固化技術(shù)在軟土地基中的應(yīng)用研究

陳海雄， 劉龍武， 張健， 姚木， 王濤

(1.中國(guó)建筑第五工程局有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

地基土體在長(zhǎng)期的雨水浸泡及機(jī)械作業(yè)影響下易發(fā)生軟土化現(xiàn)象，土體內(nèi)部含水量高，具有高壓縮性、高靈敏度、高流變性和低承載力等特點(diǎn)。現(xiàn)有軟土地基處理方法有置換法、排水固結(jié)法、灌入固化法、托換法、振密或擠密法、加筋法、糾傾與遷移法等，其中置換法在地基表層和淺層軟土處理方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但常規(guī)置換法存在如下缺點(diǎn)：1) 棄土、壓實(shí)需在晴天進(jìn)行，雨季時(shí)難以快速施工，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)、費(fèi)用增加；雨季時(shí)就地取材或從附近獲取合適含水率填土難以實(shí)現(xiàn)，若采用砂、碎石、粉煤灰、干渣等作為回填料，會(huì)增加成本。2) 城市內(nèi)施工對(duì)環(huán)保要求高，特別是流塑狀態(tài)軟化土在運(yùn)輸和棄置過(guò)程中需格外小心，避免罰款和不良評(píng)價(jià)。為克服上述缺點(diǎn)，該文以水泥為主要膠體材料，對(duì)某項(xiàng)目施工場(chǎng)地的軟土按照特定方法處理、混合后形成固化土，以該固化土作為回填料，采用路拌法將其壓實(shí)，得到滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的地基層。

1 工程背景

1.1 氣候和地質(zhì)情況

(1) 氣候特征。某項(xiàng)目所在地雨量較充沛，降雨時(shí)間分布不均勻，3—5月平均降雨天數(shù)為52.8 d，約占全年總降雨天數(shù)的35%；夏季降水不均，旱澇無(wú)定；秋冬雨水減少。年最小、最大降雨量分別為1 018.20、1 751.20 mm，平均1 394.60 mm。

(2) 水文地質(zhì)特征。場(chǎng)地內(nèi)地下水主要為上層滯水、孔隙水及巖溶裂隙水。上層滯水主要分布于松散填土層中，填土層為弱～中等透水層，富水性一般，水量貧乏，水位及水量隨季節(jié)變化。孔隙水主要分布于第四系沖積細(xì)砂、粗砂、圓礫、卵石層中，為強(qiáng)透水層。該強(qiáng)透水層綜合厚度大，富水性好，水量豐富，略具承壓性，承壓水頭為1～6 m。場(chǎng)地內(nèi)地下水位變化幅度為6～8 m。

(3) 各層巖土情況。開挖至基底標(biāo)高后發(fā)現(xiàn)基底以下有粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、圓礫、卵石和中風(fēng)化灰?guī)r，地層種類多，軟硬不均，且各地層的厚度變化極大。當(dāng)?shù)叵滤偷乇斫邓S富時(shí)，粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、圓礫、卵石極易受施工擾動(dòng)影響，強(qiáng)度變化幅度大。

1.2 地基軟土化分析

圖1 基坑施工現(xiàn)場(chǎng)

該項(xiàng)目工期緊張，加之降雨頻繁，卸土場(chǎng)經(jīng)常關(guān)閉，淤泥無(wú)法外運(yùn)，而場(chǎng)內(nèi)北區(qū)樁基、錨桿施工占用場(chǎng)地，南區(qū)堆放大量場(chǎng)內(nèi)倒運(yùn)的新土，雨水濕潤(rùn)后無(wú)法過(guò)車，場(chǎng)內(nèi)臨時(shí)堆放不可行。因此，原設(shè)計(jì)方案“軟弱地基層清除后填C15砼”無(wú)法實(shí)施。經(jīng)研究，確定采用固化土處理軟土地基施工方案。

