建筑棄土在道路工程中資源化利用關(guān)鍵技術(shù)

景 嘯

[上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引 言

隨著生態(tài)環(huán)保要求的不斷提高，深厚軟土地區(qū)城建項目大量高含水率棄土無法直接利用與道路工程建設(shè)大量需要筑路材料這一矛盾日益激化。市政道路工程土方平衡和多路徑的綜合利用技術(shù)研究值得開展深入研究。

國內(nèi)外關(guān)于各類棄土分揀處理已有研究應(yīng)用[1-2]，本研究聚焦軟土地區(qū)市政工程中地道、管廊、承臺等開挖產(chǎn)生的高含水率淤泥質(zhì)土就地固化處理后用于路基填筑和軟土地基就地加固的資源化利用技術(shù)。通過調(diào)研分析、理論計算、室內(nèi)試驗和工程應(yīng)用等手段，形成軟弱地基就地加固、棄土改良處理后作為道路路基或場地填料的成套設(shè)計、施工技術(shù)，解決城建項目中高含水量工程棄土難以利用、資源化推廣困難的技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)工程棄土就地綜合利用、單個或多個項目土方平衡“零廢棄”。同時以寧波西洪大橋作為試點工程，進(jìn)行了探索、研究、實踐、驗證。目前采用改良固化綜合利用技術(shù)的固化土路基試驗段已建成通車并進(jìn)行了跟蹤觀測，積累了不可多得的試驗數(shù)據(jù)和實施經(jīng)驗。

1 棄土固化利用體系

1.1 軟土地區(qū)道路項目棄土利用特點與目標(biāo)

軟土地區(qū)道路項目棄土利用的目標(biāo)是加固地基和制備合格的路基填料。而軟土地區(qū)高含水率淤泥質(zhì)土處理難度大，工程場地內(nèi)固化工藝設(shè)備要求高，且市政道路施工場地限制多，施工組織要求高。如何通過科學(xué)的固化技術(shù)、合理的固化工藝，快速降水、提高強度，滿足路基設(shè)計指標(biāo)和長期耐久性，是研究的重難點和關(guān)鍵技術(shù)。

1.2 原土組成影響

1.2.1 含水率影響

選取寧波地區(qū)30%、40%、50%、60%四檔含水率的原土摻加一定量固化材料（石灰、水泥等），悶料3 d后成型固化土CBR 試件，通過擊實試驗測定最大干密度和最優(yōu)含水率，并進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗、CBR 試驗。前三檔初始含水率土經(jīng)固化處理后（30%左右棄土，添加5%～6%的固化劑作為基準(zhǔn)值；40%左右棄土，添加7%～8%的固化劑作為基準(zhǔn)值；50%左右棄土，添加8%～10%的固化劑作為基準(zhǔn)值），第7 d 齡期CBR 值為11%～21%，滿足規(guī)范要求。證明采用水泥系、石灰系等固化材料對高含水率棄土進(jìn)行填料化改良技術(shù)可行。初始含水率對固化棄土的強度有顯著影響，應(yīng)兼顧固化效果和經(jīng)濟性。當(dāng)原土初始含水率超過60%，含水率降低速率明顯減慢，所需固化劑計量明顯增加，不推薦使用。因此，建議原土含水率的控制標(biāo)準(zhǔn)小于60%，超過60%的原土不使用或壓濾后再使用。

1.2.2 有機質(zhì)含量影響

選取同一區(qū)域不同有機質(zhì)含量的工程棄土, 試驗有機質(zhì)含量與棄土固化效果之間的關(guān)系，得出在固化劑一定的條件下，有機質(zhì)含量越高，固化土的強度越低，說明土體中有機質(zhì)能夠?qū)袒恋墓袒Ч鸬揭种谱饔谩．?dāng)有機質(zhì)含量超過10%時，試件強度很難達(dá)到規(guī)范要求，因此對固化原土要求有機質(zhì)含量不超過10%。

