就地固化技術(shù)處理淺層軟土的應(yīng)用及機(jī)理研究

徐 亮，唐彤芝，白蘭蘭，洪 雷，周久陽

(1. 中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司江蘇分公司，江蘇 南京 210012；2. 南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029；3. 蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019；4. 西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 611756)

在我國東南部地區(qū)的城市道路建設(shè)過程中，往往會遇到較多的軟土路基。這些路基普遍存在顆粒細(xì)小、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量高、滲透系數(shù)低等特點，其強(qiáng)度及壓縮特性難以滿足工程需求。對于厚度不大（2～6 m）的軟土，常用的處理方法包括復(fù)合地基法、排水固結(jié)法、化學(xué)加固法和動力固結(jié)法等[1-2]。各類方法均有其適用范圍及局限性。當(dāng)軟土厚度較小時（一般為0.5～5.0 m），處理方法往往難以選擇。換填法是優(yōu)先考慮的方案，但存在換填土源緊張、原位軟土無處放置等問題。在我國大力提倡綠色、環(huán)保、節(jié)能發(fā)展的背景下，基于固化法的就地固化技術(shù)近年來在淺層軟基處理中得到了越來越多的應(yīng)用。就地固化技術(shù)是將固化材料和軟土在原位進(jìn)行拌和、攪拌，使之直接形成強(qiáng)度更高的混合土體。

已有學(xué)者對就地固化的固化劑、固化設(shè)備等多個方面進(jìn)行了研究。徐日慶等[3]從淤泥土淺層固化入手，以由生石灰和粉煤灰組成的混合料作為基礎(chǔ)固化劑，經(jīng)室內(nèi)試驗得到了該種類型固化劑適用于淤泥質(zhì)土淺層固化的最優(yōu)配比。程福周等[4]研究發(fā)現(xiàn)，生石灰在淤泥固化過程中扮演的主要角色是快速降低淤泥土的含水率，并為后續(xù)水泥的水化反應(yīng)提供鈣離子和堿性環(huán)境，加快水泥水化反應(yīng)的進(jìn)程。Yong 等[5]在淤泥中摻入石灰-粉煤灰固化劑，通過CBR 試驗、XRD 掃描電鏡以及pH 值測定等試驗，分析了固化淤泥技術(shù)應(yīng)用的可能性。Consoli 等[6]對以水泥為主要固化劑的固化土開展了不同含水率、孔隙率、水泥摻量和齡期下的試驗研究，得出了孔隙率、水泥摻量與固化土強(qiáng)度之間的關(guān)系，并指出可以通過控制孔隙率和水泥摻量來降低固化成本。陳永輝等[7]研究了強(qiáng)力攪拌頭在吹填造陸工程中的應(yīng)用，得出ALLU 強(qiáng)力攪拌頭系統(tǒng)與吹填土工程的適配性較好，開展的現(xiàn)場試驗結(jié)果表明經(jīng)該系統(tǒng)處理的吹填土在強(qiáng)度和承載力方面能夠達(dá)到設(shè)計要求。王穎等[8]通過室內(nèi)試驗制定固化方案，再利用強(qiáng)力攪拌頭按照既定方案進(jìn)行現(xiàn)場施工，在相同固化劑種類和配比下，現(xiàn)場強(qiáng)度能達(dá)到室內(nèi)強(qiáng)度的37%～66%。丁飛鵬等[9]將廢棄泥漿進(jìn)行就地固化并將其應(yīng)用于道路工程中的路基填方，認(rèn)為在固化效果方面，水泥優(yōu)于生石灰；ALLU 強(qiáng)力攪拌頭系統(tǒng)在現(xiàn)場具有良好的適應(yīng)性；固化處理致使泥漿的最優(yōu)含水率變大，最大干密度變小。王穎等[10]采用就地固化方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)地基處理方法對道路工程中存在的淺層軟土進(jìn)行處理，給出了現(xiàn)場強(qiáng)度與通過室內(nèi)試驗得到的強(qiáng)度比值為0.36 的指導(dǎo)意見。張浩蒼[11]用兩種就地拌和專用工程機(jī)械進(jìn)行了就地固化，轉(zhuǎn)速分別為10 與50 r/min，這兩種機(jī)械的工作原理類似于攪拌樁施工機(jī)械，均屬于低速切割拌和。盧占偉等[12]在紹興錢濱線泥漿池施工處理中應(yīng)用了就地固化+復(fù)合地基施工技術(shù)，采用了ALLU 強(qiáng)力攪拌頭系統(tǒng)，固化效果良好，對淤泥、泥漿、軟土等類似工程處理具有借鑒意義。

