土壤固化劑在鐵路路基地基處理中的應用探討

姚昊宇(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610036)

0 引言

隨著國家科技、經濟的迅速發展，以石灰、水泥、粉煤灰、碎石等材料傳統的鐵路路基處理方法已經不能滿足新時代對鐵路路基的更高要求。且這種傳統材料需要消耗大量資源、能源等，經濟效益不突出，還容易造成污染。針對鐵路路基的處理中，水泥、石灰及粉煤灰固化土存在的缺陷，探求一種能改善土壤水穩性，增加強度、降低干縮性的同時又節能環保的土壤處理方式是道路建設發展的必然趨勢。土壤固化劑就為人們提供了這樣一種經濟又而有效的固化土壤的方法。

1 土壤固化劑特點及其在鐵路路基地基處理中的應用優勢

1.1 土壤固化劑特點

土壤固化劑的技術先進，能縮短工期，降低資金成本投入，還可以有效保護周圍生態環境。土壤固化劑的應用可以代替石灰等傳統的、對環境污染嚴重的材料，從而達到了保護植被、降低CO2排放量的效果，這也使得此項技術的經濟性、環保性得到了突出體現[1]。

1.2 土壤固化劑在鐵路路基地基處理中的具體應用優勢

1.2.1 可縮短工期

與傳統的路基處理方式相比較，土壤固化劑的應用可以使路面基層施工工期縮短50%左右。

1.2.2 可節約資金成本

土壤固化劑原料造價較低，再加上處理施工中會依然是以當地土壤為主要原料，進而明顯降低施工成本，一般可節約成本40%～50%。

1.2.3 節能環保

土壤固化劑最為主要的優勢是節能環保，其與傳統的路面基層材料存在明顯差異，在施工過程中對周圍生態環境的破壞幾乎為零。

1.2.4 施工流程簡單

土壤固化劑與土壤的和易性良好，一旦與土壤結合之后，很容易開展接下來的壓實操作，便于施工。

所應用的施工機械設備與以往的路基施工設備基本相同，并明顯縮減了勞動力[2]。

1.2.5 冷凍穩定性好

經過長期實踐表明，土壤固化劑具有良好的冷凍穩定性，可以結合季節性溫度特征使用，并且我國在此方面的技術研究已經達到世界先進水平。

2 土壤固化劑在鐵路路基地基處理中的應用實例分析

2.1 工程概況

以Z市市內某新建鐵路路段為例，線路全長9.1 km。在進行道路結構設計時，確定以40 cm煤矸石及20 cm級配碎石為原料。在工程正式建設施工之前，由于原材供應不足，導致其價格在短時間內快速上漲。如果依然按照原設計方案進行原料采購，勢必會超出原有工程預算，從而影響工程經濟效益。因此，決定將原有路基結構改為固化土底層基底+固化層基層。

2.2 固化土混合料配合比設計分析

本工程固化土混合料配比工作嚴格按照2007年發布的《土壤固化劑應用技術導則》中的各項規定開展，在滿足無側限抗壓強度標準要求的基礎上，結合現場實際施工需求確定了固化劑與水泥摻量。

2.2.1 原材料準備

(1)水泥。本工程選擇了42.5硅酸鹽水泥，將初凝時間設定為150 min，終凝時間設定為200 min，其抗壓強度為26.0 MPa。經檢測，本工程所選用的水泥材料屬合格品。(2)土壤固化劑[3]。本次選用TK-G離子型液體土壤固化劑，以2015年發布的《土壤固化外加劑》為標準對其性能進行檢測，確定本次所需用的土壤固化劑無側限抗壓強度比為140.1%，水穩系數比為116.9%，均符合文件標準。

2.2.2 含水率及干密度檢測

在對土壤固化劑進行選擇以及使用時，要嚴格按照2009年發布的《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的各項標準來對其物理性質進行檢測。經檢測，確定固化土基層以及固化土底基層的含水率、干密度如表1所示。

表1 固化土基層、底基層最佳含水率及最大干密度

2.2.3 工程路段路基結構設計

根據2012年發布的《城市道路工程設計規范》來對固化土路基結構設計路段進行嚴格要求，保證其在滿足文件中各項設計要求的基礎上，對技術經濟性進行比較，要盡可能減少固化土施工過程中材料采購以及運輸頻率。并且，控制運輸距離，秉持就地取材原則，以隧道中挖掘出的土壤、碎石作為原材料，確定施工段固化土路基結構以及厚度，在厚度方面，依然以之前的設計方案為準，確定其路基結構厚度為40 mm+20 mm=60 mm，從下到上的路基結構依次為路床(150 mm)+固化土底基層(150 mm)+固化土基層(250 mm)+碎石層(50 mm)。

2.3 無側限抗壓強度、水穩系數試驗方法及結果分析

2.3.1 試驗方法

按照《公路路面基層施工技術規范》中的試驗規程要求來制作固化土基層及地基層無限抗壓強度試件。當試件成型后，設定其壓實度為96%，以最佳含水率(固化土基層9.3%、固化土底基層11.5%)及最大干密度(固化土基層1 920 kg/m2、固化土底基層1 850 kg/m2)為依據稱取試件，將其裝入50×50 mm的試模中，加壓成型，脫模得到試件。在進行測試試件養護時，應用標準養護與水養護相結合的方式。固化土基層和底基層中的土壤固化劑摻量分別是0.016%、0.014%，而固化劑也同樣應用外摻的形式加入，具體產量取決于固化土混合料總重量。試件標準養護6 d之后，未添加土壤固化劑的固化土基層平均強度為2.10 MPa，固化土基底層的平均強度為2.02 MPa。添加土壤固化劑的混合料養護方式與無側限抗壓強度試驗結果如表2所示。