1.3 固化材料選擇

試驗選取53%的高含水率棄土，通過添加不同類型的固化劑[3]，觀察不同摻量、不同齡期下降水和強度增加情況。

1.3.1 含水率影響

對棄土單摻水泥/ 石灰進(jìn)行固化，選擇4%和6%兩個相同摻量進(jìn)行對比，摻石灰改良后的含水率降低值是摻水泥時的2～3 倍，同時看出摻石灰改良可使土體含水率隨摻量迅速降低，而摻加水泥的高含水量棄土含水率降低速度較慢。因此，就降低棄土含水率而言，石灰的效果遠(yuǎn)比水泥要好。

采用鋼渣、粉煤灰、石灰對土樣進(jìn)行單摻或復(fù)摻，并測定土樣的含水量。加入鋼渣后，土樣的含水量減小，但隨著養(yǎng)護(hù)天數(shù)的增加，含水量趨于穩(wěn)定狀態(tài)，鋼渣的摻入與土樣之間的結(jié)合并沒有發(fā)生消耗水的反應(yīng)，說明單摻鋼渣并沒有太好的降水效果。而石灰、粉煤灰和鋼渣混合后摻入土體中與單摻入30%鋼渣進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)摻入石灰和粉煤灰后，含水量進(jìn)一步降低，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長，體系含水率不斷降低。

1.3.2 強度影響

試驗得出：低摻量水泥固化后并不能滿足規(guī)范要求，但是隨著固化劑中水泥摻量的增加，試樣的CBR 值基本呈線性增加，且提升程度極大，說明水泥在提升CBR 值上效果顯著。同一有機質(zhì)含量下，對比6%生石灰與6%水泥，可以看出生石灰固化后的強度高于水泥。這說明生石灰對于固化有機質(zhì)土體的效果更好，對消除有機質(zhì)對強度的影響更優(yōu)，并且隨著生石灰的摻量不斷增加，其強度不斷增加，更好地抵制了有機質(zhì)對固化效果的抑制作用。

因此，建議針對含有有機質(zhì)的棄土進(jìn)行改良時，考慮采用生石灰、水泥作為主固化劑，并結(jié)合粉煤灰等材料復(fù)合使用，降低固化成本。

1.4 固化劑配合比確定

選用水泥、礦渣粉、生石灰為固化材料，以固化土CBR 值滿足設(shè)計要求為準(zhǔn)則，進(jìn)行固化土填料室內(nèi)配合比試驗，確定固化劑配合比，具體流程如下：

（1）悶料、翻曬。對高含水率工程棄土，向其中摻入適量生石灰后完成拌和，隨后悶料2～5 d，再翻曬2～4 次，使棄土含水率快速降至30%以下，并對棄土土性進(jìn)行初步改良。

（2）破碎、晾曬。將步驟（1）所得土進(jìn)行人工碾碎并晾曬至塑限附近（一般22%～26%），隨后過4.75 mm方孔篩用于擊實試驗和CBR 試驗。

（3）擊實試驗。向步驟（2）所得土中加入適量水泥和礦渣粉，并按《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40）規(guī)定方法進(jìn)行擊實試驗，確定棄土經(jīng)兩次摻灰后的最佳含水率和最大干密度。

（4）CBR 試樣制作。根據(jù)步驟（3）所得的最佳含水率和最大干密度，向土中加入適量水泥和礦渣粉，按《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40） 規(guī)定方法進(jìn)行CBR 試樣成型。

（5）CBR 測試。施加45 N 荷載，將測力計和變形測量設(shè)備的位移計調(diào)至零位；啟動電動機，施加軸向壓力，使貫入桿以1～1.25 mm/min 的速度壓入試樣，測定測力計內(nèi)百分表在指定讀數(shù)（20、40、60 等）下相應(yīng)的貫入量，使貫入量在2.5 mm 時的讀數(shù)不少于5 個，試驗至貫入量為10～12.5 mm 時終止。