本研究依托南京市橫江大道建設(shè)工程，該項目河塘挖除淤泥達(dá)18.6 萬m3，而江北新區(qū)附近無棄土場，棄土距離達(dá)到30 km，傳統(tǒng)換填法包括棄土及購買填土，造價較高，且棄方堆放還將占用土地資源，污染環(huán)境。針對本項目開展就地固化方案的研究及應(yīng)用，具有重要的現(xiàn)實意義。本文開展了室內(nèi)固化配比及原位固化現(xiàn)場試驗，通過對比傳統(tǒng)固化法，研究了就地固化技術(shù)在淺層軟土處理中的效果及加固機(jī)理，有助于該技術(shù)的工程應(yīng)用及推廣，對類似工程建設(shè)具有一定的參考價值。

1 室內(nèi)固化配比試驗

南京市橫江大道建設(shè)工程位于南京市江北新區(qū)，道路沿線河塘密布（圖1）?，F(xiàn)場河塘區(qū)域抽水后，塘底淤泥暴露為地表，該淤泥層厚度為3.0～4.0 m，含水率為40.9%～64.0%，主要的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

進(jìn)行軟土處理的主要目的是滿足后期施工作業(yè)平臺要求，因此要求加固后地基的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥100 kPa。根據(jù)固化材料的價格及易獲得等要求，固化劑選擇了海螺牌P·O 42.5 硅酸鹽水泥，具體化學(xué)成分見表2。

圖 1 現(xiàn)場河塘分布示意Fig. 1 Schematic diagram of on-site river pond

表 1 土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab. 1 Basic physical and mechanical properties of soil

表 2 水泥化學(xué)成分組成Tab. 2 Chemical composition of cement

試樣拌合后制成無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，放入恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度（20 ± 3）℃，相對濕度大于95%，養(yǎng)護(hù)7、14 和28 d 后分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗，得到改良后的土體強(qiáng)度平均值。具體試驗結(jié)果見表3。

從試驗數(shù)據(jù)可知，水泥對淤泥固化有較好的強(qiáng)度提高作用。隨著水泥摻量的增加，河塘淤泥改良后強(qiáng)度逐漸提高；且隨時間增長，各摻量下淤泥的強(qiáng)度也顯著增加（圖2），經(jīng)過28 d 養(yǎng)護(hù)后，均能滿足無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于100 kPa 的要求。同時，對比數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)水泥摻量超過7%之后，固化強(qiáng)度將超過200 kPa，不利于后期攪拌樁施工；且過高的水泥摻量經(jīng)濟(jì)性較差。因此現(xiàn)場固化劑摻入比例建議控制在5%～7%。

表 3 固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Tab. 3 Uniaxial compressive strength of solidification soil

圖 2 不同水泥摻量對應(yīng)河塘土的強(qiáng)度變化Fig. 2 Strength change of river pond soil with different cement contents

2 現(xiàn)場原位固化試驗

2.1 國產(chǎn)強(qiáng)力攪拌設(shè)備

要確保固化效果，固化劑和土壤的充分、均勻混合是關(guān)鍵。近年來強(qiáng)力攪拌設(shè)備得到了較廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。強(qiáng)力攪拌是指使用專門的強(qiáng)力攪拌頭，借助其高速切割、拌和土體，從而得到優(yōu)于普通拌合機(jī)械的加固效果。產(chǎn)自芬蘭的ALLU PMX 強(qiáng)力攪拌頭是常見的設(shè)備，具有攪拌速度快、加固效果均勻的優(yōu)點，但也存在價格高、維修麻煩等不足?；陬愃频墓ぷ鳈C(jī)理，研制了專用的強(qiáng)力攪拌頭，如圖3 所示。該系統(tǒng)由強(qiáng)力攪拌頭、挖掘機(jī)、固化劑供料系統(tǒng)和儲料設(shè)備及控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)通過供料控制系統(tǒng)控制進(jìn)料及輸料，將后臺料倉內(nèi)的固化劑混合后通過安裝于挖掘機(jī)上的強(qiáng)力攪拌頭的漿噴裝置輸出，在攪拌頭的強(qiáng)力攪拌下，將輸出的固化劑與土體均勻拌和，達(dá)到原位固化的目的。

