新型化學(xué)加固技術(shù)YS工法在深厚超軟基中的應(yīng)用

婁云雷，劉　洋

（1.上海中船勘院巖土工程有限公司，上海200063；2.中交天航南方交通建筑有限公司，廣東深圳518040）

新型化學(xué)加固技術(shù)YS工法在深厚超軟基中的應(yīng)用

婁云雷1，劉洋2

（1.上海中船勘院巖土工程有限公司，上海200063；2.中交天航南方交通建筑有限公司，廣東深圳518040）

YS工法是一種環(huán)境保護(hù)型軟基加固工藝。針對大面積深厚超軟基加固中存在的問題，以工程實例為依據(jù)，采用YS工法DF固化劑產(chǎn)品對軟基進(jìn)行固化處理。從理論分析和工程應(yīng)用兩方面闡述了該工法顯著的深厚超軟基加固效果，具有良好的工程應(yīng)用前景。

YS工法；DF劑；軟基加固；邊坡

超軟土具有含水率高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性高、強(qiáng)度低等特點，難以滿足工程建設(shè)需要，需對其進(jìn)行特殊處理。工程建設(shè)中常用水泥類材料對超軟土地基進(jìn)行固化處理，而水泥類物質(zhì)中多含有六價鉻等多種有害物質(zhì)。隨社會各界對環(huán)境保護(hù)、資源循環(huán)利用等問題的重視，提出了YS工法。

YS工法是一種環(huán)境保護(hù)型軟基加固工藝，所用的材料為DF固化劑。該材料可以快速改良高含水土層，增大土體的內(nèi)摩擦角，形成長期穩(wěn)定的固化體，且處理后的土壤形成不易劣化的顆粒形態(tài)，保持原土壤的酸堿性，不影響后期植物的自然生長。另外DF劑能大大降低土壤中的六價鉻等重金屬的析出，減少工程建設(shè)帶來的環(huán)境污染問題[1]。

1　國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

超軟土地基化學(xué)加固做為一種軟基處理的技術(shù)，本質(zhì)上仍是一種特殊土的土壤固化技術(shù)。由于國情的差異，針對超軟土固化技術(shù)的開發(fā)，國內(nèi)外發(fā)展水平相差很大。

1.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

在日本、新加坡以及芬蘭等一些國家，由于資源緊張，環(huán)境污染問題日益突出，為保持可持續(xù)發(fā)展，各國紛紛出臺土壤、地下水等保護(hù)措施，并積極開發(fā)軟土固化技術(shù)。

軟基化學(xué)加固技術(shù)在國外工程建設(shè)中已大量運(yùn)用，如日本伏木富山港疏浚填海工程、新加坡“長基”國際機(jī)場跑道工程、印尼P-C高速路建設(shè)工程等[2]。

YS工法就是在這種環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)的過程中開發(fā)應(yīng)用的。通過使用特殊加工材料DF劑，不僅可以解決以往水泥類固化材料的環(huán)境污染問題，其改良后的土壤還可以安全用于道路路基、河流堤壩、公園種植泥土、構(gòu)筑物止水墻和擋土墻等工程建設(shè)中去。

1.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

近年來，由于國內(nèi)圍海造陸、航道疏浚以及灘涂開發(fā)等工程的興起，軟基化學(xué)加固技術(shù)隨著工程建設(shè)的需要得到了快速發(fā)展，但整體而言，大面積吹填淤泥的深厚超軟土地基的化學(xué)加固技術(shù)在國內(nèi)尚屬未攻克的技術(shù)難題，所面臨的主要問題是：缺乏低價高性能的固化劑；缺少大作業(yè)量的表面固化施工專用機(jī)械；沒有成熟的工程設(shè)計參數(shù)、施工及檢測標(biāo)準(zhǔn)。

2011年，胡曉虎等人[1]介紹了YS工法在日本的成功應(yīng)用事例，結(jié)合國內(nèi)該工法的試驗結(jié)果，對YS工法的可行性及適用范圍進(jìn)行了分析。由于其改良材料DF劑已完全實現(xiàn)國內(nèi)生產(chǎn)，大大降低了采購成本，在國內(nèi)軟基改良可行性實驗中取得了一定的研究成果。

2　加固機(jī)理

DF劑主要成分：粉煤灰、無水石膏、普通水泥和不溶出劑。YS工法加固深厚超軟基過程中，DF劑通過粉噴施工技術(shù)和軟土進(jìn)行攪拌后，發(fā)生一系列物理、化學(xué)變化。

2.1加固過程中的化學(xué)效應(yīng)

1）粉煤灰的水化反應(yīng)

