設備進行固化處理。液劑施工工藝包含后臺制漿設備和前端固化處理設備。后臺系統將固化劑制漿后，利用泥漿泵輸送液劑至前端挖掘機處摻合攪拌。制漿器容量為1 ～6 m3，后臺制漿設備單位制漿量為16 ～36 m3/h。此方法可連續制備固化劑液劑，適用于大面積、規模化施工。

3.3.2 基槽式液劑施工

在拌合區域現場開挖液劑制備基槽，槽內定量灌水后，按量將固化劑噸包袋半沉入基槽池中開包摻入，將漿液攪拌均勻，再由挖機將液劑轉運至周邊。此方法靈活機動，可就地制備。

3.4 土壤固化施工步驟

路段路基固化土施工一般分兩步進行：第一步，開挖至設計底標高以上約50 cm 處，對深約50 cm 的淤泥質土采取原位攪拌基本拍實的方法處理；第二步，將開挖出的淤泥質土進行異位固化，待原位攪拌的淤泥固化土存在一定反力后進行分層回填，并使用挖掘機拍實[4]。具體施工工序如下。

3.4.1 定位放樣

測量放樣前所需要的測量設備必須經過檢測機構標定，現場所用的控制點位復測無誤后，由專業測量人員現場測量放樣，標識出道路路基和場地基礎需要固化的范圍，測量放樣要加強復核，避免出現不必要的錯誤。

3.4.2 機械準備

機械準備是整個施工過程中的關鍵環節，是影響施工進展的關鍵因素。根據項目實際進展情況和施工計劃要求合理選擇施工機械，土壤固化施工用到的機械包括挖掘機、壓路機、推土機、平地機、裝載機、小型運土車、液劑固化設備、霧泡機及負壓風機等。以上機械要根據試驗段的施工工藝合理選型，最終達到資源配置最優化。

3.4.3 材料準備

由專業廠家提供固化劑，根據試驗檢測所得的配合比，結合現場施工進度現場制備成液劑。固化劑進場必須有相應的質量檢測證明文件，進場后需要按照要求抽樣復檢，檢測合格后方可用于施工。

3.4.4 清理場地

清除場地表層的雜物，清表厚度約30 cm，同時對施工區域進行整平。視現場土質情況，嚴格控制開挖深度，將開挖出的土料按序堆放在選定的場地備用，與開挖出來的基坑保持一定的距離。如果采用整體開挖方式直接開挖至設計處理深度，則開挖坑槽容易發生邊坡失穩或基低隆起等情況，因此開挖至設計底標高以上約50 cm 處。

3.4.5 固化攪拌

將施工區域按照一定的標準劃分區域，通過加強對每個區域開挖土方的注料以及攪拌的精細化管理，以保證施工區域均勻摻入固化劑，做到對整個區域的施工質量把控。

根據實際方量按照要求控制產量，確保按摻量均勻攪拌。攪拌要求如下。

第一，按設計要求，配料應準確，拌合應均勻[5]。第二，采用挖掘機反復攪拌混合物，使固化劑漿液和淤泥充分接觸，以獲得良好的效果。第三，單獨使用挖掘機攪拌時，為保證攪拌效率，每次攪拌方量宜在12 m3左右，攪拌時間控制在25 min 左右。普通挖機拌完固化土進行集中打堆，然后使用挖機和推土機進行回填整平。第四，固化土攪拌后，應無固化劑塊狀物質，確保色澤一致、均勻。第五，潮濕地區或多雨季節施工時，應采取下墊上蓋措施，保護好固化劑物料，防止滲漏或雨淋。

3.4.6 回填碾壓

將拌合好的固化土逐層向上回填，每層回填的厚度控制在30 cm，并且采用6 ～8 t 壓路機碾壓至無明顯輪跡。

3.4.7 工后養護

固化場地完成后即進行養護，若出現連續高溫暴曬等情況，應適當曬水。固化土養護齡期一般為28 d，該養護齡期可視整體結構及初期使用情況進行調整。整個養護期內，固化土采用薄膜覆蓋養護，強度處于不斷增長狀態。在其養護未達到要求養護齡期之前，未經允許應禁止各類車輛通行。

