就地固化技術處理淺層軟土的應用及機理研究

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. 南京水利科學研究院，江蘇 南京210029；3. 蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 210019；4. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 611756)

在我國東南部地區的城市道路建設過程中，往往會遇到較多的軟土路基。這些路基普遍存在顆粒細小、黏粒和有機質含量高、滲透系數低等特點，其強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合地基法、排水固結法、化學加固法和動力固結法等[1-2]。各類方法均有其適用范圍及局限性。當軟土厚度較小時（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、環保、節能發展的背景下，基于固化法的就地固化技術近年來在淺層軟基處理中得到了越來越多的應用。就地固化技術是將固化材料和軟土在原位進行拌和、攪拌，使之直接形成強度更高的混合土體。

已有學者對就地固化的固化劑、固化設備等多個方面進行了研究。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固化劑，經室內試驗得到了該種類型固化劑適用于淤泥質土淺層固化的最優配比。程福周等[4]研究發現，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，并為后續水泥的水化反應提供鈣離子和堿性環境，加快水泥水化反應的進程。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應用的可能性。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度之間的關系，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]研究了強力攪拌頭在吹填造陸工程中的應用，得出ALLU 強力攪拌頭系統與吹填土工程的適配性較好，開展的現場試驗結果表明經該系統處理的吹填土在強度和承載力方面能夠達到設計要求。王穎等[8]通過室內試驗制定固化方案，再利用強力攪拌頭按照既定方案進行現場施工，在相同固化劑種類和配比下，現場強度能達到室內強度的37%～66%。丁飛鵬等[9]將廢棄泥漿進行就地固化并將其應用于道路工程中的路基填方，認為在固化效果方面，水泥優于生石灰；ALLU 強力攪拌頭系統在現場具有良好的適應性；固化處理致使泥漿的最優含水率變大，最大干密度變小。王穎等[10]采用就地固化方法代替傳統地基處理方法對道路工程中存在的淺層軟土進行處理，給出了現場強度與通過室內試驗得到的強度比值為0.36 的指導意見。張浩蒼[11]用兩種就地拌和專用工程機械進行了就地固化，轉速分別為10 與50 r/min，這兩種機械的工作原理類似于攪拌樁施工機械，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用了就地固化+復合地基施工技術，采用了ALLU 強力攪拌頭系統，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工程，該項目河塘挖除淤泥達18.6 萬m3，而江北新區附近無棄土場，棄土距離達到30 km，傳統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，污染環境。針對本項目開展就地固化方案的研究及應用，具有重要的現實意義。本文開展了室內固化配比及原位固化現場試驗，通過對比傳統固化法，研究了就地固化技術在淺層軟土處理中的效果及加固機理，有助于該技術的工程應用及推廣，對類似工程建設具有一定的參考價值。

1 室內固化配比試驗

南京市橫江大道建設工程位于南京市江北新區，道路沿線河塘密布（圖1）。現場河塘區域抽水后，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%，主要的力學性質指標見表1。

進行軟土處理的主要目的是滿足后期施工作業平臺要求，因此要求加固后地基的無側限抗壓強度qu≥100 kPa。根據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，具體化學成分見表2。

