土壤固化技術與灰土換填法在燃氣工程處理地基的對比分析

文 / 張誠 張佳騏 呂文克 馬伯昊 徐畫格 李柏廷 王健宇

燃氣場站建、構筑物的地基基礎處理和管線的基底處理是工程建設的重要組成部分，北京地區(qū)地質條件、水文條件十分復雜，確保質量合格難度較大，不良土質采取換填處理投資不菲，采取樁基等復合地基等方式工程投資更將會大幅提升。同時，北京地區(qū)安全文明、綠色環(huán)保施工要求逐年提升，重大社會活動期間管理要求往往提升幾個等級，如果必須在特殊時期施工則需要支付高昂的技術措施費。特別是近年來，由于城市總體規(guī)劃的管理要求，管線路由常常定位于既有道路上，道路回填費用往往達到管線總投資的40-50%。

目前，工程建設中在燃氣場站建、構筑物的地基基礎處理和管線的基底處理等工程項目建設中存在以下亟待解決的技術問題：（1）缺乏適用于各類地質水文條件、造價合理、質量可靠、工期較短、綠色環(huán)保的施工工藝和材料；（2）缺乏能夠滿足道路回填質量要求，又能大幅降低工程投資的回填材料。近年來環(huán)保新型高強土壤固化劑在道路工程中得到了廣泛的應用，相比于傳統(tǒng)材料，利用土壤固化劑對就地取材的土壤進行固化，固化土體的相對強度、水穩(wěn)定性、高低溫穩(wěn)定性、耐久性等優(yōu)勢明顯，可用于高等級公路的底基層和二級及以下公路的基層，村鎮(zhèn)道路基層和面層等，以及加固的路基區(qū)域回填等。

本文依托北京市葫蘆垡高壓A站天然氣工程，具體對比分析土壤固化技術與灰土換填法在地基處理中的應用，從施工工藝、優(yōu)缺點以及經濟造價等三個方面重點介紹，為實際工程應用提供指導，推進土壤固化技術在地基處理方面的大規(guī)模應用。

1 工程概況

1.1 工程簡介

葫蘆垡高壓A站天然氣工程位于北京市房山區(qū)良鄉(xiāng)鎮(zhèn)規(guī)劃良竇路與京深路交匯路口東北角。擬建建筑場地現(xiàn)狀為空地。項目占地約2990平米，東西寬約44.50～49.50米，南北長約49.60～73.70米。

本擬建門站為一座新建高壓A站天然氣調壓站工程。主要建(構)筑物包括儀表間、戊類倉庫、次高壓A調壓箱、高壓A調壓箱、高壓A計量箱、過濾區(qū)、閥門區(qū)、圍墻等，設計要求對本工程地基采用換填進行地基處理，處理后的復合地基承載力標準值≥110KPa，地基土壓縮模量≥10MPa。

圖1 擬處理范圍示意圖

1.2 地基方案及穩(wěn)定性、均勻性評價

1.2.1 特殊性土

根據本次勘察所揭露地層，擬建場地人工填土的揭露厚度在 0.50～1.40m 左右，部分位置可能更厚，回填物質以黏質粉土素填土為主，含磚渣、灰渣等建筑垃圾。成分較復雜，回填時間較短，回填過程未經過碾壓夯實，軟硬不均，未經處理不宜作為建(構)筑物的基礎持力層，同時該填土結構松散，易坍塌，應著重考慮其對基坑穩(wěn)定的不利影響。

1.2.2 土的壓縮性和均勻性評價

擬建場地表層為人工堆積層，厚度約為0.50～1.40m，為本場地特殊土，該層土堆積時間短，土質結構松散，物理力學性質差，土質不均，在地面荷載或受地下水、雨水等的影響作用下，易發(fā)生沉降變形，須經過處理才能作為擬建建(構)筑物持力層。人工堆積層以下新近沉積層與第四紀沉積層，沉積時間較長，層位相對較穩(wěn)定，強度較高，土的工程性質和力學性質較好，可以作為擬建建(構)筑物的天然地基持力層。

1.2.3 地基處理

各擬建建(構)筑物基底地基為不均勻地基，應采取地基處理，處理的范圍及深度須滿足建(構)筑物地基承載力、均勻性和穩(wěn)定性的要求。設計時需考慮由于地基持力土層差異（天然地基、人工處理地基）適當加強建(構)筑物結構與基礎的強度與剛度，同時嚴格控制回填土的壓實系數不小于0.96，此種情況下，承載力標準值應＞100kPa。

