土壤固化劑在富流灘船閘改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用研究

倪西海，黎海波，楊正武

(四川港航建設(shè)工程有限公司，成都，610039)

引言

高液限土在我國分布廣泛，主要包括軟土、膨脹土、紅粘土、有機(jī)質(zhì)土等。具有天然含水率高、塑性指數(shù)高、液限高，強(qiáng)度低，水穩(wěn)性差、施工困難等不良特征。

高液限土填筑路基，最簡單有效的方法是將其廢棄，但這樣做不僅需要為這些棄土找堆放場(chǎng)地，造成大面積土地占用，還需要尋找工程性能良好的土，導(dǎo)致消耗巨大、環(huán)境破壞的問題。由此，尋找合理的改良方案顯得十分重要，通過大量研究，高液限土的改良方法主要有[1]：

(1)物理加固法：是用機(jī)械、施工工藝改進(jìn)的方法，對(duì)填筑土體進(jìn)行加固，并沒改變土體的固有性質(zhì)。

(2)化學(xué)加固法：是加入外加劑，使土質(zhì)的固有性質(zhì)發(fā)生改變。

(3)綜合加固法：是在土壤中加入外加劑，再結(jié)合物理加固法，改變土體的力學(xué)特性。

對(duì)于不能滿足要求的高液限土，為提高其強(qiáng)度特性，使其在路基中達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。國內(nèi)外研究人員采用物理加固等措施，對(duì)高液限土改良進(jìn)行過大量探究，并取得一定效果，相關(guān)研究成果有：

廖俊棠[2]通過對(duì)山區(qū)高液限土地基處治施工技術(shù)研究，提出土工格柵加筋墊層和碎石樁等施工工藝和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)；

仇益梅[3]根據(jù)高液限土的膨脹量將高液限土分為五類，并針對(duì)每種土樣提出了相應(yīng)的施工方案，使其滿足路基填筑要求；

Wenhui Zhang等[4]采用石灰改良高液限土，結(jié)果表明，隨著生石灰慚摻量增加，高液限粘土的最佳含水量、塑性和CBR值均有所提高，而最大干密度、液限、塑性指數(shù)均降低，改良土的CBR值及塑性指數(shù)均滿足路基填筑要求；

Blanck G等[5]通過對(duì)ES、LS等3種有機(jī)固化劑對(duì)改良土的研究發(fā)現(xiàn)，0.002%的ES及2.0%的LS摻量下對(duì)改良土的壓實(shí)特性有很大改善。

1 工程概況

富流灘樞紐位于渠江下游廣安市岳池縣羅渡鎮(zhèn)河段，是渠江航道四川段七級(jí)航運(yùn)梯級(jí)規(guī)劃自上而下的最后一級(jí)，上游與四九灘電站尾水銜接，下游尾水與草街航電樞紐回水重疊。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，結(jié)合航運(yùn)。正常蓄水位213.8m，相應(yīng)庫容2.07億m3，調(diào)節(jié)庫容830萬m3，具有日(周)調(diào)節(jié)性能，電站裝機(jī)39MW，船閘等級(jí)為Ⅳ級(jí)，尺寸為120m×12m×2.5m。富流灘系閘壩樞紐，擋水建筑物自左至右為左接頭壩、溢流壩、泄洪沖砂閘、電站主廠房、船閘上閘首、右岸接頭壩。

富流灘船閘改擴(kuò)建工程位于原樞紐工程的左岸，緊鄰左岸接頭壩，為新建二線船閘一座，船閘為Ⅲ級(jí)船閘，船閘最大工作水頭11.8m，有效尺寸為200.0m×23.0m×4.2m(有效長度×寬×門檻水深)，可通行1000t級(jí)船舶。船閘由上引航道、上閘首、閘室、下閘首和下引航道組成，閘室尺寸為180m×23m×4.2m，船閘順?biāo)鏖L度約990m。

2017年下半年受環(huán)保大環(huán)境影響，市面上砂石價(jià)格大幅度上調(diào)且短時(shí)間內(nèi)無法采購到貨。為保證2017年12月堤頂?shù)缆纺軌蝽樌⒐ぃ?xiàng)目部與設(shè)計(jì)單位、項(xiàng)目前期籌備組、監(jiān)理單位、實(shí)驗(yàn)室充分溝通交流，決定在回填中試用新材料、新技術(shù)，用易孚森固化土取代傳統(tǒng)施工方法，路基采用2%水泥+98%土+0.015%穩(wěn)定劑的配比。

