固化技術在軟土地基中的應用研究

陳海雄， 劉龍武， 張健， 姚木， 王濤

(1.中國建筑第五工程局有限公司， 湖南 長沙 410004；2.長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114)

地基土體在長期的雨水浸泡及機械作業影響下易發生軟土化現象，土體內部含水量高，具有高壓縮性、高靈敏度、高流變性和低承載力等特點。現有軟土地基處理方法有置換法、排水固結法、灌入固化法、托換法、振密或擠密法、加筋法、糾傾與遷移法等，其中置換法在地基表層和淺層軟土處理方面具有獨特優勢。但常規置換法存在如下缺點：1) 棄土、壓實需在晴天進行，雨季時難以快速施工，導致工期延長、費用增加；雨季時就地取材或從附近獲取合適含水率填土難以實現，若采用砂、碎石、粉煤灰、干渣等作為回填料，會增加成本。2) 城市內施工對環保要求高，特別是流塑狀態軟化土在運輸和棄置過程中需格外小心，避免罰款和不良評價。為克服上述缺點，該文以水泥為主要膠體材料，對某項目施工場地的軟土按照特定方法處理、混合后形成固化土，以該固化土作為回填料，采用路拌法將其壓實，得到滿足設計強度要求的地基層。

1 工程背景

1.1 氣候和地質情況

(1) 氣候特征。某項目所在地雨量較充沛，降雨時間分布不均勻，3—5月平均降雨天數為52.8 d，約占全年總降雨天數的35%；夏季降水不均，旱澇無定；秋冬雨水減少。年最小、最大降雨量分別為1 018.20、1 751.20 mm，平均1 394.60 mm。

(2) 水文地質特征。場地內地下水主要為上層滯水、孔隙水及巖溶裂隙水。上層滯水主要分布于松散填土層中，填土層為弱～中等透水層，富水性一般，水量貧乏，水位及水量隨季節變化。孔隙水主要分布于第四系沖積細砂、粗砂、圓礫、卵石層中，為強透水層。該強透水層綜合厚度大，富水性好，水量豐富，略具承壓性，承壓水頭為1～6 m。場地內地下水位變化幅度為6～8 m。

(3) 各層巖土情況。開挖至基底標高后發現基底以下有粉質黏土、細砂、粗砂、圓礫、卵石和中風化灰巖，地層種類多，軟硬不均，且各地層的厚度變化極大。當地下水和地表降水豐富時，粉質黏土、細砂、粗砂、圓礫、卵石極易受施工擾動影響，強度變化幅度大。

1.2 地基軟土化分析

圖1 基坑施工現場

該項目工期緊張，加之降雨頻繁，卸土場經常關閉，淤泥無法外運，而場內北區樁基、錨桿施工占用場地，南區堆放大量場內倒運的新土，雨水濕潤后無法過車，場內臨時堆放不可行。因此，原設計方案“軟弱地基層清除后填C15砼”無法實施。經研究，確定采用固化土處理軟土地基施工方案。

2 固化土處理軟土地基施工方法

2.1 施工方案

2.1.1 摻灰工藝

實際工程中，水泥固化土通常采用廠拌法和路拌法。廠拌法使用專門的拌合設備將一定量水泥與原料土拌合后運至工地，即集中拌合。路拌法在施工現場以不同方式(人工或機械)將一定摻量的水泥、石灰、原料土利用挖掘機進行拌合，然后攤鋪、壓實。廠拌法能保證拌合的均勻性，節約勞動力，但不能保證時刻有大規模的供給料投入，費用比路拌法高。路拌法操作簡單，無需外運，就地作業，通常用于二級或二級以下公路。路拌法施工填料的均勻性不及廠拌法，但可通過前期的試配和試壓選取合適的強度折減系數指導現場施工，使其滿足設計強度要求。該項目軟土地基固化土采用路拌法施工。