粉煤灰中的CaO與軟土中的水分發(fā)生反應(yīng)，生成Ca（OH）2。在堿性環(huán)境下，Ca（OH）2與黏土礦物釋放出的SiO2和Al2O3相互作用生成水化硅酸鈣（CSH）和水化鋁酸鈣（CAH）沉淀物。這兩種物質(zhì)為水硬性化合物，可作為膠結(jié)物改變土體的結(jié)構(gòu)性，提高土體強(qiáng)度。

2）碳化反應(yīng)的膠結(jié)作用

DF劑中的石膏遇水可分解出大量的SO42-離子，SO42-離子能溶解軟土和粉煤灰中的方解石（CaCO3），CO32-離子在孔隙水中過飽后，將發(fā)生重結(jié)晶，生成無定型的方解石（CaCO3）和針狀、纖維狀的文石（CaCO3），這兩種物質(zhì)對土體有明顯的膠結(jié)硬化作用。由于CaCO3的重結(jié)晶程度是隨著時間逐漸發(fā)生的，故這種膠結(jié)作用將隨齡期的增長而變大。

3）離子交換作用

粉煤灰和軟土中方解石溶解后，產(chǎn)生大量游離狀態(tài)的Ca2+離子，Ca2+離子與吸附在礦物顆粒表面的K+、Na+等陽離子發(fā)生交換作用，不僅能形成較薄的擴(kuò)散層，減小雙電層厚度，使得礦物顆粒之間排列更加緊密，另一方面也將促使礦物顆粒發(fā)生絮凝和凝聚，結(jié)合成更大更緊密的膠體形成沉淀，提高土體的強(qiáng)度。

4）其他一些膠結(jié)作用

土體中普遍含有Fe3+，在相應(yīng)的條件下可形成鐵質(zhì)膠結(jié)，但由于鐵質(zhì)在土體中分布不均，鐵質(zhì)膠結(jié)作用只能在土體局部起作用[3]。

2.2加固過程中的物理效應(yīng)

土體加固過程中涉及到的物理效應(yīng)主要有：粉煤灰和石膏的吸水膨脹作用，可以擠密土體，提高土體的強(qiáng)度；不溶出劑對土體和粉煤灰中六價鉻等重金屬、有機(jī)污染物的固化作用。

3　工程應(yīng)用實例

3.1工程背景

恒大海南海花島項目位于海南儋州市排浦港與洋浦灣之間的海灣區(qū)，南起排浦鎮(zhèn)，北至馬井鎮(zhèn)，擬在工程區(qū)域新建護(hù)岸、吹填造陸形成3個人工島，通過聯(lián)系橋連在一起，總?cè)纬申懙孛娣e7.53 km2，形成海岸線長39.44 km。擬建工程為海花島1號島DF區(qū)a、c港池。由于a、c港池開挖區(qū)域為深厚超軟地基，為防止a、c港池開挖過程中邊坡受土體側(cè)向土壓力影響，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)出現(xiàn)土體滑移現(xiàn)象，本次施工擬在YS工法的基礎(chǔ)上采用DF劑粉噴樁對港池邊坡進(jìn)行加固處理。根據(jù)原勘察報告，a、c港池區(qū)揭露地層共分為4個工程地質(zhì)層，如表1。

3.2港池開挖設(shè)計參數(shù)

以a港池開挖為例對其進(jìn)行分析，采用DF劑粉噴樁進(jìn)行港池邊坡加固。粉噴樁樁徑為600 mm，間距為600 mm，呈梅花形布置，加固深度為6.5 m，DF劑摻入量為65 kg/m3。加固范圍及加固深度見圖1。

3.3加固效果分析

為研究YS工藝在深厚超軟基中的加固效果，采用十字板剪切儀對加固土體進(jìn)行原位不排水抗剪強(qiáng)度測試，對比原狀土和不同育齡期樁體抗剪強(qiáng)度的大小，對DF劑粉噴樁加固邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。

表1　各土層物理力學(xué)指標(biāo)Table 1 Physicaland mechanic proper tiesof soils

圖1　港池邊坡斷面圖Fig.1 Crosssection ofharbor basin slope

1）加固前后土體抗剪強(qiáng)度對比

選取3個DF劑粉噴樁D1、D2、D3，齡期分別為7 d、14 d、28 d，沿垂向每隔1m測定一數(shù)據(jù)，最深取得9 m的抗剪強(qiáng)度值。加固后土體不同深度的抗剪強(qiáng)度如圖2。

圖2　土體不同深度抗剪強(qiáng)度變化曲線Fig.2 Shear strength curve of soils in different depths

通過對圖2分析可以發(fā)現(xiàn)：①樁體抗剪強(qiáng)度隨著育齡期的增長而逐漸變大；②原狀土的抗剪強(qiáng)度與深度呈正相關(guān)關(guān)系，而樁體的抗剪強(qiáng)度隨深度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，這是由于粉噴樁施工結(jié)束后，表層加固土體的水分易于揮發(fā)，含水量的減少引起土體抗剪強(qiáng)度的增加。③不同齡期樁體抗剪強(qiáng)度平均提高了1.35倍、1.81倍、3.20倍，DF劑對軟土加固效果顯著。

