淤泥質不良土的固化改良處理試驗研究

肖楊

摘要 探究在固化劑最佳摻量條件下，淤泥質土的路用特性，試驗結果表明：土體抗壓強度隨水玻璃和碳酸鈣百分比單摻量的增加不斷提高，隨生石膏和FDN高效減水劑單摻量呈現先增加后降低的趨勢，在生石灰摻量為2.15%和FDN高效減水劑摻量1.55%時，混凝土強度最高;在最佳單摻量配合比條件下，采用固化劑處置不良土做路基的控制效果較換填土做路基的處置方式的控制效果更好，控制效果提高了15%左右。

關鍵詞 固化劑;特殊路基處理;固化劑單摻試驗;數值模擬實驗

中圖分類號 TU447 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0123-03

0 引言

在長期的施工建設中，實踐經驗表明利用水泥、石灰以及粉煤灰等固化劑具有很多明顯的缺陷和不足，一定程度上并不一定能夠滿足工程建設的要求，主要體現為，改良土的早期強度低，需要很長時間才能形成一定強度，干燥條件下容易收縮并開裂[1]。且水泥被用在有機類土、高塑性指數的粘土以及鹽漬土等土體的處理上，一般得不到好的效果。因此，固化劑的選取對固化土性能有著重大影響。

新型復合型土壤固化材料通常是指兩種或兩種以上的化學試劑按一定配比制作而成的對土壤具有一定加固改良能力的新型固化劑[2]。在軟弱土體固化改良的研究領域，水泥是大部分學者研究固化土的首選固化材料，同時也是最多被采用的固化材料，該文在此基礎上，以水玻璃、碳酸鈣、生石膏和FDN高效減水劑為外摻劑，探究了以上外摻劑的最佳單摻量，并在此基礎上，結合數值模擬實驗，探究了固化劑處置淤泥質不良土在道路工程中的應用，該試驗結果對工程實踐具有一定的指導意義。

1 固化劑的單摻試驗

1.1 主固化劑單摻試驗

初步選定無機材料水泥為主固化劑，水玻璃、碳酸鈣、生石膏、FDN高效減水劑作為固化劑的外摻試劑。現開始對外摻試劑進行單摻配比試驗，目的是確定外摻劑的摻量（摻量為土試樣質量的百分比）范圍以及外摻試劑在水泥為主固化劑下固化效果的影響規律。

水泥作為主固化劑，水泥漿水灰比控制為0.4時，固化土隨著水泥摻量逐漸增加，7 d抗壓強度基本上呈直線增長，當水泥摻量從6%增加至15%時，強度提升約179%，隨后從15%增至24%，強度提升約64%。因此，單摻水泥的最佳摻量應控制在15%左右。初步確定水灰比為0.4，固化土試樣基準配比的水泥摻量為15%。

以水泥為15%的摻量下進行不同含水量試驗，當含水量逐漸增大時，含水量在44%時，水泥固化土的抗壓強度達到最大[3]。同時，在試驗時發現抗壓強度處于最大值對應的含水量與淤泥質土液限的45.7%相接近。現以含水量為44%，水泥摻量為15%，水灰比為0.4為基準配比。對各配比進行試驗分析，最終選定的基準配比方案，并通過7 d無側限抗壓強度試驗測得強度為192 kPa。

1.2 外摻劑單摻試驗

在基準配比下，7 d各外摻試劑單摻試驗結果顯示：土體強度隨水玻璃和碳酸鈣摻量增加而不斷增強，水玻璃摻量在8%以前時土體強度增加55%，摻量在8%～10%時，土體強度陡增，土體強度隨碳酸鈣摻量的強度變化也表現出相同規律：在摻量低于0.6%時，土體抗壓強度增長緩慢，摻量在0.6%～1.0%，強度陡增，之后增加速度放緩。不良土中Ca2+和OH?的濃度是決定C-S-H生成量的重要因素，水玻璃的摻入實質是通過摻入NaOH和CaO中和黏粒孔隙溶液中的酸，提高pH值，使得黏粒孔隙溶液中的Ca（OH）2處于飽和狀態，以便水化反應的進行。摻入碳酸鈣后，使得溶液中的Ca2+增加。通過離子交換，用高價離子取代低價離子，實現水化離子半徑縮小化，來達到雙電層變薄，以使黏土顆粒之間易于凝聚，水玻璃摻量10%和碳酸鈣摻量1.0%是較為理想的外摻劑摻量[4]。

土體抗壓強度隨生石灰和FDN減水劑摻量的增加表現為先增大后減小的趨勢，峰值分別出現在生石灰摻量2%和FDN減水劑摻量1.5%時。采用摻入膨脹性生石膏，與水化鋁酸鈣的反應后生成具有膨脹性的水化物鈣礬，填充于黏粒之間孔隙中以及擠壓填充團粒內的孔隙，使得固體體積膨脹性有所增加。但當膨脹性水化物鈣礬完全填充黏粒之間空隙時，土體強度將不再增加，反而會隨著膨脹性的水化物鈣礬增加強度降低。試驗結果表明，生石灰摻量在2%時，土體抗壓強度最大[5]。帶緩凝引氣的減水劑如果過量較多，就會過度緩凝、含氣量過高，引起混凝土凝結過慢，含氣量高，導致混凝土強度降低，試驗結果表明，1.5%的FDN減水劑摻量是最佳單摻量。