2 固化土處理軟土地基施工方法

2.1 施工方案

2.1.1 摻灰工藝

實(shí)際工程中，水泥固化土通常采用廠拌法和路拌法。廠拌法使用專門的拌合設(shè)備將一定量水泥與原料土拌合后運(yùn)至工地，即集中拌合。路拌法在施工現(xiàn)場(chǎng)以不同方式(人工或機(jī)械)將一定摻量的水泥、石灰、原料土利用挖掘機(jī)進(jìn)行拌合，然后攤鋪、壓實(shí)。廠拌法能保證拌合的均勻性，節(jié)約勞動(dòng)力，但不能保證時(shí)刻有大規(guī)模的供給料投入，費(fèi)用比路拌法高。路拌法操作簡(jiǎn)單，無(wú)需外運(yùn)，就地作業(yè)，通常用于二級(jí)或二級(jí)以下公路。路拌法施工填料的均勻性不及廠拌法，但可通過(guò)前期的試配和試壓選取合適的強(qiáng)度折減系數(shù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，使其滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。該項(xiàng)目軟土地基固化土采用路拌法施工。

路拌法施工中常采用“3次摻灰”拌合法：第1次摻灰是在流塑狀態(tài)軟化土區(qū)域原地?fù)饺胍欢可?，生石灰與軟土中的水反應(yīng)，在消耗水的同時(shí)釋放大量熱量，加速生石灰消耗土壤中的水，最終使土體從流塑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)。第2次摻灰加入3%的水泥，使軟化土“砂化”，達(dá)到均勻燜料的效果。水泥的水化反應(yīng)不但可以消耗軟土中的水，進(jìn)一步降低其含水量，而且水泥水化反應(yīng)生成的膠結(jié)物質(zhì)能降低軟土的密實(shí)度，起到強(qiáng)度增強(qiáng)作用。第3次摻灰加入一定量水泥和水玻璃，形成水泥固化土，為實(shí)現(xiàn)地基土強(qiáng)度快速增長(zhǎng)提供拌合土料。

2.1.2 材料和機(jī)械設(shè)備

(1) 材料。填料的土源為“就地取材”的地基軟化土，主要膠凝材料為水泥，利用生石灰降低土體含水量，采用水玻璃增強(qiáng)回填土料的和易性(見(jiàn)表1)。這些材料需進(jìn)行以下處理或達(dá)到以下標(biāo)準(zhǔn)時(shí)才能使用：1) 用挖掘機(jī)挖出經(jīng)雨水浸泡至飽水狀態(tài)的軟土，堆放在基坑周圍。2) 生石灰數(shù)量根據(jù)試驗(yàn)段情況確定；生石灰的有效氧化鈣和氧化鎂含量需滿足相關(guān)要求；要求生石灰粒徑不大于37.5 mm，以免后期拌合過(guò)程中不能進(jìn)行完全熟化反應(yīng)；生石灰存放期間進(jìn)行覆蓋，并盡量縮短存放時(shí)間。3) 使用42.5水泥，存放水泥的倉(cāng)庫(kù)應(yīng)封閉，以免水泥受到污染而變質(zhì)。水泥存放時(shí)不能直接接觸地面，需墊起，距離地面至少30 cm；也不能接觸墻壁，應(yīng)保持3 cm的距離；堆放高度不能超過(guò)10袋。露天堆放的水泥應(yīng)用防雨篷布覆蓋嚴(yán)實(shí)，板要墊高并采取防潮措施。

