粵東濱海相軟土就地固化路基檢測(cè)與分析

張 維，韋開騰

（廣東華路交通科技有限公司 廣州510420）

0 引言

粵東地區(qū)濱海相軟土、沼澤相軟土淤積厚度大，換填難度較大，物理力學(xué)性能差［1］。加固淤積沼澤軟土，使其成為施工設(shè)備機(jī)具作業(yè)時(shí)的施工便道，施工機(jī)具撤出后，在其上填筑路堤，作為永久性路基，既經(jīng)濟(jì)又合理。就地固化土體作為半剛性填料，既能與土體下部的剛（柔）性處治材料形成復(fù)合受力體，也能在施工時(shí)提前提高土體的承載力，避免傳統(tǒng)清淤換填的環(huán)境破壞，也能更好地避免軟基不均勻沉降。與以往的軟基處理方式相比，通過增加就地固化層，與水泥攪拌樁、預(yù)制管樁、預(yù)制方樁等共同組成路基，能明顯提高路基基礎(chǔ)的承載能力［2］。路基上部傳來的集中荷載，經(jīng)過硬殼體分散成為均布荷載，能將荷載更合理地傳遞在持力層上。樁體上端鑲嵌在硬殼體中，降低了地下水和水平方向荷載對(duì)路基下部管樁、水泥攪拌樁、方樁的影響。形成就地固化淺層處理和就地固化硬殼層復(fù)合地基，與硬殼體路基深層處理的樁基共同作用，深層處理的樁基功能發(fā)揮更加極致。軟基就地固化造殼技術(shù)與傳統(tǒng)的軟基深層處理措施相結(jié)合，對(duì)提高軟基路基使用壽命周期和減小軟基不均勻沉降有著積極的意義［3］，就地固化處理軟基技術(shù)相比傳統(tǒng)清淤換填方式具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

濱海灘涂軟基就地固化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，以汕頭市某工程出海口濱海、沼澤相軟基就地固化處治為例。從固化土配合比設(shè)計(jì)、固化土體力學(xué)性能檢測(cè)以及貝克曼梁彎沉值等5個(gè)方面進(jìn)行闡述。為粵東地區(qū)軟土就地固化檢測(cè)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 就地固化軟土路基設(shè)計(jì)理念與設(shè)計(jì)要素驗(yàn)證

軟土路基就地固化設(shè)計(jì)，主要包括就地固化淺層處理、就地固化硬殼層復(fù)合路基和就地固化土資源化利用3 大類。在公路建設(shè)中主要設(shè)計(jì)淺層處理和硬殼層結(jié)合樁基受力的復(fù)合地基。一般綜合考慮地基承載力、沉降、穩(wěn)定性等指標(biāo)要求，依照現(xiàn)場(chǎng)固化土強(qiáng)度比室內(nèi)試配強(qiáng)度，強(qiáng)度折減率為0.58～0.81 考慮就地固化土配制強(qiáng)度［4］。結(jié)合施工動(dòng)態(tài)控制手段進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

根據(jù)原狀土的物理性質(zhì)，使用工程類比法估計(jì)固化劑材料摻量。根據(jù)原土樣的天然含水量、有機(jī)質(zhì)含量、液塑限、壓縮模量等，合理確定固化劑種類、摻入形態(tài)。建立固化劑摻量與強(qiáng)度關(guān)系曲線，在曲線上求取合理的固化劑摻量。通過室內(nèi)配合比試驗(yàn)確定3 種原材料類別：固化劑、外摻劑、穩(wěn)定劑。試件制備和試驗(yàn)方法可參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTG E40-2007》進(jìn)行。以原狀土濕密度為基準(zhǔn)確定固化劑成分摻量比例；就地固化硬殼層復(fù)合地基固化土按照7 d、14 d 和90 d 無側(cè)限抗壓值考慮強(qiáng)度。根據(jù)不同的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，確定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。目前在工程實(shí)體中一般采用水泥作為主要的固化劑，但當(dāng)原狀土有機(jī)質(zhì)含量大于10%時(shí)，應(yīng)考慮在固化劑中摻配一定量的石灰［5］?，F(xiàn)場(chǎng)一般采用濕法施工，固化劑漿液水灰比在0.4～0.8 之間。原狀土含水率大于50%時(shí)，應(yīng)考慮粉噴固化。以汕頭市榕江出海口某工程固化土配合比設(shè)計(jì)為例：