路拌法施工中常采用“3次摻灰”拌合法：第1次摻灰是在流塑狀態軟化土區域原地摻入一定量生石灰，生石灰與軟土中的水反應，在消耗水的同時釋放大量熱量，加速生石灰消耗土壤中的水，最終使土體從流塑狀態轉變為可塑狀態。第2次摻灰加入3%的水泥，使軟化土“砂化”，達到均勻燜料的效果。水泥的水化反應不但可以消耗軟土中的水，進一步降低其含水量，而且水泥水化反應生成的膠結物質能降低軟土的密實度，起到強度增強作用。第3次摻灰加入一定量水泥和水玻璃，形成水泥固化土，為實現地基土強度快速增長提供拌合土料。

2.1.2 材料和機械設備

(1) 材料。填料的土源為“就地取材”的地基軟化土，主要膠凝材料為水泥，利用生石灰降低土體含水量，采用水玻璃增強回填土料的和易性(見表1)。這些材料需進行以下處理或達到以下標準時才能使用：1) 用挖掘機挖出經雨水浸泡至飽水狀態的軟土，堆放在基坑周圍。2) 生石灰數量根據試驗段情況確定；生石灰的有效氧化鈣和氧化鎂含量需滿足相關要求；要求生石灰粒徑不大于37.5 mm，以免后期拌合過程中不能進行完全熟化反應；生石灰存放期間進行覆蓋，并盡量縮短存放時間。3) 使用42.5水泥，存放水泥的倉庫應封閉，以免水泥受到污染而變質。水泥存放時不能直接接觸地面，需墊起，距離地面至少30 cm；也不能接觸墻壁，應保持3 cm的距離；堆放高度不能超過10袋。露天堆放的水泥應用防雨篷布覆蓋嚴實，板要墊高并采取防潮措施。

表1 材料要求

(2) 機械設備。地基加固處理的常用夯實方法

有重錘夯實、機械碾壓和平板振動等，對于高含水率的回填土以上方法都難以實施。該項目地基換填中以不同型號挖掘機配合施工為主(見表2)，挖掘機既起到開挖、拌合的作用，又兼具壓實功能。回填土料中的水泥強度在28 d齡期前隨著養護齡期的增長而增長，呈冪函數形式變化，而且在常用水泥摻量(5%～20%)內就能有效抑制非病害土的軟化，起到加固土體的效果，其后期強度也遠高于地基承載力要求。因此，非壓密狀態的固化土也能達到設計要求的承載力。

本系統實現了運輸監測網絡化、透明化，運輸數據多層共享。用戶、變壓器廠商和運輸公司能夠共同在線監督變壓器當前狀態，提高變壓器運輸質量和預警力度，從而采取有效的預防措施，將進一步提升變壓器運輸過程的安全系數。

表2 施工機械設備

2.1.3 回填、壓實質量要求

填土前檢查水泥固化后地基土是否達到硬塑狀態，若沒有，則不能進行地基土回填。建筑工程中常以砼強度達到1.2 MPa以上作為達到硬塑狀態的判斷標準。但試驗研究發現水泥固化土在常用水泥摻量(5%～20%)內的7 d無側限抗壓強度只有1～3 MPa，28 d強度也只有2～5 MPa。因此，不能以砼的評價標準作為水泥固化土能否進行下一步施工的判斷依據。該項目采用常規液塑限聯合測定儀中76 g錐體的落錐深度小于2 mm作為達到硬塑狀態的判別標準。

確認固化后的軟土達到回填土要求后，對坑槽進行清理，確保無雜物。坑槽回填前做好基礎標高的清理，同時清理其中的雜物、砂子等。整個施工過程中都要檢查回填質量，不能有雜物。

對回填料分層進行攤鋪，每層厚度控制在250 mm。攤鋪到一定厚度后進行壓實、拍實，并用挖掘機找平。

2.2 工藝流程

采用固化土進行軟化土地基回填時，按照由深到淺、從兩邊到中間分層對稱壓實的施工順序，分層壓實控制厚度為250 mm，以2個壓實分層組成1個作業層。施工流程：地表封水→降水→原位第1次摻灰→開挖+第2次摻灰拌合→靜置砂化→第3次摻灰拌合→第1層壓實→靜置硬塑化→重復壓實分層施工，直至完成全部壓實填筑。