表1 材料要求

(2) 機(jī)械設(shè)備。地基加固處理的常用夯實(shí)方法

有重錘夯實(shí)、機(jī)械碾壓和平板振動(dòng)等，對(duì)于高含水率的回填土以上方法都難以實(shí)施。該項(xiàng)目地基換填中以不同型號(hào)挖掘機(jī)配合施工為主(見(jiàn)表2)，挖掘機(jī)既起到開挖、拌合的作用，又兼具壓實(shí)功能?；靥钔亮现械乃鄰?qiáng)度在28 d齡期前隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，呈冪函數(shù)形式變化，而且在常用水泥摻量(5%～20%)內(nèi)就能有效抑制非病害土的軟化，起到加固土體的效果，其后期強(qiáng)度也遠(yuǎn)高于地基承載力要求。因此，非壓密狀態(tài)的固化土也能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的承載力。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)輸監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)化、透明化，運(yùn)輸數(shù)據(jù)多層共享。用戶、變壓器廠商和運(yùn)輸公司能夠共同在線監(jiān)督變壓器當(dāng)前狀態(tài)，提高變壓器運(yùn)輸質(zhì)量和預(yù)警力度，從而采取有效的預(yù)防措施，將進(jìn)一步提升變壓器運(yùn)輸過(guò)程的安全系數(shù)。

表2 施工機(jī)械設(shè)備

2.1.3 回填、壓實(shí)質(zhì)量要求

填土前檢查水泥固化后地基土是否達(dá)到硬塑狀態(tài)，若沒(méi)有，則不能進(jìn)行地基土回填。建筑工程中常以砼強(qiáng)度達(dá)到1.2 MPa以上作為達(dá)到硬塑狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)。但試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)水泥固化土在常用水泥摻量(5%～20%)內(nèi)的7 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度只有1～3 MPa，28 d強(qiáng)度也只有2～5 MPa。因此，不能以砼的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)作為水泥固化土能否進(jìn)行下一步施工的判斷依據(jù)。該項(xiàng)目采用常規(guī)液塑限聯(lián)合測(cè)定儀中76 g錐體的落錐深度小于2 mm作為達(dá)到硬塑狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)。

確認(rèn)固化后的軟土達(dá)到回填土要求后，對(duì)坑槽進(jìn)行清理，確保無(wú)雜物?？硬刍靥钋白龊没A(chǔ)標(biāo)高的清理，同時(shí)清理其中的雜物、砂子等。整個(gè)施工過(guò)程中都要檢查回填質(zhì)量，不能有雜物。

對(duì)回填料分層進(jìn)行攤鋪，每層厚度控制在250 mm。攤鋪到一定厚度后進(jìn)行壓實(shí)、拍實(shí)，并用挖掘機(jī)找平。

2.2 工藝流程

采用固化土進(jìn)行軟化土地基回填時(shí)，按照由深到淺、從兩邊到中間分層對(duì)稱壓實(shí)的施工順序，分層壓實(shí)控制厚度為250 mm，以2個(gè)壓實(shí)分層組成1個(gè)作業(yè)層。施工流程：地表封水→降水→原位第1次摻灰→開挖+第2次摻灰拌合→靜置砂化→第3次摻灰拌合→第1層壓實(shí)→靜置硬塑化→重復(fù)壓實(shí)分層施工，直至完成全部壓實(shí)填筑。

2.3 施工要點(diǎn)

該項(xiàng)目軟土地基處理范圍較大，各處深淺不一，按照面積不超過(guò)800 m2分為20個(gè)大區(qū)，每個(gè)大區(qū)又按照深度劃分為4～6個(gè)小區(qū)，按照由深到淺、一端到另一端的順序完成施工。

(1) 地表封水。用挖掘機(jī)挖出待處理區(qū)域深層的軟土淤泥，使土坑呈漏斗形，并在側(cè)邊打截水溝截?cái)嗤獠康牡乇硭?/p>

(2) 降水。在待處理區(qū)域設(shè)置一處以上用于降水的井點(diǎn)，將潛水泵置于土坑底部最低點(diǎn)，用潛水泵降低區(qū)域外部的地表水。

(3) 原位第1次摻灰。開挖區(qū)降水完成后，考慮到土體內(nèi)部含水量高且不能用物理方法進(jìn)行處理，在加入水泥固化前加入適量生石灰降低含水量。在開挖區(qū)內(nèi)流塑狀態(tài)軟化土區(qū)域原地?fù)饺脒m量生石灰，通過(guò)生石灰與軟化土中水的熟化反應(yīng)及放熱加速降低土中含水量，生石灰摻量以將流塑狀態(tài)軟化土變?yōu)榭伤軤顟B(tài)為準(zhǔn)，通過(guò)落錐試驗(yàn)判別。

