路基雜填土處理及加固措施研究

郭逾冬

（招商局重慶交通科研設計院有限公司,重慶 400067）

雜填土路基通常大范圍聚集性出現,不僅雜填成分復雜,且填充物質在不同時間不同地點隨意堆放自然形成,因此與一般路基相比,對其進行處理時有較大難度。采用不同的加固處理方式對同一場地的雜填土路基進行處理后,加固效果也往往各不相同[1]。如何根據雜填土路基的實際情況選用合適的處理方式,使路基性能滿足要求。本文介紹常用的幾種雜填土路基處理方式,闡述其原理、方法、適用范圍、特點,并結合實際工程項目,將室內物理- 化學處理與現場機械加固相結合,達到技術可行、經濟合理的目的。

1 雜填土處理及加固措施

1.1 CFG 樁加固

在制作CFG 樁時,一些常見的無機結合料,如水泥、碎石、粉煤灰等是制作CFG 的主要材料。將上述材料加水拌合,再經專業化機械設備成樁制作,通常還要經過一定時期的養生,即可形成具有一定強度的樁身柱體。

CFG 樁對雜填土的加固主要表現在以下幾個方面：

（1） 樁體作用 首先,樁體由碎石等強度較高的材料制作而成,能有效提高雜填土路基的強度,能夠顯著增強樁間土體的抗液化能力,對雜填土的其他性能也能起到良好的改善作用。其次,CFG 樁加固技術是將強度相對較大的CFG 樁柱體埋入雜填土路基中,將原有雜填土路基中的低強度雜填土“擠壓”出去,即用高強度樁體置換低強度雜土。埋入CFG 樁的土基較之原來的雜填土路基,強度更高,模量更大,也能承擔相對更多的荷載。

（2） 振動擠密作用 將CFG 樁管體埋入路基時,機械設備作業時會帶動施工區域的土地以一定頻率振動,原本的樁間土不斷受到擠壓,土顆粒等不斷受到壓縮,土體的密實度不斷提高,其壓縮模量和強度也相應得到改善。

（3） 樁對土的約束作用 當上部荷載作用在樁間土時,在樁體的限制下,其橫向變形較之未填埋CFG樁時減少,整個復合地基的縱向變形相應減少,復合地基的承載力增強,抗沉降抗變形能力提升。

（4） 褥墊層作用 褥墊層存在于路基與“樁- 樁間土”組成的整體之間,主要起到應力緩沖作用。當有外力作用在上部結構時,“樁- 樁間土”組成的整體會承擔一部分荷載,另一部分荷載經褥墊層傳遞給地基。

褥墊層一般由碎石和砂組成,其中,砂的最大粒徑不能超過30 mm。

（5） 加速排水固結作用 當CFG 樁加固技術應用于飽和砂土或者細顆粒粉土土基時,CFG 樁能起到加速排水固結的作用。一方面,CFG 樁在施工時不斷振動,對周圍土體產生擠壓作用。在這種振動擠壓下,周圍土地因外力作用逐漸產生超孔隙水壓力,促使土體中的水分經由裂隙排出,從而導致路基排水固結速度加快,詳情見圖1。另一方面,CFG 樁體一般由碎石、粉煤灰等粗骨料構成,在水泥完全硬化之前,顆粒間存在不少縫隙,構成良好的排水通道。路基中的水分經由樁體內的排水通道排出,路基排水固結速度加快,如圖2所示。

圖1 CFG 樁復合地基排水固結示意圖

圖2 CFG 樁復合地基承載力示意圖

1.2 水泥加固處理

用水泥加固雜填土路基,主要靠水泥中的主要熟料與土路基中的水及鹽類離子發生水解水化反應得到的產物[2]。水化物進一步發生膠結,促使路基強度提升。用普通硅酸鹽水泥加固雜填土路基,主要反應如下：