2 經(jīng)濟(jì)效益分析

針對(duì)固化土用作路基回填，代替原設(shè)計(jì)中的路基連槽石換填方案。經(jīng)濟(jì)對(duì)比，結(jié)果如表1。

表1 經(jīng)濟(jì)對(duì)比

由表1對(duì)比分析可知，固化土用于路基回填建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

3 固化劑的施工工藝

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)部分

3.1.1 材料

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)膨脹土進(jìn)行取樣篩選，清除雜物和大顆粒。加入0.1‰～0.3‰固化劑，摻入水泥量為1%～6%，確定試塊尺寸為100mm×100mm×100mm。確定試塊質(zhì)量并計(jì)算出其中土、水、水泥、土壤固化劑的分別含量。

3.1.2 成型試塊

試塊尺寸確定采取100mm×100mm×100mm，采用人工成型壓實(shí)法按94%的壓實(shí)度成型。采用液體土壤固化劑，將水泥和土攪勻后，與固化劑混合物和水?dāng)嚢柚辆鶆颍詈蠓秩问⑷肽＞吆粚?shí)造型。靜置24h后拆模、編號(hào)，進(jìn)入養(yǎng)生。

3.1.3 養(yǎng)生拆模

拆模后量取試塊質(zhì)量，并以塑料薄膜包裹，以相對(duì)濕度95%，相對(duì)溫度20℃±2℃的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。根據(jù)試驗(yàn)要求，養(yǎng)護(hù)齡期劃分為7d、14d和28d不等。待養(yǎng)生期的最后一天，稱量試塊的質(zhì)量，然后以水面高過試塊表面2.5cm的標(biāo)準(zhǔn)完全浸泡試塊于水中。試塊養(yǎng)生期質(zhì)量損失標(biāo)準(zhǔn)：大試塊不超過10g，中試塊不超過4g，小試塊不超過1g，不能滿足上述規(guī)定條件的試塊要作廢。通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，聽取易孚森固化土廠家代表的建議，進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度多組配合比的試驗(yàn)研究。其中固化劑摻量分別為0‰、0.1‰、0.12‰、0.15‰、0.18‰、0.2‰、0.25‰，水泥摻量分別為6%、5%、4%、3%、2%、1%，含水率分別為16%、13%、10%、8%。

3.1.4 優(yōu)化劑量分析

(1)固化劑摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度劑量影響

含水率13%，水泥摻量2%，不同固化劑摻量固化土28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度見表2、圖1所示。

表2 固化劑不同摻量固化土28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1 固化劑不同摻量固化土28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖1所示，添加固化劑后28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度顯著提高，0.15‰的固化劑添加可獲得大于50%的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提升；0.15‰固化劑摻量后，雖然強(qiáng)度也增長，但幅度顯著減小。綜合考慮，0.15‰是固化劑摻量的最優(yōu)化經(jīng)濟(jì)參數(shù)。

(2)含水率的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度劑量影響

0.15‰固化劑摻量，不同含水率的28d固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨含水率的變化，28d固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨之變化。高于13%含水率時(shí)，隨著含水率的增大，抗壓強(qiáng)度反而降低。只有低于13%含水率時(shí)，隨著含水率的增大，抗壓強(qiáng)度也增大，最高可以達(dá)到1.65MPa強(qiáng)度值。因此，13%左右是取得良好固化效果的含水率較佳取值。

(3)水泥摻量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度劑量影響

基于0.15‰的固化劑摻量和13%含水率，不同水泥摻量的28d固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果顯示：28d無側(cè)限固化土抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增多而增高，說明伴隨增加水泥摻量，水化作用后的水泥越來越多地產(chǎn)生膠狀物，固化土的抗壓強(qiáng)度自然也會(huì)伴隨增高。當(dāng)由1%水泥摻量增加到2%水泥摻量時(shí)，抗壓強(qiáng)度發(fā)生明顯增長；2%水泥摻量后，雖然固化度也增長，但幅度顯著減小。因此2%是取得良好固化效果的水泥摻量較佳參數(shù)取值。

(4)鋪筑試驗(yàn)路

①合理選用壓實(shí)機(jī)具按壓實(shí)度要求，確定壓實(shí)遍數(shù)。

②確定路基寬度內(nèi)每層虛鋪厚度。

③確定彎沉值能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)施工部分

復(fù)合固結(jié)土的施工要點(diǎn)可用“足、勻、實(shí)、蓋”來表示。“足”即使用固化劑和膠結(jié)材料要用足設(shè)計(jì)的量；“勻”即指拌和要均勻；“實(shí)”即碾壓要密實(shí)；“蓋”即覆蓋養(yǎng)生。施工操作簡單，具體操作如下。

3.2.1 施工前的準(zhǔn)備工作

(1)計(jì)算土壤的含水量是否與固化劑混合料的標(biāo)準(zhǔn)含水量相符；

(2)結(jié)合配合比以及道路的寬與長、最大干密度、路基厚度來確定固化劑與水泥的使用量。

3.2.2 道路施工放樣

布設(shè)道路路基的中線，標(biāo)樁在直線段上每隔15m～20m左右設(shè)置，平曲線段每隔10m～15m設(shè)置，同時(shí)在兩旁的路肩邊緣設(shè)置標(biāo)樁并且標(biāo)記樁號(hào)，之后將相應(yīng)樁號(hào)的路基邊緣設(shè)計(jì)標(biāo)高測(cè)量出來。