⑴固化土的設(shè)計(jì)指標(biāo)以及原狀土物理參數(shù)。案例中需要進(jìn)行就地固化的場(chǎng)地為濱海區(qū)域魚塘，需要就地固化使土體達(dá)到一定強(qiáng)度，從而滿足施工機(jī)械進(jìn)出以及施工所需的承載力。經(jīng)綜合考慮，固化劑摻量約為6%～7%，按照2%增減考慮配合比設(shè)計(jì)［6］。對(duì)就地固化各項(xiàng)指標(biāo)的要求如表1 所示。

表1 就地固化土配合比設(shè)計(jì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistical of Mixing Ratio Design Parameters of In-situ Solidified Soil

由表1 可以看出，軟土就地固化后物理力學(xué)性能有明顯的提高。不但能滿足大型履帶式設(shè)備在其上作業(yè)，也能作為永久性路基填料使用。軟土就地固化在高等級(jí)公路建設(shè)中一般設(shè)計(jì)成復(fù)合路基，在造殼層下設(shè)計(jì)水泥攪拌樁、預(yù)制樁等，組成復(fù)合路基。作為城市輕型交通，一般僅進(jìn)行淺層處治或者固化造殼即可。但作為路基半剛性填料，僅檢測(cè)抗剪切強(qiáng)度和靜力觸探強(qiáng)度，明顯具有局限性。未能客觀反映固化土體的整體質(zhì)量水平。由此，在現(xiàn)場(chǎng)增加平板載荷試驗(yàn)，檢測(cè)固化處治層表層在動(dòng)荷載作用時(shí)的力學(xué)特質(zhì)，采用貝克曼梁法檢測(cè)固化土體整體強(qiáng)度和回彈模量。以求通過試驗(yàn)檢測(cè)能全面反映就地固化土體的整體質(zhì)量。

⑵提取原狀土樣本依照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程：JTG E40-2007》進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)檢測(cè)，取得相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計(jì)建議，依照《公路路堤就地固化（強(qiáng)力攪拌法）設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》［7］，對(duì)原狀土加固后各項(xiàng)物理性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。案例中原狀土的各項(xiàng)物理性能指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如下：液限WL=47%，塑限Wq=29%，塑性指數(shù)Ip=18，天然含水率為42.6%，天然密度為1.77 g/ cm3，酸堿度為6.6，有機(jī)質(zhì)含量為2.40%。原狀土顆粒篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表2 所示。

表2 原狀土顆粒篩分試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.2Statistical Data of Undisturbed Soil Particle Screening Test Data

由表2 可以看出，原狀土摻配固化劑亦使用濕法施工，固化劑成分摻量計(jì)算一般以原狀土天然密度進(jìn)行參照計(jì)算。就地固化淺層處理和就地固化硬殼層、復(fù)合地基的固化土配合比按照固化土7 d、14 d 和28 d 齡期進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)［8］。

⑶固化土配合比室內(nèi)試拌。固化土設(shè)計(jì)固化淺表層軟土，以求達(dá)到能承載機(jī)械設(shè)備在其上作業(yè)的功能，或者與深層處理的水泥攪拌樁、管樁等形成復(fù)合地基。為保證現(xiàn)場(chǎng)就地固化土強(qiáng)度富余，綜合考慮按照14 d 齡期考慮固化土各項(xiàng)性能指標(biāo)。實(shí)際采用富余強(qiáng)度值為1.17的P.0 42.5 水泥作為固化劑主料，以原狀土單位質(zhì)量為參照物，等量遞減（加）固化劑主料摻量，為更加貼近實(shí)際施工環(huán)境，采用無側(cè)限抗壓強(qiáng)度作為抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，取得摻量與固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的曲線關(guān)系。經(jīng)過試拌固化土14 d、28 d 齡期的各項(xiàng)參數(shù)如表3 所示。