圖 3 自研的強(qiáng)力攪拌頭Fig. 3 Self-developed powerful stirring head

2.2 現(xiàn)場試驗方法

結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，現(xiàn)場河塘區(qū)試驗段采用了水泥摻入量分別為5%、6%和7%共3 種配合比，即100 g原狀濕土中摻入5、6 和7 g 固化劑，分別對應(yīng)A1、A2、A3 試驗區(qū)塊。每個試驗區(qū)塊大小均為3 m×6 m，處理深度為1.5 m。

施工過程中按照既定的固化方案進(jìn)行固化劑的調(diào)配，用強(qiáng)力攪拌頭將固化劑均勻混入土中。強(qiáng)力攪拌設(shè)備在平面及深度方向的施工方式如圖4 所示。施工后待其形成一定強(qiáng)度后，再利用推土機(jī)等機(jī)械進(jìn)入場內(nèi)將其表面整平，為后續(xù)施工做準(zhǔn)備。

圖 4 原位固化的推進(jìn)及攪拌方式示意[12]Fig. 4 Schematic diagram of in-situ solidification process[12]

2.3 加固效果

2.3.1 輕型動力觸探 原位固化處理前，河塘底部淤泥承載力較差，動力頭可輕易陷入泥中，輕型動力觸探第二擊觸探深度已達(dá)1 m。原位固化處理后3 d，輕型動力觸探試驗結(jié)果顯示，固化處理后的地基承載力在0.4～1.5 m 深度內(nèi)，已超過100 kPa，滿足進(jìn)一步施工機(jī)械的承載力要求。

在現(xiàn)場試驗完成第3 天、第7 天及第14 天進(jìn)行了輕型動力觸探試驗，承載力換算公式如下：

式中：fa為地基承載力特征值；N10為貫入10 cm 時對應(yīng)的錘擊數(shù)。本次試驗段加固深度為1.5 m，各試驗區(qū)處理厚度范圍內(nèi)的平均承載力如圖5 所示。處理后土體的承載力均超過了100 kPa，隨著水泥摻量增加，強(qiáng)度逐漸提高。

圖 5 各試驗區(qū)處理厚度范圍內(nèi)的平均承載力Fig. 5 Average bearing capacity within the treatment range

2.3.2 十字板強(qiáng)度 在現(xiàn)場試驗完成第7 天及第12 天進(jìn)行了十字板剪切試驗，試驗深度為地表下30～40 cm 處。十字板抗剪強(qiáng)度的計算公式如下：

式中：M為剪切破壞時的扭力矩；H為十字板的高度；D為十字板的直徑。

采用Skempton 極限承載力公式對試驗現(xiàn)場的地基極限承載力進(jìn)行計算，具體公式如下：

式中：q為基礎(chǔ)兩側(cè)超載；cu為地基的不排水強(qiáng)度；Nc為軟土承載力系數(shù)（可查表）。

本項目承載力安全系數(shù)取2，計算所得試驗區(qū)A1、A2 和A3 處理厚度范圍內(nèi)的7 d 容許承載力為163、170 和199 kPa，14 d 容許承載力為198、203 和215 kPa。從十字板試驗結(jié)果可知，各試驗區(qū)的強(qiáng)度規(guī)律跟動力觸探結(jié)果的總體規(guī)律基本一致，后續(xù)施工中要注意控制不宜過大，避免攪拌樁施工困難。

在理論上，原位十字板剪切強(qiáng)度cu是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu的一半。比較表4 中7 d 與14 d 齡期的室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與現(xiàn)場十字板剪切強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，6%、7%水泥摻量下十字板剪切強(qiáng)度近似于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的一半，與理論分析相一致。而5%水泥摻量下的十字板剪切強(qiáng)度大于無側(cè)限強(qiáng)度的二分之一，這可能是由于無側(cè)限室內(nèi)試驗試樣制備、養(yǎng)護(hù)過程中的試驗誤差導(dǎo)致無側(cè)限強(qiáng)度偏低，而現(xiàn)場土體的復(fù)雜情況，如剪切面、剪切力的非均勻分布等多個因素的影響，使得十字板剪切強(qiáng)度cu值偏大。