圖 1 現場河塘分布示意Fig. 1 Schematic diagram of on-site river pond

表 1 土樣基本物理力學性質指標Tab. 1 Basic physical and mechanical properties of soil

表 2 水泥化學成分組成Tab. 2 Chemical composition of cement

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

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

表 3 固化土無側限抗壓強度Tab. 3 Uniaxial compressive strength of solidification soil

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

2 現場原位固化試驗

2.1 國產強力攪拌設備

要確保固化效果，固化劑和土壤的充分、均勻混合是關鍵。近年來強力攪拌設備得到了較廣泛的關注和應用。強力攪拌是指使用專門的強力攪拌頭，借助其高速切割、拌和土體，從而得到優于普通拌合機械的加固效果。產自芬蘭的ALLU PMX 強力攪拌頭是常見的設備，具有攪拌速度快、加固效果均勻的優點，但也存在價格高、維修麻煩等不足。基于類似的工作機理，研制了專用的強力攪拌頭，如圖3 所示。該系統由強力攪拌頭、挖掘機、固化劑供料系統和儲料設備及控制系統等組成。該系統通過供料控制系統控制進料及輸料，將后臺料倉內的固化劑混合后通過安裝于挖掘機上的強力攪拌頭的漿噴裝置輸出，在攪拌頭的強力攪拌下，將輸出的固化劑與土體均勻拌和，達到原位固化的目的。

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

2.2 現場試驗方法

結合室內試驗結果，現場河塘區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A1、A2、A3 試驗區塊。每個試驗區塊大小均為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行固化劑的調配，用強力攪拌頭將固化劑均勻混入土中。強力攪拌設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度后，再利用推土機等機械進入場內將其表面整平，為后續施工做準備。

圖 4 原位固化的推進及攪拌方式示意[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1 m。原位固化處理后3 d，輕型動力觸探試驗結果顯示，固化處理后的地基承載力在0.4～1.5 m 深度內，已超過100 kPa，滿足進一步施工機械的承載力要求。

在現場試驗完成第3 天、第7 天及第14 天進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 時對應的錘擊數。本次試驗段加固深度為1.5 m，各試驗區處理厚度范圍內的平均承載力如圖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，強度逐漸提高。

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

2.3.2 十字板強度 在現場試驗完成第7 天及第12 天進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場的地基極限承載力進行計算，具體公式如下：

式中：q為基礎兩側超載；cu為地基的不排水強度；Nc為軟土承載力系數（可查表）。

本項目承載力安全系數取2，計算所得試驗區A1、A2 和A3 處理厚度范圍內的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。從十字板試驗結果可知，各試驗區的強度規律跟動力觸探結果的總體規律基本一致，后續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，原位十字板剪切強度cu是無側限抗壓強度qu的一半。比較表4 中7 d 與14 d 齡期的室內無側限抗壓強度與現場十字板剪切強度可以發現，6%、7%水泥摻量下十字板剪切強度近似于無側限抗壓強度的一半，與理論分析相一致。而5%水泥摻量下的十字板剪切強度大于無側限強度的二分之一，這可能是由于無側限室內試驗試樣制備、養護過程中的試驗誤差導致無側限強度偏低，而現場土體的復雜情況，如剪切面、剪切力的非均勻分布等多個因素的影響，使得十字板剪切強度cu值偏大。

表 4 室內無側限抗壓強度與十字板剪切強度對比Tab. 4 Comparison of indoor unconfined compressive strength and vane shear strength

由于固化處理后的地基強度隨著時間增加逐漸增長，后期難以繼續使用十字板法測定地基承載力，林孔錙[13]通過進行大量三軸固結快剪與現場十字板試驗數據比較，發現原位十字板剪切與三軸固結不排水剪切強度增率指標相當接近，并給出了預壓地基的強度增長公式。對于后期如28 d、90 d 齡期強度的預測需要進行進一步的室內試驗與計算。

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 的土樣進行含水率測定，得到的平均含水率如圖6 所示。該區域初始含水率為76%，在處理后含水率有較大幅度的下降。

由現場試驗數據可知，上述處理方案中，均能滿足處理后承載力高于100 kPa 的要求。結合現場試驗段實施效果，考慮到實施難度及南京地區實際材料價格，建議在今后的大規模應用中，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 機理分析

水泥固化軟土的機理已有較多成果。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，C-S-H 凝膠可占硅酸鹽水泥水化產物總體積的50%，具有較強的膠結能力和填充作用，是水泥基復合材料最主要的強度來源。C-S-H 凝膠能夠加強土顆粒之間的黏結性，形成較強的土體結構；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，從而達到改善其物理力學特性的目的。