表2 固化土混合料試件養護與無側限抗壓強度試驗結果明示

2.3.2 試驗結果分析

經過綜合對比，無論是固化土基層還是固化土底基層混合料，應用標準養護6 d的養護方式，其綜合養護效果最為理想，可以使無側限抗壓強度得到有效提升，而水穩系數基本保持不變。由此表明，水泥與土壤固化劑摻量可以進一步增大固化土基層混合料的無限抗壓強度以及水穩定性，將其應用到鐵路路基結構處理中發揮了預想作用。

2.3.3 鐵路路基地基處理中的土壤固化劑應用流程分析

本次分析嘗試以集中廠拌法為標準，對土壤固化劑在鐵路路基地基處理中的應用流程進行了分析(如圖1所示)，對重點環節進行了文字闡述。

圖1 土壤固化劑在鐵路路基地基中的應用流程圖

2.3.4 施工準備環節

在進行地基處理時，應該在處理范圍外挖設專門的排水溝。同時，還應該使用測量儀精準測出地基處理范圍，應該間隔10～20 m設定地基位置，并且周圍設置中、邊樁，保證其距離適當。按照測量放樣的位置來進行基底高程設計，并且按照相關標準規定開展核查、核查驗收工作。在進行代表性土樣選取時，應該對固化劑的摻量比例進行確定，最終選擇最為科學的配合比。

2.3.5 備土、整平

按照設計圖紙要求，其中的備土、整平環節非常重要，需要根據圖紙要求確定本次工程所需要的土方總量，然后將其應用到土方施工中，按照預先設定好的高度、寬度來確定接下來的施工環節。在進行土方整平處理操作時，應該掌握其中的要點環節，通過人工與機械相結合的方式確定平整處理方法，從而為后續施工工作開展奠定基礎。

2.3.6 固化劑的噴灑與拌和

在對土壤固化劑進行應用時，應該對應用方式進行明確，要選擇具有代表性的區域來對當前土壤中的含水量進行計算、分析，從而確定施工作業過程中所需要的補水重量，在對這一總量進行設定時，通常會將其控制在2%左右。當確定測試結果之后，應該對區域內的土方體系、土壤固化劑摻入量等數據進行確定，選擇壓力式灑水車進行灑水操作，保證噴灑均勻。當噴灑完成之后，應該應用拌合設備來對原料進行均勻拌和，最終用平地機處理平整。

2.3.7 悶料

悶料是土壤固化劑施工中非常重要的環節之一，在開展這一環節工作時，應該先保證混合料攪拌均勻。在悶料過程中，應該根據地基處理實際需求對悶料時間進行確定，通常要將其悶料時間設定在6 h以上，而粘性土悶料應該在10 h以上。

2.3.8 碾壓

碾壓操作主要是根據具體施工情況制定并且執行相應的碾壓計劃，根據工程情況選擇18～25 t的重型壓路機。碾壓時要從低到高、先靜后振，從而保證碾壓操作的規范性，還要保證碾壓所產生的輪跡重疊寬度與規范要求相符合。同時，在整個碾壓過程中，應該保證碾壓速度始終處于勻速狀態。

2.4 施工效果

當完成試驗段的施工之后，要對其施工成果的后期使用情況進行持續性觀測，在試驗路段施工完成12 h后，可以通行40 t以內的裝載車輛，并且不會留下轍痕。試驗路段投入試用1 a之后，使用情況良好，施工單位檢測、維修次數大幅度減少，與傳統路基結構施工方式進行比較，體現出了經濟性、環保性。從綜合回彈模量、CBR試驗還是回彈彎沉均有顯著改善，7 d無側限抗壓強度增加15%～40%；綜合回彈模量較傳統固化土提高100%～200%；CBR值提高240%～280%；彎沉降低50%～80%；在浸水條件下，固化土強度衰減速度較傳統方法降低57%～89%。

2.5 經濟效益分析

采用固化劑的方案可比傳統方案節省費用，綜合造價可節省8.0%～26.4%，對比結果如表3所示。

表3 使用土壤固化劑與傳統結構造價對比表

2.6 社會效益

由于路基處理層耐久性提高，避免了傳統石灰土強度隨著地下水的侵入降低而造成的道路重復改造，石灰及水泥的用量大大減少也節省了社會能源。同時也降低了對工程環境的污染，這無論從環保還是能源等方面都具有顯著的社會效益。

3 結語

該項工程采用土壤固化劑固化土處理技術，較傳統工藝難度增加不多，但充分考慮了傳統石灰土強度衰竭的弊端，大大提高了路基強度及水穩定性。通過實地對比，結果表明土壤固化劑固化土效果較石灰土強度有很大提高，彎沉值大大降低，CBR值大大提高，水穩性得到很好的改善，可作為鐵路路基處理層或底基層，可降低綜合造價，每平方米降低造價12元，具有顯著的效果。