2 技術對比

2.1 定義

2.1.1 灰土換填法

灰土換填法是將淺基礎下面的雜填土、軟弱土或濕陷性黃土等特殊土挖去，然后換填以白灰和粘土以一定比例拌合的灰土，經分層回填分層壓實后形成的人工地基[1]。2:8或是3:7灰土換填法淺層地基處理要求采用新鮮的消石灰，且粒徑不大于5mm，所用土料以粘土或塑性指數＞4的粉土，其含水量在wop±2%內，土料需要過篩，土粒粒徑不大于20mm[2]。

2.1.2 土壤固化技術

土壤固化技術是將各類土壤作為主要材料，通過添加小劑量的水泥與土壤固化劑，通過一系列物理化學反應改變土壤性質，并在壓實功的作用下，使固化土易于壓實和穩(wěn)定，從而形成整體結構，達到常規(guī)所不能達到的壓密度構筑道路路基、基層以及底基層，具有較好的力學性能和路用性能。土壤固化劑是一種環(huán)保型筑路材料，產品無毒無害無污染，適用于各種類型土壤的固化。

2.2 優(yōu)缺點分析

2.2.1 灰土地基

優(yōu)點：由于堿性石灰粉和黏土中的二氧化硅、三氧化二鋁之間產生了復雜的化學反應，夯實后的灰土具有很好的強度、耐水道性和整體性。

缺點：灰土墊層的材料為石灰和土，石灰和土的體積比一般為3：7或2：8，石灰污染環(huán)境，劣質土需要外運，好土料需要購買、回運等造成成本過高。灰土墊層的強度隨用灰量的增大而提高，但當用灰量超過一定值時，其強度增加很小，且灰土地基對拌和土要求較高，處理后的地基強度上升需要時間相對較長，灰土處理后的地基承載力一般不超過250kPa。此外，灰土換填法受氣候、環(huán)境影響大，換填土質量不易控制。

2.2.2 固化土地基

優(yōu)點：它與土壤混合后通過一系列物理化學反應來改變土壤的工程性質，能將土壤中大量的自由水以結晶水的形式固定下來，使得土壤膠團表面電流降低，膠團所吸附的雙電層減薄，電解質濃度增強，顆粒趨于凝聚，體積膨脹而進一步填充土壤孔隙，在壓實功的作用下，使固化土易于壓實和穩(wěn)定, 從而形成整體結構，并達到常規(guī)所不能達到的壓密度。經過土壤固化劑處理過的土壤，其強度、密實度、回彈模量、彎沉值、CBR、剪切強度等性能都得到了很大的提高，其處理后的地基承載力可達到1000 kPa。

相比于傳統(tǒng)材料，利用土壤固化劑對就地取材的土壤進行固化，固化土體的相對強度、水穩(wěn)定性、高低溫穩(wěn)定性、耐久性等優(yōu)勢明顯，可用于高等級公路的底基層和二級及以下公路的基層，村鎮(zhèn)道路基層和面層等，以及加固的路基區(qū)域回填等。同時，土壤固化技術大大減小了石灰、水泥以及砂石料等傳統(tǒng)建筑材料的摻量，這將大大減少減少砂石材料開發(fā)及運輸費用，大大降低工程造價，經濟效益顯著；而且炸山取石和挖河采砂的減少，將增大自然植被和河流的保護，自然環(huán)境的破壞程度大大降低，環(huán)境效益顯著；此外，這可減少傳統(tǒng)材料開發(fā)、施工、運輸過程中CO2等溫室氣體的排放量，進一步改善生態(tài)環(huán)境，有利于經濟社會的良性循環(huán)和可持續(xù)發(fā)展。

缺點：主要是對于高速性粘性土拌合較為困難，再就是目前國內該技術主要應用于公路交通系統(tǒng)，較少應用于工民建的地基處理，因此，在該方面應用缺乏一定的技術規(guī)范。

3 施工工藝比較

3.1 灰土換填地基

（1）準備工作。施工前，先根據要求，合理選擇施工原材料，在石灰使用前的3～5d保證全部消解。隨后打碎土，保證土塊在1.5cm以下。

（2）攤鋪土和灰。在路槽內將疏松的土均勻攤鋪，根據體積比合理配置材料，并將材料鋪筑到土層上，要求在30cm以內控制松鋪厚度。

（3）拌和。拌和施工前，先對土的含水量進行詳細檢驗，確定含水率之后，先進行2遍拌和，隨后根據含水率情況，再次進行多次拌和，直至均勻拌和。

（4）碾壓。在保證最佳含水量的基礎上，根據“先輕后重，兩邊到中間”的順序進行碾壓施工，碾壓施工后，要保證無顯著輪跡，且壓實度滿足設計要求。

（5）養(yǎng)生。待完成上述施工之后，便可進行路面養(yǎng)護施工，一般養(yǎng)護周期為14d，可采用灑水保濕養(yǎng)護，保證整個路面養(yǎng)護質量合格。