本文的就地固化方法與傳統固化法的主要區別是強力攪拌、高速切割土體，常規固化攪拌設備的轉速普遍在40～80 r/min，而強力攪拌頭轉速可達120～140 r/min。為了研究該方法與常規固化方法的區別與聯系，本文采用EDTA 滴定試驗對攪拌后水泥在土體中的分布進行了研究，引進了水泥摻量的變異系數δ，以此來探究水泥在土中分布的均勻程度隨攪拌次數的變化規律。其中δ=σ/R， σ為土樣水泥摻量的標準差，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 二鈉溶液的標定曲線（圖7），后續試樣消耗EDTA 二鈉溶液的量在標定曲線中對應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 型室內攪拌機，進行了常規拌合（60 r/min）與強力高速攪拌（140 r/min）兩組試驗，每種攪拌速度下制作25 個質量為1 kg 的土樣，養護完成后分別進行EDTA 滴定試驗，滴定結果如圖8 所示。

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

根據滴定結果，分別計算出兩組數據的平均值、標準差和變異系數。強力攪拌條件下EDTA 滴定結果為：反映水泥摻量的滴定液消耗量R的平均值為1.70 mL，標準差 σ=3.88%，變異系數δ=2.28%。常規攪拌條件下EDTA 滴定結果為：R平均值為1.70 mL，標準差 σ=9.38%，變異系數δ=5.53%。滴定結果表明，強力攪拌條件下固化土的水泥摻量變異系數較低，變異系數越低，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分布圖可以發現，常規攪拌條件下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 強力攪拌和常規攪拌試樣滴定液消耗量頻數分布Fig. 8 Frequency distribution diagram of consumption under vigorous and normal stirring conditions

根據室內試驗相同的方法，對現場試驗土樣也進行了EDTA 滴定試驗。經計算得：45 組數據的均值R=1.68 mL，標準差 σ=52.2%，計算得水泥摻量的變異系數δ=31.2%。Taki[14]給出了水泥土的攪拌均勻程度與強度變異系數的對應關系：現場黏性土的攪拌均勻程度一般為60%～90%，對應的強度變異系數為40%～20%。當變異系數介于30%和50%之間時，可以判定固化劑在土中的分布為均勻。因此經國產新型固化設備處理的固化土，其水泥在土中的分布可以認為是比較均勻的。

為了進一步對比強力攪拌頭和常規攪拌頭的固化效果，本文匯總了已有文獻中利用普通攪拌頭得到的固化土的變異系數，將其與強力攪拌頭的結果進行比較。文獻[15]中匯總了多個工程的水泥土變異系數(圖9)。常規水泥土的變異系數為0.20～0.79，其平均值為0.416。如前所述，本項目試驗段6%水泥區塊的加固土樣中的水泥摻量變異系數為0.31，較這16 組數據的平均值為低。研究[16-20]表明，造成水泥土變異系數較高的主要原因包括土體自身固有的變異性、攪拌軸旋轉速度和升降速度、噴漿速率和噴漿壓力等。本文方法能將固化土的變異系數控制在較低值，其原因主要是強力攪拌頭切割土體速度遠高于常規方法。強力攪拌頭在攪拌過程中能夠充分發揮其優勢，經其處理后，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 文獻中水泥土的變異系數[9]Fig. 9 Coefficients of variation of cement soil in literature[9]

4 結 語

本文結合南京橫江大道河塘路基處理工程，在現有淤泥固化技術的基礎上，結合自主研發的強力攪拌頭，通過室內試驗和現場試驗，進行了原位固化技術在城市快速路清淤填塘項目中的應用研究，得到如下結論：

（1）通過室內試驗，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，并驗證了經過固化處理后，承載力滿足設計要求，場地可滿足后期施工要求。

（3）室內模擬強力攪拌頭試驗及數據分析表明，強力攪拌頭固化土中的水泥分布比較均勻，在相同摻量下，可以獲得高于常規攪拌方法的強度。該方法值得進一步推廣應用。