(4) 放坡開挖。開挖施工前，采取措施將基坑內(nèi)地下水位降至擬開挖下層土方的底部以下不小于0.5 m?；娱_挖的分層厚度控制在1 m以內(nèi)，嚴(yán)禁超挖。

(5) 第2次摻灰。在堆置在拌合堆場(chǎng)的軟塑狀態(tài)軟土中按土灰重量比摻入3%的水泥，用挖掘機(jī)進(jìn)行第1次水泥拌合。拌合完成的土樣靜置6 h以上。

(6) 第3次摻灰。將完成2次摻灰且靜置6 h以上的土樣，按土灰重量比摻入不超過(guò)7%的水泥，并適當(dāng)摻入低濃度的水玻璃改善土的和易性。

(7) 分層壓實(shí)。用挖掘機(jī)將經(jīng)3次摻灰的水泥固化土回填至開挖區(qū)底部，每次虛鋪厚度控制在300 mm。通過(guò)挖掘機(jī)履帶碾壓和挖斗下側(cè)拍實(shí)3～5遍完成水泥固化土的回填施工。

(8) 靜置。將分層壓實(shí)后的固化土地基靜置1 h以上，靜置結(jié)束時(shí)間以固化土壓實(shí)層達(dá)到硬塑狀態(tài)為準(zhǔn)，判斷標(biāo)準(zhǔn)為液塑限聯(lián)合測(cè)定儀76 g錐體的落錐深度小于2 mm。如果靜置超過(guò)3 h后固化土樣未達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，則對(duì)余下的固化土料進(jìn)行翻曬降水，每0.5 h翻曬1次，翻曬2次后測(cè)量落錐深度，直至落錐深度小于2 mm。

(9) 重復(fù)步驟7、步驟8，對(duì)余下未回填的區(qū)域進(jìn)行回填、分層壓實(shí)，直至整個(gè)區(qū)域全部用符合強(qiáng)度要求的水泥固化土回填壓實(shí)。

3 質(zhì)量控制措施

(1) 施工期間安排專人查看近期天氣預(yù)報(bào)并作好記錄。如果需在雨季施工，則在施工區(qū)域內(nèi)做好防排水，同時(shí)用尼龍布覆蓋未硬化的已換填地基，防止雨水直接沖刷。

(2) 為取料、投料方便，施工中一般將施工用料放置在施工現(xiàn)場(chǎng)或施工現(xiàn)場(chǎng)周圍，應(yīng)對(duì)料堆進(jìn)行遮蓋，以防雨淋。條件允許的情況下，可專門搭建存放施工用料的倉(cāng)庫(kù)。

(3) 現(xiàn)場(chǎng)所用回填料現(xiàn)拌現(xiàn)用，嚴(yán)禁提前拌合。天氣晴朗、溫度較高時(shí)，用料前將軟土提前翻曬，使土料各處含水率基本一致，否則影響壓實(shí)度。

(4) 該項(xiàng)目地基含水量高，排水溝的作用重大，需每隔一定時(shí)間對(duì)排水溝進(jìn)行檢查、維修、疏通，確保其排水暢通。

(5) 處理層底部的承載力需高于140 kPa，否則需加大處理深度；壓實(shí)層24 h后的承載力應(yīng)大于160 kPa。

4 結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目所用填料為“就地取材”的地基軟化土，主要膠凝材料為水泥，采用生石灰降低土體含水量，添加水玻璃增強(qiáng)回填土料的和易性；地基換填以不同型號(hào)挖掘機(jī)配合施工為主，挖掘機(jī)既起到挖掘、拌合的作用，又兼具壓實(shí)功能。該固化技術(shù)適用于工期短、換填工程量大、地基上部荷載不大的情況，是一種應(yīng)急處理方式。