硅酸三鈣在水泥加固雜填土中起最主要的作用,其反應方程式如下：

產物之一的硅酸二鈣是反應后期的主要強度來源：

鋁酸三鈣初凝速度最快,起到加快水泥早凝的作用：

因氫氧化鈣的過飽和程度降低的速度與水泥中堿性物質的含量及堿的溶解速度呈正相關,土質的不同也影響著水泥加固土的效果。當粘性土塑性指數較大且含有較多的粉粒、粘粒且粘性土時,氫氧化鈣會先與粉粒、粘粒發生作用,降低土體的PH 值,使得水泥水化物的硬化速度變慢。

水泥加固土具有強度高,穩定性好,結構抗水性能好,抗凍性良好等特點。由于水泥加固土施工工藝簡單、抗滲性能優良、外觀美觀、穩定性好,其在工程中應用范圍廣泛,常見并不止于不良土體加固、基坑支護、河道護坡、水池護壁等。

1.3 石灰加固處理

將石灰加入土中后,石灰與土中的水分發生一系列物理化學反應,離子交換作用下土顆粒發生膠結,析出晶體；Ca (OH)2發生結晶作用生成結晶網格；Ca(OH)2發生碳化作用變成強度更高的碳酸鈣；火山灰作用下生成鋁酸鈣等膠結物；再加上養生,石灰加固土的強度逐漸提高[3]。這個過程中主要發生的反應如下：

（1） 離子交換作用 石灰在水中或強堿環境中會解離出二價鈣離子,土顆粒中含有鈉、氫、鉀（N+、H+、K+）等低價陽離子的礦質離子。將石灰加入土中,高價鈣離子與低價鈉、氫、鉀（N+、H+、K+）進行離子交換,而吸附性與離子的價位成正相關,因此土顆粒膠體的吸附層降低,膠結作用發生。土顆粒逐漸匯聚在一起形成團粒,較之原來的土顆粒空隙降低密實度提高,從而實現增強土體強度和穩定性的目的。

（2） 結晶作用 用石灰加固土時,當Ca(OH)2達到飽和狀態時會發生結晶作用,生成生石灰結晶網格。這一過程的化學反應式為：

石灰與土體中的活性礦物質發生反應生成足夠多的水化產物是結晶作用的前提。隨著化學反應的持續進行,這些水化產物的含量增多。水化產物達到一定濃度后,發生結晶作用,產生的結晶并作為一層“保護膜”附著在土顆粒周圍。晶體保護膜對增強土體強度起到重要作用：一方面填充了土顆粒間的空隙,使土體更加密實,提升了土體強度；另一方面阻止外來水分深入土顆粒中,提升了土體水穩定性。遺憾的是這個過程進行的非常緩慢,當土體需要快速加固時僅依靠結晶作用是不可行的。

（3） 火山灰作用 石灰的加入將原有土體中的酸堿度逐漸改變,土體環境變為強堿性。在強堿狀態下,土體內部的活性礦物質粒子,如氧化硅、氧化鋁等,逐漸發生化學變化,其反應式如下：

從上述反應式中不難發現,火山灰作用需消耗土體中的水分。因為發生了火山灰作用,用石灰處理雜填土,不僅能夠加強強度和承載力,還能賦予土體一定的水硬性。

（4） 碳化作用 碳酸化的化學反應式為：

產物之一的碳酸鈣（CaCO3）本身硬度大,能和土中其他物質發生反應生成復雜鹽類,而且復雜鹽類又能繼續和碳酸鈣一起作用,使得土粒發生膠結,從而提高土體的強度,增大土體的穩定性。

1.4 固化劑加固

在土中加入固化劑,固化劑中起到固化作用的高分子聚合物溶于土體中的水,表面活性劑和土顆粒相互吸附,土顆粒間的表面自由能降低,顆粒與顆粒間的排斥作用減小,促進土顆粒更好的凝聚在一起,使得土體的強度與水穩性逐漸增強。因上述作用,經過固化劑加固的土體較之一般土體有更強的耐水性能,壓實后也不易發生土體濕陷或者塑化現象。