1.5 耐久性保證

以寧波西洪大橋和接線工程土方利用試驗段試件為研究對象，對含水率40%～50%的源土，摻入固化劑（3%水泥，5%石灰，1%礦粉）制備固化土路基填料試塊，進(jìn)行20 次干濕循環(huán)試驗，驗證耐久性[4]。將試件在65℃下烘干23 h，取出后置于室溫下1 h，再放入水中24 h，此為一次干濕循環(huán)。

試塊在進(jìn)行干濕循環(huán)試驗過程中，外觀未發(fā)生顯著破壞（見圖1）。

圖1 干濕循環(huán)試驗試塊表觀情況

干濕循環(huán)中試塊質(zhì)量損失率在0.5%以內(nèi)，且后期循環(huán)質(zhì)量損失降低，甚至出現(xiàn)了負(fù)的質(zhì)量損失率。

經(jīng)過第一次和第二次干濕循環(huán)，固化土強度降低在0.5%以內(nèi)。之后固化土內(nèi)部微觀裂縫的形成與擴展已發(fā)展到一定程度,內(nèi)部孔隙為黏粒的干縮濕脹變形提供了空間，再次經(jīng)歷干濕循環(huán)其內(nèi)部應(yīng)力集中現(xiàn)象減弱。因此，經(jīng)過二次循環(huán)后，強度折減速率基本不變。

綜上所述，從表觀、質(zhì)量損失率、強度等方面看，固化土具備較好的耐久性。

1.6 固化土路基設(shè)計流程

（1）填料設(shè)計。采用固化改良技術(shù)，對高含水量工程棄土進(jìn)行固化處理后，制備滿足路基填料性能要求的固化土。根據(jù)前述研究，為保證固化效果，源土要求含水率不大于50%（超50%含水率的土可先行晾曬降低含水率），有機質(zhì)含量不大于10%；固化劑選用水泥、石灰、礦渣粉；配合比按照CBR 室內(nèi)試驗確定。

（2）路基填筑設(shè)計，包括路基厚度確定，路堤、路塹填筑，新老路基搭接設(shè)計。

（3）路基防護(hù)設(shè)計。對于固化土路基放坡段，建議采用植草護(hù)坡，以控制雨水沖刷對土路基的影響。

（4）路基排水、防水設(shè)計。可采用市政雨水系統(tǒng)，施工臨時排水設(shè)置土邊溝。分隔帶兩側(cè)路基邊坡交叉處上面采用30 cm 固化土壓實后再鋪筑種植土，起到更好的防水作用。

（5）特殊部位路基設(shè)計，主要包括溝槽處路基、明暗浜處路基、臺后軟土地基設(shè)計等。對于軟弱地基處，如原狀土壓實度不滿足要求，需進(jìn)行就地固化。

1.7 驗收標(biāo)準(zhǔn)

固化土路基驗收主控項目包括壓實度、彎沉。壓實度指標(biāo)按規(guī)范執(zhí)行。彎沉值要求可適當(dāng)提高：機動車路基頂部控制彎沉值不大于220（1/100 mm），非機動車路基頂部控制彎沉值不大于300（1/100 mm）。

2 棄土固化工藝與成套技術(shù)

本研究擬在寧波西洪大橋和接線工程中全線應(yīng)用，并已實施試驗段，固化劑和相應(yīng)指標(biāo)選取了前述研究成果，結(jié)合試驗段具體情況，提出棄土固化路基工藝與成套技術(shù)。

2.1 工程概況

西洪大橋和接線工程全長6.2 km，涵蓋橋梁、地道、道路、管廊、管線、電氣、監(jiān)控、駁岸和綠化等專業(yè)。一方面，管廊、地道和承臺開挖及軟基換填等會產(chǎn)生大量淤泥質(zhì)土，鉆孔灌注樁施工會產(chǎn)生泥漿；另一方面，設(shè)計道路沿線地坪低，工程建設(shè)需要大量滿足規(guī)范要求的土方填料，而此類天然材料供應(yīng)緊張，供需矛盾突出。