3.2.3 水泥、素土的拌和

水泥使用路拌機(jī)或者旋耕機(jī)拌和均勻，不能出現(xiàn)沒有拌和完全的素土夾層。人工處理邊邊角角，需拌和兩次，之間的寬度相互重疊20m。最大粒徑不能超過50mm，超過須打碎，無法打碎的需要篩除。粒徑過大時(shí)，應(yīng)通過翻曬、機(jī)械砸碎、路拌機(jī)破碎等方式，降低土塊粒徑。

3.2.4 固化劑稀釋后的溶液噴灑

在灑水車上裝好水，之后倒入固化劑的濃縮液，根據(jù)天然含水量來確定稀釋濃度，如果素土的含水量低，那么稀釋后濃度的取值就要低，反之亦然。結(jié)合施工日的氣溫，把固化劑的稀釋液噴灑在水泥土上，要求噴灑均勻；保證固化劑的量均勻且合適，同時(shí)混合料的含水量要高出標(biāo)準(zhǔn)含水量的1%～2%。當(dāng)?shù)缆返目v坡超過20%時(shí)，需要密切配合，以防固化劑濃縮液流失，導(dǎo)致配合比不均勻。

3.2.5 路基整形

使用路拌機(jī)拌水泥土，把混合料充分拌和之后，使用推土機(jī)來回推壓兩次，之后再使用平地機(jī)將固化土刮平整。如果道路處于平曲線段，刮平的時(shí)候應(yīng)從里到外；如果道路處于直線段，刮平的時(shí)候則應(yīng)從兩旁向中心。路基的整形過程，工作人員需要使用水準(zhǔn)儀來控制不平整地段的濕鋪標(biāo)高，禁止在道路較低處做薄層補(bǔ)貼。

3.2.6 碾壓

當(dāng)混合料的路基整形完成后，在其最理想的含水量的時(shí)間內(nèi)壓實(shí)路基，如果路基的表層含水量不夠，應(yīng)該先灑水，再壓實(shí)。碾壓過程中重疊的部分是1/2的輪寬，至少重復(fù)碾壓四次，直至后輪超過兩段的接縫位置，再使用壓路機(jī)將其壓實(shí)成光面，嚴(yán)格控制壓路機(jī)，使之速度低于3km/h。道路沒有碾壓成型時(shí)，禁止做急剎車或調(diào)頭的動(dòng)作，直至符合壓實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)為止，即碾壓的路基表面沒有明顯的車輪痕跡。基層固化土混合料碾壓時(shí)靠近擋土墻一側(cè)壓路機(jī)無法碾壓到位的地方必須用小型夯實(shí)機(jī)具進(jìn)行夯實(shí)。

3.2.7 養(yǎng)護(hù)

當(dāng)路基碾壓結(jié)束后，立即噴灑養(yǎng)生水并采用薄膜覆蓋保濕養(yǎng)生，養(yǎng)生期為7d，養(yǎng)生期內(nèi)必須封閉交通禁止車輛通行。

4 現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量控制注意事項(xiàng)

(1)路拌法中使用灑水車進(jìn)行實(shí)地噴灑時(shí)，如果均勻度不足，而且噴灑過程中泄露較多，全部用旋耕犁或者圓盤犁來拌料很難大面積地?cái)嚢杈鶆颍灾劣谑┕r(shí)出現(xiàn)軟漿問題，最終路面干燥之后固化地不夠均勻。根據(jù)室內(nèi)和工地試驗(yàn)結(jié)果來分析原因，最好在條件合適的情況下通過場(chǎng)拌法來解決，如果不得不使用路拌法的時(shí)候，則應(yīng)輔以刮平機(jī)來大面積地拌和。

(2)土壤中的天然含水量并非一成不變，拌和過程中的用水量可稍高于理想含水量的2%～3%，以此控制土壤含水量。

5 結(jié)論

(1)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度、強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，各項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果達(dá)到國家、地方現(xiàn)行規(guī)范要求的合格標(biāo)準(zhǔn)，合格率100%。

(2)壓實(shí)度共抽檢121個(gè)，壓實(shí)度均大于設(shè)計(jì)指標(biāo)94%，合格率100%；抽取芯樣2組，芯樣完整且四周均勻致密，路基無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低值為1.63MPa，已達(dá)到道路底基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

(3)路基回彈彎沉檢測(cè)2組，路基彎沉值為≤264mm，符合設(shè)計(jì)要求(≤300.5mm)。

(4)采用固化土代替原設(shè)計(jì)換填方案，經(jīng)測(cè)算，工程造價(jià)節(jié)約了87.2萬元。