表 4 室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與十字板剪切強(qiáng)度對比Tab. 4 Comparison of indoor unconfined compressive strength and vane shear strength

由于固化處理后的地基強(qiáng)度隨著時間增加逐漸增長，后期難以繼續(xù)使用十字板法測定地基承載力，林孔錙[13]通過進(jìn)行大量三軸固結(jié)快剪與現(xiàn)場十字板試驗數(shù)據(jù)比較，發(fā)現(xiàn)原位十字板剪切與三軸固結(jié)不排水剪切強(qiáng)度增率指標(biāo)相當(dāng)接近，并給出了預(yù)壓地基的強(qiáng)度增長公式。對于后期如28 d、90 d 齡期強(qiáng)度的預(yù)測需要進(jìn)行進(jìn)一步的室內(nèi)試驗與計算。

2.3.3 含水率 試驗后第7 天挖取深度為0.20、0.35 和0.50 m 的土樣進(jìn)行含水率測定，得到的平均含水率如圖6 所示。該區(qū)域初始含水率為76%，在處理后含水率有較大幅度的下降。

由現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可知，上述處理方案中，均能滿足處理后承載力高于100 kPa 的要求。結(jié)合現(xiàn)場試驗段實施效果，考慮到實施難度及南京地區(qū)實際材料價格，建議在今后的大規(guī)模應(yīng)用中，水泥摻量為5.5%左右。

圖 6 處理前后土體含水率變化Fig. 6 Changes of soil water content before and after treatment

3 機(jī)理分析

水泥固化軟土的機(jī)理已有較多成果。水化硅酸鈣（簡稱“C-S-H”）是由水泥中的硅酸三鈣、硅酸二鈣水化生成的一種無定形物質(zhì)，C-S-H 凝膠可占硅酸鹽水泥水化產(chǎn)物總體積的50%，具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力和填充作用，是水泥基復(fù)合材料最主要的強(qiáng)度來源。C-S-H 凝膠能夠加強(qiáng)土顆粒之間的黏結(jié)性，形成較強(qiáng)的土體結(jié)構(gòu)；此外，C-S-H 凝膠填充了土顆粒之間的間隙，使得土體的孔隙率大大減小，從而達(dá)到改善其物理力學(xué)特性的目的。

本文的就地固化方法與傳統(tǒng)固化法的主要區(qū)別是強(qiáng)力攪拌、高速切割土體，常規(guī)固化攪拌設(shè)備的轉(zhuǎn)速普遍在40～80 r/min，而強(qiáng)力攪拌頭轉(zhuǎn)速可達(dá)120～140 r/min。為了研究該方法與常規(guī)固化方法的區(qū)別與聯(lián)系，本文采用EDTA 滴定試驗對攪拌后水泥在土體中的分布進(jìn)行了研究，引進(jìn)了水泥摻量的變異系數(shù)δ，以此來探究水泥在土中分布的均勻程度隨攪拌次數(shù)的變化規(guī)律。其中δ=σ/R， σ為土樣水泥摻量的標(biāo)準(zhǔn)差，R為反映水泥摻量的滴定液消耗量平均值。

通過滴定0、2%、4%、6%、8%水泥摻量的固化土得到EDTA 二鈉溶液的標(biāo)定曲線（圖7），后續(xù)試樣消耗EDTA 二鈉溶液的量在標(biāo)定曲線中對應(yīng)的水泥摻量即為試樣的水泥摻量。

選取6%水泥固化土為研究對象，采用JJ-5 型室內(nèi)攪拌機(jī)，進(jìn)行了常規(guī)拌合（60 r/min）與強(qiáng)力高速攪拌（140 r/min）兩組試驗，每種攪拌速度下制作25 個質(zhì)量為1 kg 的土樣，養(yǎng)護(hù)完成后分別進(jìn)行EDTA 滴定試驗，滴定結(jié)果如圖8 所示。