本工程選取Ⅳ標(biāo)段保通道路作為試驗段，長約700 m，寬12 m，試驗段現(xiàn)狀標(biāo)高1.50～5.18，設(shè)計標(biāo)高3.11～4.74，以填方路基為主，且經(jīng)過一塊魚塘。工程共劃分5 段，分別采用了泥漿廠拌固化、淤泥質(zhì)土路拌固化+ 就地加固、淤泥質(zhì)土廠拌固化、淤泥質(zhì)土路拌固化、傳統(tǒng)塘渣填筑（用于對比）5 種工藝。

結(jié)合試驗段實施情況，論述各項工藝具體如下。

2.2 工藝分類

2.2.1 就地固化加固地基

通過自動定量供料系統(tǒng)與強力攪拌設(shè)備聯(lián)合使用，對原狀軟弱地基進(jìn)行加固化劑攪拌，保證固化材料與原狀軟土均勻混合，固化加固處理。

2.2.2 淤泥質(zhì)土固化工藝

將市政工程開挖產(chǎn)生的高含水率工程棄土，通過摻加固化劑，悶料、拌和制備符合路基要求的填料，再進(jìn)行土路基施工。

2.2.3 泥漿固化工藝

將鉆孔灌注樁等產(chǎn)生的泥漿進(jìn)行壓濾、干化，并通過相關(guān)設(shè)備制備泥餅。泥餅破碎后翻曬、摻固化劑，拌和制備路基填料。

2.3 就地加固技術(shù)

對軟弱土層采取就地固化的處理方式以提高地基的承載力和水穩(wěn)特性，就地固化采用強力攪拌工藝。固化處理深度按2 m，處理寬度為路堤坡腳外延伸1.5 m，固化劑配比根據(jù)試驗選取5%水泥+2%礦渣粉，具體施工工藝如下：

（1）施工準(zhǔn)備。設(shè)備組裝完畢后，需要對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試，測試其是否正常工作，是否在新的施工環(huán)境中存在安全問題，挖機的動力系統(tǒng)和攪拌頭的組裝是否可以完成攪拌過程，同時自動定量供料系統(tǒng)可完成不同固化劑的供料過程，同時質(zhì)量控制差在允許的范圍內(nèi)。

（2）清表放樣。對待固化處理區(qū)域上表面進(jìn)行清表30 cm，隨后進(jìn)行放樣。

（3）就地固化（見圖2）。采用原位垂直上下攪拌固化的方式對淤泥土進(jìn)行固化處理，為保證攪拌的均勻性，在固化處理深度范圍內(nèi)垂直上下多次進(jìn)行攪拌，不少于3 個循環(huán)，且前2 次邊攪拌邊噴射固化劑。施工期間，攪拌機械頭插入相鄰?fù)馏w的間距為90 cm，而機械頭的寬度達(dá)到100 cm。因此，各固化區(qū)塊之間有不小于10 cm 的搭接寬度，可有效防止漏拌。

圖2 軟土就地固化施工過程

（4）整型壓實。待淤泥土就地固化結(jié)束后，先用挖機對表面進(jìn)行簡單的修整，然后讓固化土原位養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，使用推土機對表面進(jìn)行粗平，并做好路拱，然后使用振動壓路機壓實表層。

2.4 淤泥質(zhì)土制備路基填料技術(shù)

