土壤固化技術應用于戈壁荒漠區水土保持工程的試驗研究

武 晟，許光照，謝永平，胡麗萍

（西北電力設計院，陜西 西安710075）

西北戈壁荒漠區干旱少雨，植被稀少，土壤鹽漬化嚴重，輸變電工程建設中遇到的水土保持問題較多，工程建設對地表造成的擾動會使土壤侵蝕模數顯著增加，而內地成熟的水土保持治理經驗又無法全盤照搬。主要原因是戈壁荒漠區土壤含鹽量較高，晝夜溫差極大，冷暖交替頻繁，內地采用的混凝土固化技術存在混凝土整體耐久性偏低，抗凍等級不能滿足結構長期耐久安全運行的問題［1］，更無法有效地開展植物敷設措施。

根據工程建設中遇到的實際情況，在進行了大量對比分析后，認為土壤固化技術更適合解決西北地區的水土保持問題。土壤固化技術一直是國內外土木工程領域受到廣泛關注和普遍使用的工程技術。該技術興起于20世紀40年代，處理對象主要為固體、半固體物質，應用目標不僅是加固作用，還包括增加滲透性，提高抗凍能力，防止污染物質泄漏等諸多方面［2］。國外研究者針對不同土質開發出了不同的土壤固化劑［3－5］，國內的研究主要集中在無機類固化劑的開發和應用方面，并且取得了一定的進展［6－11］。

從現有的土壤固化技術成果來看，該技術主要有以下適合于西北地區的特點：

（1）抗化學腐蝕性強。固化體不怕酸、堿的腐蝕，適用于西北鹽漬土。

（2）耐久性極好。固化體具有優異的水穩定性、抗凍性、抗滲性和耐磨性，適用于西北惡劣氣候條件。

（3）干縮率小，適用于現場直接制備、鋪設作業。

根據上述分析，本文對西北戈壁的土石山區、戈壁風沙區和荒漠鹽漬土區應用土壤固化劑的固化效果進行了系統的試驗研究。

1 研究區概況

本項目依托的是750kV吐魯番—巴音郭楞輸電線路工程，工程區植被類型為荒漠草原，屬暖溫帶干旱荒漠氣候區。試驗對象選擇了土壤類型具有代表性的3座塔基，分別是：J30塔基，代表戈壁土石山區，巖性主要為角礫、砂土及黏性土；J111塔基，代表戈壁風沙區，以粉土為主；J112塔基，代表鹽漬土荒漠區，表層為角礫層。

2 固化材料的選擇

土壤固化劑種類繁多，按照外觀形態可以分為液粉固化劑和粉狀固化劑；按照主要成份可以分為無機類、有機類、生物酶類固化劑［12］。

從收集的資料看，HEC高強高耐水土體固化劑（high strength and water stability earth consolidator，簡稱HEC土壤固化劑），是較好的試驗材料。該固化劑為無機類土壤固化劑，已大規模應用于三峽水利樞紐、金沙江等電站，京廣、京滬等國家重點鐵路干線，上海世博園、浦東機場等重點工程，尤其是用于酒泉衛星發射基地火箭場內轉運道路工程鹽漬土的固化等，這些在西北地區的應用實例，為本研究提供了可以借鑒的經驗。

HEC土壤固化劑是一種無機類水硬性膠凝材料，它的活性組分在常溫下直接滲入被固化材料基本單元的相界面，激發被固化材料中鋁硅酸鹽活性，利用多組分復合產生超疊加效應，使之形成多晶聚集體，將被固化材料基本單元黏結成牢固整體，產生較高強度和水穩定性，最終實現對有害物質的鈍化和固封。

HEC土壤固化劑的性能特點主要有如下幾個方面。（1）固化范圍廣泛。可代替普通水泥配制混凝土，可固化一般土體，如砂質土、壤土，可固化特殊土，如膨脹土、濕陷性黃土和淤泥，甚至還可以固化工業廢渣。（2）摻量少，固化體性能穩定。HEC摻量一般為土體干重的5%～10%，被HEC固化的土體早期強度高，為同條件下水泥土強度的120%～200%，后期強度穩定。（3）水穩性好，固化后的土體遇水抗壓強度基本無變化。（4）抗凍性能好，耐久性高。通過上述分析，確定選用HEC高強高耐水土體固化劑作為本試驗原材料。