圖 7 EDTA 二鈉溶液標(biāo)定曲線Fig. 7 Calibration curve of EDTA disodium solution

根據(jù)滴定結(jié)果，分別計算出兩組數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。強(qiáng)力攪拌條件下EDTA 滴定結(jié)果為：反映水泥摻量的滴定液消耗量R的平均值為1.70 mL，標(biāo)準(zhǔn)差 σ=3.88%，變異系數(shù)δ=2.28%。常規(guī)攪拌條件下EDTA 滴定結(jié)果為：R平均值為1.70 mL，標(biāo)準(zhǔn)差 σ=9.38%，變異系數(shù)δ=5.53%。滴定結(jié)果表明，強(qiáng)力攪拌條件下固化土的水泥摻量變異系數(shù)較低，變異系數(shù)越低，證明水泥在土中的分布越均勻。此外，通過滴定液消耗量頻數(shù)分布圖可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)攪拌條件下EDTA 二鈉溶液消耗量分布的范圍較大，說明其變異性較大。

圖 8 強(qiáng)力攪拌和常規(guī)攪拌試樣滴定液消耗量頻數(shù)分布Fig. 8 Frequency distribution diagram of consumption under vigorous and normal stirring conditions

根據(jù)室內(nèi)試驗相同的方法，對現(xiàn)場試驗土樣也進(jìn)行了EDTA 滴定試驗。經(jīng)計算得：45 組數(shù)據(jù)的均值R=1.68 mL，標(biāo)準(zhǔn)差 σ=52.2%，計算得水泥摻量的變異系數(shù)δ=31.2%。Taki[14]給出了水泥土的攪拌均勻程度與強(qiáng)度變異系數(shù)的對應(yīng)關(guān)系：現(xiàn)場黏性土的攪拌均勻程度一般為60%～90%，對應(yīng)的強(qiáng)度變異系數(shù)為40%～20%。當(dāng)變異系數(shù)介于30%和50%之間時，可以判定固化劑在土中的分布為均勻。因此經(jīng)國產(chǎn)新型固化設(shè)備處理的固化土，其水泥在土中的分布可以認(rèn)為是比較均勻的。

為了進(jìn)一步對比強(qiáng)力攪拌頭和常規(guī)攪拌頭的固化效果，本文匯總了已有文獻(xiàn)中利用普通攪拌頭得到的固化土的變異系數(shù)，將其與強(qiáng)力攪拌頭的結(jié)果進(jìn)行比較。文獻(xiàn)[15]中匯總了多個工程的水泥土變異系數(shù)(圖9)。常規(guī)水泥土的變異系數(shù)為0.20～0.79，其平均值為0.416。如前所述，本項目試驗段6%水泥區(qū)塊的加固土樣中的水泥摻量變異系數(shù)為0.31，較這16 組數(shù)據(jù)的平均值為低。研究[16-20]表明，造成水泥土變異系數(shù)較高的主要原因包括土體自身固有的變異性、攪拌軸旋轉(zhuǎn)速度和升降速度、噴漿速率和噴漿壓力等。本文方法能將固化土的變異系數(shù)控制在較低值，其原因主要是強(qiáng)力攪拌頭切割土體速度遠(yuǎn)高于常規(guī)方法。強(qiáng)力攪拌頭在攪拌過程中能夠充分發(fā)揮其優(yōu)勢，經(jīng)其處理后，固化劑能夠更加充分地分布到土顆粒周圍，也表明該項目試驗段的固化均勻性較好。

圖 9 文獻(xiàn)中水泥土的變異系數(shù)[9]Fig. 9 Coefficients of variation of cement soil in literature[9]

4 結(jié) 語

本文結(jié)合南京橫江大道河塘路基處理工程，在現(xiàn)有淤泥固化技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合自主研發(fā)的強(qiáng)力攪拌頭，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，進(jìn)行了原位固化技術(shù)在城市快速路清淤填塘項目中的應(yīng)用研究，得到如下結(jié)論：

（1）通過室內(nèi)試驗，可知5%～7%水泥固化改良方案可以滿足路基處理承載力要求。

（2）通過現(xiàn)場試驗段施工，驗證了試驗室推薦配合比的可行性，并驗證了經(jīng)過固化處理后，承載力滿足設(shè)計要求，場地可滿足后期施工要求。

（3）室內(nèi)模擬強(qiáng)力攪拌頭試驗及數(shù)據(jù)分析表明，強(qiáng)力攪拌頭固化土中的水泥分布比較均勻，在相同摻量下，可以獲得高于常規(guī)攪拌方法的強(qiáng)度。該方法值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。