2 改良土的數值模擬實驗

2.1 試驗過程

擬采用邁達斯GTS對不同工況下，探究路基承載性能，模擬段道路寬25 m，長60 m，路面面層厚20 cm，路面基層厚30 cm，路床厚150 cm，路堤采用坡率1∶1.5設計。此模型以左右分別離道路中線60 m為模型左右邊界，下方距地面20 m為下邊界。模型前后、左右邊界均采用法向位移約束，下邊界采用三向位移約束，上邊界采用自由面約束，在模型內施加自重荷載以模擬恒載，再通過在道路上方設置法向的車輛等效荷載模擬可變荷載[6]。路基土的本構關系選擇摩爾庫倫，以3D實體單元進行模擬;而路面及路床采用了瀝青、水泥等膠結材料，使此部分成為結構，因此采用了線彈性本構模型，同樣以3D實體單元進行模擬。

該次實驗總共采用3種工況，工況一：原始淤泥土路基，新建道路，添加等效車輛荷載。工況二：換填土處置路基，新建道路，添加等效車輛荷載。工況三：固化劑處置不良路基，新建道路，添加等效車輛荷載。

2.2 豎向位移分析

對于工況一，路基采用原始淤泥土，新建道路，添加等效車輛荷載，此時模型計算無法收斂，說明路面、路床、路基已經位移過度，甚至路基路面已經破壞，其變形已無法控制。無論施不施加等效車輛荷載，路面、路基、路床的變形均較大，無法滿足安全生產的要求，因此不處置淤泥土，道路無法正常運作。對于工況二，路基采用換填土，新建道路，添加等效車輛荷載，此時計算能夠收斂，路面、路床、路基的位移均較小，其中路面沉降最大達到7.262 mm，路基沉降最大達到6.464 mm。即當采用換填土作為路基，車輛荷載將使路面產生約6.4 mm的沉降增量，使路基產生約5.5 mm的沉降增量，該部分位移均在正常范圍內[7]。如圖1中的工況三所示，此時計算能夠收斂，路面、路床、路基的位移均較小，其中路面沉降最大達到6.307 mm。即當采用石灰處置淤泥土作為路基，車輛荷載將使路面產生約5.5 mm的沉降增量，使路基產生約4.5 mm的沉降增量，該部分位移均在正常范圍內[8]。

2.3 路基應力分析

對于工況一，路基采用原始淤泥土，此時模型計算無法收斂，說明路基土所受應力大于其抗壓強度，導致土體產生了塑性破壞，以無法滿足安全生產要求。圖2中的工況二所示，路基采用換填土，新建道路，大主應力最大達2.0 MPa，應力分布較均小且均勻。圖2中的工況三所示，路基采用石灰處置淤泥土，大主應力最大達1.974 MPa。

2.4 路基塑性區分析

圖3中工況一模型計算不收斂，說明產生了非常大的不可控位移，正好驗證工況一的塑性區分布，說明工況一的土體確實處于極限狀態，當車輛荷載加上后，土體立即破壞[9]。工況二由于路基土換填處理，此時添加了車輛荷載，在車輛荷載的影響下，路肩下方產生了較小的塑性變形，其區域較小，變形可控。工況三由于路基土采用石灰處理，此時添加了車輛荷載，在車輛荷載的影響下，路肩下方產生了較小的塑性變形，其區域較小，變形可控[10]。

3 結論

（1）固化劑處置淤泥質不良土時，外加劑單摻量水玻璃在10%，碳酸鈣摻量1.0%，生石灰摻量2%和FDN減水劑摻量1.5%時是較為理想的外摻劑摻量，此時土體的抗壓強度最大。

（2）采用固化劑處置不良土做路基的控制效果較換填土做路基的處置方式的控制效果更好，固化劑處置方案較換填土方案對位移的控制效果提高了1 mm左右，約15%。

（3）采用換填土或者石灰處置淤泥土均可將路基土所受內力控制在其抵抗能力以內，其中采用石灰處置淤泥土的方案效果較好。而采用換填土或者石灰處置淤泥土均可將塑性區范圍減小至可控范圍。

參考文獻

[1]曠春貴， 胡世平. 復摻水泥+聚丙烯纖維改良淤泥質廢棄軟土試驗研究[J]. 粉煤灰綜合利用， 2021（5）： 83-87+129.

[2]倪西海， 黎海波， 楊正武. 土壤固化劑在富流灘船閘改擴建工程中的應用研究[J]. 四川水利， 2021（5）： 40-42+128.

[3]秦利瓊. 公路軟土路基的處理策略[J]. 交通世界， 2021（Z1）： 118-119.

[4]朱星光， 關金波. 淤泥質土覆蓋雜填土路基的強夯處理方法[J]. 內蒙古公路與運輸， 2020（5）： 28-31.

[5]陳萌， 楊國錄， 徐峰， 等. 淤泥固化處理研究進展[J]. 南水北調與水利科技， 2018（5）： 128-138.

[6]米吉福， 汪浩， 劉晶冰， 等. 土壤固化劑的研究及應用進展[J]. 材料導報， 2017（S1）： 388-391+401

[7]陳軍. 基于S329工程談吹填淤泥質土構筑路基工程的摻灰試驗及施工處理[J]. 民營科技， 2016（12）： 162.

[8]王鵬， 唐朝生， 孫凱強， 等. 污泥處理的固化/穩定化技術研究進展[J]. 工程地質學報， 2016， 24（4）： 649-660.

[9]丁旭彤， 蔣建國， 李德安， 等. 鈣基固化劑對釩礦污染土壤固化效果的研究[J]. 農業環境科學學報， 2016（2）： 274-280.

[10]楊西鋒， 尤哲敏， 牛富俊， 等. 固化劑對鹽漬土物理力學性質的固化效果研究進展[J]. 冰川凍土， 2014（2）： 376-385.