3.2 土壤固化技術

（1）施工放樣

首先利用挖機清除表土，并攤鋪到前一個基坑中，攤鋪時利用挖機適當碾壓+鋪水泥（使用po42.5普通硅酸鹽水泥）水泥撒布一定要按照設計要求（土壤的質量比）撒布，不能漏撒和不撒布，可以人工噴灑或機械噴灑（如果經濟條件或場地允許建議采用機械噴灑），人工噴灑水泥按照具體工程量與配合比計算出水泥質量后并均勻撒布。

（2）根據技術指標要求，稀釋環(huán)型保高強穩(wěn)定固化土材料。

按照實驗室配合比取一次施工土體質量計算出環(huán)保型高強固化土材料用量，再按最佳含水率要求與現(xiàn)場含水率的缺水差額量補水將環(huán)保型高強固化土材料加入水車中攪拌均勻進行稀釋，控制固化劑的量和水量的總原則是，先確保固化劑的足量，再適當補水。

（3）拌和

將稀釋后的環(huán)保型高強固化土材料稀釋液噴灑在需拌和的土質和水泥的混合料上，使用穩(wěn)定土拌合機行拌合三遍以上。

（4）排壓、整形

混合料拌和均勻后用鋼輪壓路機進行碾壓整形。

（5）刮平機刮平

刮平機按照設計圖紙標高進行多次刮平，刮平時應注意路面坡度走向有助于路面排水，對局部低洼處，應用齒耙將其表面耙松5cm-8cm深，并用新拌的環(huán)保型高強穩(wěn)定固化土基層混合料進行填補找平排壓，最后用刮平機精細整形一次，應將高處料直接刮出路外，不應形成薄層貼補現(xiàn)象。采用膠輪壓路機進行排壓兩遍穩(wěn)定混合料。

（6）碾壓（先靜壓2遍后震壓2遍）

根據路寬、壓路機的輪寬和輪距的不同，制定碾壓方案，應使各部分碾壓到的次數相同。碾壓過程中，如出現(xiàn)彈簧、松散、起皮等現(xiàn)象，應及時翻開重新拌和（加適量的環(huán)保型高強穩(wěn)定固化土基層材料）或用其他方法處理，使其達到質量要求。軟基層自然固化可用挖掘排壓，壓路機壓實應達到96%的壓實度。

（7）養(yǎng)生

碾壓完后，必須采用覆蓋保濕養(yǎng)生，養(yǎng)生期控制在7d為宜。

4 土壤固化技術地基處理方案和灰土地基處理方案的經濟對比

擬建場地表層為人工堆積層，厚度約為 0.50～1.40m，自然地面標高位于設計基底標高以下，故需首先對自然地面以下分布的人工填土層進行固化處理，然后換填素填土至設計標高。地基處理范圍內，采用固化土分層碾壓至建（構）筑物基底設計標高，壓實系數≥0.95，碾壓后承載力≥100kPa；固化土碾壓完成后，其上分層鋪設素填土并壓實（壓實系數≥0.94）至設計標高，后再進行相應的建（構）筑物、管線等基礎的開挖。

土壤固化配合比設計：按照土的質量添加5%的普通硅酸鹽水泥（po42.5）和0.02%的環(huán)保型土壤固化劑。根據葫蘆垡高壓A站天然氣工程地基處理設計，兩種方案的經濟對比如下表1～3：

表1：土方工作量

表2：灰土造價

表3：固化土造價

單從回填材料角度對比計算，固化土換填較灰土換填增加造價約18790元，占比約1.31%，兩者基本持平。

5 結論

（1）土壤固化技術施工工藝類似于灰土換填法，但其各項技術性能指標又遠高于灰土換填法。相較固化土的具有早強性，且后期強度穩(wěn)定增長。

（2）單從回填材料角度對比計算，土壤固化技術與灰土換填法的造價基本持平。但由于土壤固化技術就地取材，大大減少了傳統(tǒng)路基回填材料的摻量，因此該技術有效降低了運輸費用。而且炸山取石和挖河采砂的減少，降低了自然環(huán)境的破壞程度，環(huán)境效益顯著。相較灰土換填法，土壤固化技術都將帶來更為可觀的經濟效益與社會效益。