3.4.8 抑塵防水措施

第一，固化土施工采用液劑施工，并用霧炮等輔助設施避免揚塵，對土易飛揚的顆粒狀材料應進行嚴密覆蓋，以免揚塵。第二，施工現場定時進行灑水，使地（路）面保持濕潤，確保小風不飛土、大風無揚塵。第三，施工現場內派專人清掃，做好監控記錄，保持施工現場整潔。第四，及時關注氣象預報，避開雨天施工，施工現場要設置排水溝、擋水臺等防水措施，避免雨水浸泡土體。

3.5 固化土的工程質量檢測

3.5.1 材料（固化劑）檢測

固化劑為一種環保型無機復合型固化材料，主要由含二氧化硅、氧化鈣等成分的無機類原材料制成，原材料的各項性能均符合國家標準或行業標準要求，其主要檢測的項目應包括含水率、密度、細度、燒失量。

3.5.2 施工檢測

施工質量檢測可分為施工過程檢測和工后檢測。第一，施工過程檢測。目測：對攪拌后的固化土進行目測，看顏色是否均勻，是否有灰條等，保證固化材料與軟土能夠均勻攪拌。試驗檢測：拌合前需要測定土樣的含水率和密度，控制其含水率范圍，保證固化效果。對已拌和好的固化土散土進行抽樣制模，進行無側限抗壓強度測試，一般5 d 齡期的固化土無側限抗壓強度應達到50 kPa，由此判定固化土反應是否啟動。第二，工后檢測。固化土養護齡期達28 d 時，地基承載力檢測可依據參照《建筑地基檢測技術規格》（JGJ340—2015）規范進行輕型動力觸探或平板荷載試驗。

4 土壤固化施工中要注意的主要問題

4.1 固化土配合比設計要點

第一，嚴格控制土壤固化劑的摻量，其摻量并非越多越好，某些土質中的摻量過高會引起嚴重的收縮開裂，故應合理選擇摻入量，其最終摻量需要通過試驗和經濟技術綜合評定來確定。第二，做好土質檢測工作，要在將要施工的部位取樣，并且所取的土樣要具有代表性，如果施工中存在多種土質，則需要全部取樣試驗，并分別進行配合比設計，也就是說配合比設計要齊全。

4.2 施工過程關鍵控制點

第一，固化劑進場前應查驗各批次產品的出廠質量檢驗報告并進行復檢和固化試驗。

第二，固化土的本體材料是涂料，土料的粗細程度、液限、塑限、塑性指數、有機質含量等都會影響固化土的固化效果，在施工中所選用的固化土必須符合要求，確保有機質含量不高于10%。

第 三， 固化土施工應避開低溫，施工應在5 ℃以上的環境中進行，施工前應進行測量、分區、分段，必須在固化土混合料凝結時間內完成，避免浪費土料和固化劑。

第四，采用人工配合機械進行平整，按照要求布料厚度進行布料，預定松鋪厚度和寬度應滿足規范或方案要求。

第五，施工時要隨時檢驗拌和物的勻質性，拌和必須達到下層，層底不能留有未摻拌的“土料”夾層，邊緣不得留有土料或混合料未拌和的空白區，對局部機械拌合不均勻的部位采用人工補拌。

第六，固化土養護期間應封閉交通。除灑水車外嚴禁其他車輛通過。

5 結語

與排水法、排水預壓法、拋石擠淤、樁基法等軟弱地基處理的方式相比，土壤固化法不僅施工環保，而且能夠充分利用土資源，達到節約資源的效果，減少項目的整體投資。但在施工過程中，一定要根據土壤情況設計液劑配合比，并做好工程實體質量檢測工作，以便為開展后續工作奠定基礎。