2.3 施工要點

該項目軟土地基處理范圍較大，各處深淺不一，按照面積不超過800 m2分為20個大區，每個大區又按照深度劃分為4～6個小區，按照由深到淺、一端到另一端的順序完成施工。

(1) 地表封水。用挖掘機挖出待處理區域深層的軟土淤泥，使土坑呈漏斗形，并在側邊打截水溝截斷外部的地表水。

(2) 降水。在待處理區域設置一處以上用于降水的井點，將潛水泵置于土坑底部最低點，用潛水泵降低區域外部的地表水。

(3) 原位第1次摻灰。開挖區降水完成后，考慮到土體內部含水量高且不能用物理方法進行處理，在加入水泥固化前加入適量生石灰降低含水量。在開挖區內流塑狀態軟化土區域原地摻入適量生石灰，通過生石灰與軟化土中水的熟化反應及放熱加速降低土中含水量，生石灰摻量以將流塑狀態軟化土變為可塑狀態為準，通過落錐試驗判別。

(4) 放坡開挖。開挖施工前，采取措施將基坑內地下水位降至擬開挖下層土方的底部以下不小于0.5 m。基坑開挖的分層厚度控制在1 m以內，嚴禁超挖。

(5) 第2次摻灰。在堆置在拌合堆場的軟塑狀態軟土中按土灰重量比摻入3%的水泥，用挖掘機進行第1次水泥拌合。拌合完成的土樣靜置6 h以上。

(6) 第3次摻灰。將完成2次摻灰且靜置6 h以上的土樣，按土灰重量比摻入不超過7%的水泥，并適當摻入低濃度的水玻璃改善土的和易性。

(7) 分層壓實。用挖掘機將經3次摻灰的水泥固化土回填至開挖區底部，每次虛鋪厚度控制在300 mm。通過挖掘機履帶碾壓和挖斗下側拍實3～5遍完成水泥固化土的回填施工。

(8) 靜置。將分層壓實后的固化土地基靜置1 h以上，靜置結束時間以固化土壓實層達到硬塑狀態為準，判斷標準為液塑限聯合測定儀76 g錐體的落錐深度小于2 mm。如果靜置超過3 h后固化土樣未達到該標準，則對余下的固化土料進行翻曬降水，每0.5 h翻曬1次，翻曬2次后測量落錐深度，直至落錐深度小于2 mm。

(9) 重復步驟7、步驟8，對余下未回填的區域進行回填、分層壓實，直至整個區域全部用符合強度要求的水泥固化土回填壓實。

3 質量控制措施

(1) 施工期間安排專人查看近期天氣預報并作好記錄。如果需在雨季施工，則在施工區域內做好防排水，同時用尼龍布覆蓋未硬化的已換填地基，防止雨水直接沖刷。

(2) 為取料、投料方便，施工中一般將施工用料放置在施工現場或施工現場周圍，應對料堆進行遮蓋，以防雨淋。條件允許的情況下，可專門搭建存放施工用料的倉庫。

(3) 現場所用回填料現拌現用，嚴禁提前拌合。天氣晴朗、溫度較高時，用料前將軟土提前翻曬，使土料各處含水率基本一致，否則影響壓實度。

(4) 該項目地基含水量高，排水溝的作用重大，需每隔一定時間對排水溝進行檢查、維修、疏通，確保其排水暢通。

(5) 處理層底部的承載力需高于140 kPa，否則需加大處理深度；壓實層24 h后的承載力應大于160 kPa。

4 結語

該項目所用填料為“就地取材”的地基軟化土，主要膠凝材料為水泥，采用生石灰降低土體含水量，添加水玻璃增強回填土料的和易性；地基換填以不同型號挖掘機配合施工為主，挖掘機既起到挖掘、拌合的作用，又兼具壓實功能。該固化技術適用于工期短、換填工程量大、地基上部荷載不大的情況，是一種應急處理方式。