表3 不同摻量的固化劑生成固化土后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistical of Unconfined Compressive Strength after Solidified Soil is Produced with Different Additives

由表3 可以看出當(dāng)固化劑摻量增加時(shí)，固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大。當(dāng)固化劑摻量超過7%時(shí)，固化土強(qiáng)度增長(zhǎng)更加明顯。但濱海相軟土有機(jī)質(zhì)含量較高，土體天然含水率大，處理深度大于2 m 時(shí)，原狀土含水率與其他物理性質(zhì)有明顯的變化［9］。為了保證固化效果，建議在不排水固化施工中，固化劑摻量不低于原狀土單位質(zhì)量的7%。固化劑摻量隨著固化軟土的深度和含水率增大而增加。綜合考慮，固化土各項(xiàng)指標(biāo)在室內(nèi)試驗(yàn)中較容易達(dá)到，但在實(shí)際施工中受原狀土土質(zhì)異常、攪拌供料，以及施工環(huán)境變化影響，現(xiàn)場(chǎng)固化土強(qiáng)度與室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度存在較大差異。在施工時(shí)對(duì)固化土取樣，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)出現(xiàn)場(chǎng)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度代表值，在室內(nèi)強(qiáng)度值的0.45～0.76 區(qū)間波動(dòng)。固化土配合比設(shè)計(jì)遵循動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原理，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及時(shí)進(jìn)行固化劑摻量調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)固化指標(biāo)。

2 淺層就地固化試驗(yàn)路現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

試驗(yàn)路選擇在施工環(huán)境較為惡劣的出?？谖r塘，利用塘埂和淺灘截取三段作為試驗(yàn)路。選擇在固化土持力層基礎(chǔ)承載力在135～145 kPa的段落內(nèi)，分別按1.0 m、2.0 m、3.0 m 固化深度處治。按照對(duì)原位土進(jìn)行原地固化處理技術(shù)進(jìn)行施工，在相應(yīng)固化土齡期，進(jìn)行靜力觸探、十字板剪切、動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)。通過原狀土與就地固化后軟土路基十字板剪切試驗(yàn)對(duì)比，反映不排水狀態(tài)地基加固前和加固后，以及不同加固深度抗剪切強(qiáng)度變化規(guī)律。動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)是采用動(dòng)態(tài)變形模量測(cè)試儀來檢測(cè)土體承載力指標(biāo)，通過落錘和荷載板沉陷測(cè)定，測(cè)出固化土體動(dòng)態(tài)受力特性，間接反映載重汽車在高速運(yùn)行時(shí)反復(fù)產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力對(duì)路基的作用狀況［10］。通過對(duì)就地固化土物理力學(xué)檢測(cè)以及對(duì)不同固化深度的固化效果進(jìn)行試驗(yàn)，檢測(cè)出固化后土體在靜力、擾動(dòng)和載荷3 種工況下的力學(xué)特性。綜合判斷軟土固化效果是否能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。選取有代表性的3個(gè)固化處治深度6個(gè)區(qū)塊，1-2 區(qū)塊為1.0 m、3-4 區(qū)塊為2.0 m、5-6 區(qū)塊為3.0 m，按照固化劑水泥主料摻配比例為9%時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)和修約規(guī)則整理數(shù)據(jù)獲取代表值。以14 d 齡期就地固化土體檢測(cè)為例，具體檢測(cè)數(shù)值如圖1 所示。

圖1 不同試驗(yàn)區(qū)塊固化土體平板載荷試驗(yàn)Fig.1 Flat Plate Load Test of Solidified Soil in Different Test Blocks