3 試驗設計

試驗分3個階段。第1階段是基礎試驗，對擾動土進行土工試驗、土易溶鹽含量分析以及不同固化劑摻量的擊實試驗等，掌握擾動土的土壤類型、顆粒級配、酸堿性以及固化劑固化擾動土的最優含水量等基礎參數。第2階段是固化制備試驗，以基礎參數為控制條件，對擾動土固化樣本的養護齡期、固化劑摻量等制備參數進行系統試驗，找出最優參數范圍。第3階段是對固化樣本進行各項性能測試。

根據輸電工程塔基的特點，認為固化劑的固化效果應當滿足以下要求。

（1）力學性能。線路塔基的擾動土固化層沒有運輸道路的負荷要求，只是在線路檢修時，存在人員踩踏、檢修設備壓蓋固化層的可能性。經估算，固化層的承重要求也僅為0．05MPa左右。考慮到要保證耐久性需要一定的抗壓強度，所以參考《上海市地方標準 第一部分：道路人行道設計要求》，確定本試驗固化樣本的無側限抗壓強度不小于1．5MPa。

（2）耐久性能。由于固化擾動土的效果沒有統一的工程標準，因此與其他工程材料的性能進行對比，分析說明固化樣本的耐久性能。

4 結果與分析

4．1 基礎試驗

根據土工試驗結果，擾動土的土壤粒組含量見表1，根據粒徑級配的不同，3座塔基處的土壤分別為角礫、粉土和中砂，顆粒級配均良好，有助于固化劑對擾動土的固化。

表1 不同塔基處平均粒組含量 %

根據土易溶鹽含量分析試驗結果，3處塔基均為堿性土，其中J112塔基的鹽漬土還具有較強的腐蝕性（如表2所示）。

通過擊實試驗結果確定了不同的固化劑摻量條件下，擾動土的最佳含水量和最大干密度，為制備固化樣本提供了基本控制條件。

表2 不同塔基處土壤的化學性質 mg／kg

4．2 固化制備試驗

根據上述基礎試驗結果，并結合類似工程的經驗，以最大干密度，最優含水量，壓實度90%，7d養護齡期為控制條件，對擾動土分別添加6%，8%，10%，12%的HEC固化劑，進行強度試驗，結果見圖1。可以看出，3座塔基的固化擾動土在固化劑摻量為6%時，無側限抗壓強度就可以滿足大于1．5MPa的要求。但考慮到實際現場的施工條件，以及較為惡劣的氣候條件，為保證土壤固化的耐久性，適宜將固化劑的摻量提高到8%。

圖1 固化劑摻量與無側限抗壓強度的關系

在8%的固化劑摻量條件下，進行養護齡期為7，2，90，180，270，360d的固化樣本無側限抗壓強度試驗，結果見圖2。可以看出，7d的養護齡期就可使無側限抗壓強度達到1．5MPa的要求，與混凝土相比顯著縮短了養護周期。

圖2 養護齡期與無側限抗壓強度的關系

4．3 性能試驗

為了解在8%的固化劑摻量、養生齡期7d條件下制備的固化樣本的耐久性，分別進行了干縮變形，濕脹變形，凍脹變形，滲透試驗以及沖刷試驗。試驗結果與其他工程材料的對比分析見表3。可以看出，固化樣本在干縮、濕漲、凍脹、滲透等方面與道路硅酸鹽水泥、高強度樓板、石灰改良軟土的性能差別不大，與混凝土的沖磨損失率相比沖刷損失率偏高，考慮到本試驗的固化土是以防治水土流失為主要目標，不承擔繁重運輸任務，所以綜合各項性能的比較結果來看，固化樣本的耐久性滿足對擾動土的水土保持要求。

表3 不同塔基處土壤性能試驗結果與其他工程材料對比分析

5 結 論

從室內試驗結果來看，只需6%的HEC固化劑摻量就能使擾動土的固化樣本抗壓強度達到設計要求，說明該固化劑對戈壁土石山區、風沙區以及鹽漬土荒漠區的土壤具有較好的固化能力。考慮到現場實際氣候條件等不利因素，為提高固化效果的耐久性，建議將固化劑摻量提高至8%。從養護齡期來看，齡期控制在7d就能使固化效果滿足設計強度要求，若順利應用于實際工程當中，將顯著降低原材料的使用量及人工養護費，并縮短工程周期，而且固化樣本與水泥等其他工程材料相比耐久性能差別不大，滿足水土保持工程的要求。

室內試驗結果為現場試驗提供了指導性的數據支持，為現場試驗的順利實施打下了堅實的基礎。下一步將對工程現場的固化效果進行現場試驗和長期觀測，并與室內試驗結果進行對比，以期獲得室內外試驗結果的差異規律，找出切合現場實際情況的施工技術方案，為西北荒漠地區輸變電線路工程的水土保持工作提供科學的技術支持。

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