2）邊坡穩(wěn)定性分析

DF劑粉噴樁加固邊坡形成復(fù)合地基，復(fù)合地基等效強(qiáng)度指標(biāo)計算公式為[4-5]：

式中：c1為DF劑粉噴樁黏聚力；c2為軟土層黏聚力；m為DF劑粉噴樁的面積置換率；φ1為粉噴樁內(nèi)摩擦角，取20。～24。；φ2為軟土層內(nèi)摩擦角；

K1為粉噴樁剛度，kN/m；K2為樁周軟土層剛度，kN/m；β為樁沉降S1和樁周軟土沉降S2之比，一般S1

本工程基坑安全等級為2級，按照相關(guān)規(guī)范，基坑邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)大于1.2。根據(jù)理正巖土系列軟件邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果可知，開挖后的港池邊坡是穩(wěn)定的。利用YS工藝，進(jìn)行DF劑粉噴樁加固邊坡是可行的。

3.4經(jīng)濟(jì)性分析

本工程采用YS工藝對深厚超軟基進(jìn)行加固，所用DF劑為日本進(jìn)口材料，價格約1 000元/t。由于DF劑摻入量為65 kg/m3，該工程所需材料價格為65元/m3。

4　結(jié)語

YS工法是一種新型環(huán)保軟基化學(xué)加固工藝，本文介紹了該工法在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和加固機(jī)理，并結(jié)合?；◢u工程對其加固效果進(jìn)行研究，可以看出，對深厚超軟基邊坡，采用YS工法進(jìn)行加固處理是一種行之有效的方法。該工法安全可靠，施工方便，環(huán)境友好，在我國具有良好的應(yīng)用前景。

[1]胡曉虎，張冠軍，黃俊，等.YS工法改良建筑廢棄泥漿及再利用技術(shù)[C]//地下交通工程與工程安全——第五屆中國國際隧道工程研討會.上海，2011. HU Xiao-hu,ZHANG Guan-jun,HUANG Jun,et al.Recycling technology onmodified constraction slop treat via YSmethod[C]// Underground transportation projects and work safety-Proceedings of China′s 5th international symposium on tunnelling.Shanghai, 2011.

[2]張和慶，謝健，朱偉，等.疏浚物傾倒現(xiàn)狀與轉(zhuǎn)化為再生資源的研究——中國海洋傾廢面臨的困難和對策[J].海洋通報，2004（6）：54-60. ZHANG He-qing,XIE Jian,ZHUWei,et al.Present situation of dredged material dumping and study of transforming dredged mud into regenerative resources-Difficulties in refuses dumping in China Seas and countermeasures to deal with these problems[J]. Marine Science Bulletin,2004(6):54-60.

[3]李颯，楊進(jìn)良，王義安.粉煤灰粉噴樁加固軟土地基機(jī)理及計算[J].天津大學(xué)學(xué)報，1999（5）：585-589. LISa,YANG Jin-liang,WANG Yi-an.Mechanization and design calculation of reinforcing soft soilfoundation with fly ash pile[J]. Journalof Tianjin University,1999(5):585-589.

[4]JTJ 179—2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S]. JTJ 179—2002,Technical code for ground treatmentof buildings [S].

[5]JTJ147—2010，港口工程地基規(guī)范[S]. JTJ 147—2010,Code for soil foundation of portengineering[S].

App lication of YSmethod-a new chem ical reinforcement technology-to im prove deep and thick soft soils

LOUYun-lei1,LIUYang2
（1.ShanghaiCSEIGeotechnical Engineering Co.,Ltd.,shanghai200063,China; 2.CCCCTDCSouthern Communications Construction Co.,Ltd.,Shenzhen,Guangdong 518040,China）

YSmethod isan environment-friend ly technology.Based on an engineering practice,DF hardening agent in the YS method wasused to consolidateand improve softsoilsby aimingatproblems in improvementofdeep and thick softsoils of large areas.Themethod had a remarkable effect on the reinforcement of ultra-deep soft soilswhich was expounded from theoretical analysisand engineeringapplication,and shallhavea good prospecton engineering application.

YSmethod;DF agent;soft soil improvement;slope

U655.544；U654

A

2095-7874（2016）06-0041-03

10.7640/zggw js201606010

2016-01-06

2016-02-23

婁云雷（1986—），男，河南商丘人，碩士，助理工程師，主要從事巖土工程方面的科研工作。E-mail：louylei@163.com