2.1 載荷板沉陷與變形強(qiáng)度之間的關(guān)系

由圖1 可以看出，經(jīng)過固化處理的土層具有較好的承載能力，固化處理深度越深，相對(duì)沉陷值越小，錘擊時(shí)固化土體變形越?。?1］。但平板荷載試驗(yàn)最佳的檢測(cè)深度為40～50 cm，超過50 cm 則精度降低。在試驗(yàn)中也能反映出，隨著軟土固化處理深度的加深，在對(duì)固化土恒加載時(shí)，土體抵抗變形的能力越強(qiáng)。圖1 也可以看出，當(dāng)沉陷值達(dá)到18 mm 以后，固化土變形的荷載明顯增大，證明固化層內(nèi)部受擠壓強(qiáng)度增大，抵抗變形能力比表層強(qiáng)，充分體現(xiàn)了半剛性材料的特質(zhì)。隨機(jī)抽取點(diǎn)位進(jìn)行檢測(cè)，未出現(xiàn)明顯的沉陷值異常，說明固化土中固化劑分布均勻，形成強(qiáng)度一致。

2.2 不排水十字板剪切強(qiáng)度與固化土容許承載力關(guān)系由電測(cè)十字板不排水抗剪切試驗(yàn)，通過與原狀土

抗剪切強(qiáng)度與固化處理后的剪切強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，得出固化層抗剪切強(qiáng)度明顯高于原狀土（見圖2）。但在處治設(shè)計(jì)深度底部，抗剪強(qiáng)度明顯降低，建議在設(shè)計(jì)固化處治層深度時(shí)，適當(dāng)考慮ALLU 強(qiáng)力攪拌頭［12］的構(gòu)造形狀，導(dǎo)致處治層底部抗剪強(qiáng)度偏低的現(xiàn)象。加深固化處治深度，保證固化處治效果極致發(fā)揮。經(jīng)過十字板剪切頭在土層中擾動(dòng)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)固化土體產(chǎn)生的力矩，可計(jì)算地基容許承載力。在不排水的固化土地段，測(cè)出阻力峰值后，進(jìn)一步測(cè)試原位重塑土的不排水抗剪切強(qiáng)度，可檢測(cè)出固化土體靈敏度和邊部抗滑移能力［13］。

圖2 不同試驗(yàn)區(qū)塊不排水剪切試驗(yàn)Fig.2 Undrained Shear Test of Different Test Blocks

2.3 靜力觸探錐尖阻力與固化土強(qiáng)度的關(guān)系

通過靜力觸探錐尖阻力強(qiáng)度（見圖3）可以看出，就地固化后，固化土層強(qiáng)度使用靜力觸探檢測(cè)的方法直觀簡(jiǎn)單，能直接反映加固土層的加固效果，也是能明確界定改良固化土體強(qiáng)度的檢測(cè)辦法。能直接判定出固化后土體的承載能力，是工地試驗(yàn)室較容易實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)手段。靜力觸探儀錐尖能直接貫穿固化層每個(gè)層面，同時(shí)彌補(bǔ)了動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)不能精確反映40 cm以下固化層力學(xué)性能的不足。靜力觸探試驗(yàn)貫入阻力的變化可直接地反映出固化土改良深度、淺層固化路基的承載力。但靜力觸探檢測(cè)使用選點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，不能直接反映改良土體的整體承載力。

2.4 就地固化路基水泥土體彎沉值與回彈模量試驗(yàn)

就地固化土體摻于固化劑后有一定的強(qiáng)度，作為矮路堤路基使用時(shí)，上部傳遞的荷載對(duì)路基受力狀態(tài)，與無機(jī)結(jié)合料基層情況相似，符合半剛性無機(jī)結(jié)合料的各項(xiàng)特征。由此，使用貝克曼梁彎沉儀檢測(cè)固化土體彎沉值和回彈模量。

圖3 不同試驗(yàn)區(qū)塊靜力觸探試驗(yàn)Fig.3 Static Penetration Test of Different Test Blocks