針對寧波西洪大橋和接線工程，試驗確定固化劑配合比“5%生石灰+3%水泥+1%礦渣粉”。

2.4.1 路拌法施工工藝

（1）摻灰悶料［見圖3（a）］。將工程棄土摻5%生石灰，利用挖機拌和，隨后進(jìn)行打堆悶料，改良棄土特性，并將其含水率降至30%以下。

圖3 淤泥質(zhì)土路拌工藝主要流程

（2）上土攤鋪［見圖3（b）］。

（3）土方翻曬［見圖3（c）］。用鏵犁和旋耕機進(jìn)行翻耕與破碎，在每次翻耕破碎后檢測混合料的含水率，直至其含水率比最佳含水率高2%～4%。

（4）二次布灰［見圖3（d）］。振動壓路機靜壓一遍，再在土上打好方格。采用土方車配合挖機將固化材料“3%水泥+1%礦渣粉”均勻倒入每個格子并完成初平。

（5）拌和。使用鏵犁與旋耕機進(jìn)行配合，繼續(xù)進(jìn)行翻拌處理。

（6）整平。

（7）碾壓。

2.4.2 廠拌工藝

（1）先將原土運至廠區(qū)，并加入5%生石灰進(jìn)行拌和悶料，至含水率降至30%以下。

（2）利用破碎機對步驟（1）中改良土進(jìn)行破碎，獲得粒徑小于1 cm 的土粒，并通過翻曬方式進(jìn)一步降低土體含水率。

（3）待步驟（2）所得土粒含水率比最佳含水率高2%～4%時，若施工現(xiàn)場有填料需求，則摻加3%水泥+1%礦渣粉并利用拌和設(shè)備進(jìn)行拌和。拌和均勻后運至現(xiàn)場進(jìn)行攤鋪碾壓。若施工現(xiàn)場暫無填料需求，則暫不二次摻灰，直接運至倉庫進(jìn)行臨時堆放，備用。

淤泥質(zhì)土廠拌工藝主要流程，見圖4。

圖4 淤泥質(zhì)土廠拌工藝主要流程

2.5 泥漿制備路基填料技術(shù)

泥漿脫水后可作為固化土填料制備的源土，工藝流程為：泥漿干化（板框機壓濾泥漿，過程中添加石灰，獲得含水率40%以下的泥餅）+ 泥餅翻曬+ 泥餅破碎后二次摻灰（見圖5）。

圖5 泥漿廠拌工藝主要流程

2.5.1 廠拌法施工工藝

（1）對堆放的泥餅摻入5%生石灰，悶料2～5 d，并翻曬，待含水率降至27%以下。

（2）利用破碎設(shè)備進(jìn)行破碎獲得粒徑小于1 cm的土粒。

（3）對土粒翻曬處理至比最佳含水率高2%～4%，摻加3%水泥進(jìn)行拌和。拌和均勻后運至現(xiàn)場6 h 內(nèi)進(jìn)行攤鋪碾壓。若施工現(xiàn)場暫無填料需求，則直接將泥餅運至倉庫進(jìn)行臨時堆放，備用。

2.5.2 路拌法施工工藝

制備泥餅堆放路邊，摻入生石灰，悶料翻曬，待含水率降至27%，上土攤鋪。對攤鋪好的土用鏵犁和旋耕機進(jìn)行翻耕與破碎，人工挑除土層中的石塊和其他雜物。含水率比最佳含水率高2%～4%時，摻加3%水泥進(jìn)行拌和，其他流程同前。

2.6 實施效果

試驗段就地固化段，28 d 齡期的比貫入阻力值主要分布于0.7～1.2 MPa 范圍內(nèi)，力值較大且分布較集中，表明固化劑與淤泥混合較均勻，固化效果良好。各段制備出的固化土填料CBR 值平均達(dá)14%，攤鋪碾壓后路基頂彎沉代表值190（1/100 mm），比傳統(tǒng)塘渣更優(yōu)。

2.7 跟蹤觀測

為驗證其長期可靠性，對固化土試驗段進(jìn)行跟蹤觀測，包括沉降監(jiān)測和耐久性檢測。也就是說，在各工藝段分別鉆孔，分別檢測試件CBR 值、無側(cè)限抗壓強度、含水率、固結(jié)度、壓實度、回彈模量等指標(biāo)，檢測頻率為通車后0.5 a、1 a、2 a 和3 a。試驗段已通車1 a，各項跟蹤觀測指標(biāo)均符合要求。

3 結(jié) 論

根據(jù)固化體系理論分析、固化土路基標(biāo)準(zhǔn)確定、試驗段實施和跟蹤觀測情況，軟土地區(qū)就地加固軟弱地基和淤泥質(zhì)土（泥漿）固化后用于路基填料技術(shù)可行。固化土填料制備受天氣條件影響大，且考慮揚塵控制，在大規(guī)模應(yīng)用固化土技術(shù)時，推薦采用廠拌工藝進(jìn)行固化土填料制備。