就地固化路基水泥土體彎沉值。軟土經(jīng)過就地固化摻于一定量的固化劑后，膠凝材料使各類拌和物固結(jié)，形成具備一定強(qiáng)度的半剛性路基填料。使用彎沉值指標(biāo)檢驗(yàn)固化土體的整體強(qiáng)度和回彈模量，能反映固化土體作為路堤下臥層使用時(shí)，當(dāng)遇到彎拉變形受力狀態(tài)，也能直接反映出固化土體整體固結(jié)效果。根據(jù)彎沉值指標(biāo)逆向思考固化土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的可靠性。案例中路堤填筑高度為1.8 m，在淺層處治深度分別為1 m、2 m、3 m的路基段進(jìn)行彎沉值檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表4 所示。

表4 軟土就地固化試驗(yàn)路段彎沉值指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistical of Deflection Value Index of Soft Soil In-situ Curing Test Section

由表4 可以看出，當(dāng)固化處治深度增加，彎沉代表值變小。路基抵抗變形的能力增大，與路面工程中無機(jī)結(jié)合料彎沉值與厚度的關(guān)系相似。

2.5 小結(jié)

模擬動(dòng)荷載對(duì)路基作用的動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)，使用十字板抗剪切試驗(yàn)檢測(cè)固化層抗剪切破壞能力，用靜力觸探的方式直擊各固化層，反映出各層的固化強(qiáng)度，彌補(bǔ)動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)中的不足。根據(jù)上述3 種試驗(yàn)檢測(cè)取得的數(shù)據(jù)，依照現(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范和規(guī)程，能有效地推斷出就地固化土體力學(xué)性能。若能大量收集十字板剪切試驗(yàn)中重塑土的強(qiáng)度數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)模型，則可以間接預(yù)估固化土體的邊部抗滑移能力和水穩(wěn)定性。

3 分析與總結(jié)

采用上述4 種試驗(yàn)檢測(cè)辦法，檢測(cè)固化土體表層強(qiáng)度、抗擾動(dòng)剪切能力、單點(diǎn)強(qiáng)度以及整體承載力，驗(yàn)證設(shè)計(jì)、施工參數(shù)的合理性。在施工時(shí)，通過就地固化土室內(nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度與室外取樣試驗(yàn)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，獲得室外強(qiáng)度代表值，并限定強(qiáng)度波動(dòng)區(qū)間，對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)固化劑摻量，提高工藝管控水平，保證固化土強(qiáng)度一定的約束作用；采用動(dòng)態(tài)平板載荷試驗(yàn)，間接反映ALLU 強(qiáng)力攪拌頭在軟土表層無約束狀態(tài)下，攪拌頭停留時(shí)間和噴漿量，保證表層固結(jié)效果，為大型機(jī)具和設(shè)備在其上作業(yè)提供安全保障；十字板剪切試驗(yàn)?zāi)苣M擾動(dòng)狀態(tài)下固化土體的抗剪切能力，收集重塑土強(qiáng)度能分析出固化土體邊部抗滑移能力；靜力觸探試驗(yàn)?zāi)苤庇^有效地反映固化土體各層次的強(qiáng)度，也可以直接擊穿固化土層測(cè)試固化處治層深度，錐尖阻力能直接反映固化土某一點(diǎn)的強(qiáng)度。最后通過貝克曼梁彎沉儀試驗(yàn)，檢測(cè)固化土體整體的回彈模量和彎沉值，為評(píng)定就地固化土體整體承載力提供依據(jù)。

軟土就地固化處理技術(shù)在廣東省使用尚屬首例，此工程率先大范圍使用該技術(shù)，并采用上述試驗(yàn)辦法對(duì)試驗(yàn)路進(jìn)行檢測(cè)，獲取施工驗(yàn)收數(shù)據(jù)?？偨Y(jié)相關(guān)試驗(yàn)與分析的辦法，為南粵地區(qū)濱海軟土就地固化路基檢測(cè)積累數(shù)據(jù)，供大家參考。