利用固化劑加固路基土時,其施工作業簡單、操作方便、經濟效果佳,且不會對交通產生影響,路用性能優良,因此具有廣泛的適用性。常見并不限于路基土加固、坡面加固、水利護坡加固等工程中。

1.5 強夯法加固

強夯法加固土體的原理相對比較簡單。即利用起重設備將夯錘提升到一定高度,然后使夯錘發生自由落體運動,利用其下落時巨大的勢能轉化成的強大沖擊能量夯實土體,以此來提升土體的強度和承載力。動力固結理論多用于加固飽和土。因為理論上認為飽和土是土顆粒周圍被液體填滿的土體[4],用強夯法加固時,隨著夯錘的不斷夯擊,土體的超孔隙水壓力逐漸增大,增大到一定程度時,土體結構發生破壞并形成放射狀裂隙（詳見圖3）。土顆粒的孔隙水沿著這些裂隙排出,土中水壓力逐漸消散,土體快速固結,密實度增加。

圖3 強夯作用下產生的排水

2 雜填土處理與加固方法的可行性分析

某旅游公路先后穿過三個雜填土路基的區域,其中占地面積最大的一片區域近似為邊長35 m 的正方形。經過實際勘察,發現路基中含有雜草、煤渣等多種工業垃圾、陶瓷磚瓦碎片等建筑垃圾、塑料布條等生活垃圾,成分復雜且不易降解,土質疏松,壓塑性高[5],是典型的雜填土路基。根據上述實際,綜合考慮幾種常用的雜填土處理方法,分析如下：

（1） 若采用CFG 樁加固土體,樁體需要事先在預制工廠完成預制、養護后再運送至施工場地。這會產生如下幾方面的不利因素：一是施工周期相對較長。澆筑樁身的混凝土需養護至強度達標,需要一定時間。二是成本相對較高。工地周邊區域沒有滿足要求的預制工廠,從別處預制好樁體后運輸到施工場地,運輸費用高。三是施工場地不滿足要求。沉樁施工需要較大范圍的施工作業面,而工程實地被夾在東側10 m 遠的河道與西側的雜填坑之間,作業面小,施工場地嚴重受限,無法滿足沉樁作業要求。因此,CFG 樁加固方法不適用于該工程。

（2） 若采用水泥、石灰或者固化劑加固,三種材料各有優勢。水泥加固土具有較高的強度和承載力、較好的穩定性和整體性,適用范圍廣；石灰加固土抗壓強度和板體性相對較高,剛性和荷載分布能力較大,水穩性好,施工方便；固化劑加固土水穩性好,強度高,成本低,節能效果好。鑒于上述因素,考慮將上述三種材料用于雜填土加固。

（3） 強夯法在這一施工場地中具有很大的優勢：能夠提升路基的強度和承載能力,施工機具簡單,節約材料,成本較小。施工場地遠在郊區,施工時產生的噪音和振動也不會打擾到居民,場地也適合強夯作業。但是強夯法不能處理雜填土中的有機質。

綜合考慮多種加固處理方法,確定采用“固化材料+強夯”的方法對項目中的雜填土路基進行處理加固。

3 雜填土處理與加固方法的確定

鑒于雜填土路基成分復雜、污染物多且土質疏松、承載力差等特點,對其進行加固處理時,應首先將樹枝、雜草、布料、塑料等不宜作為路基填筑材料的成分清理出去,然后盡可能碾碎其中的大顆粒土。若雜填土路基中含有大塊碎石類土、建筑生活垃圾土或工業廢料土,優先考慮強夯法。其次采取合適的方法對對雜填土進行固化。綜合考慮水泥、石灰、固化劑等材料的特性,結合工程實際,并進行物理力學性能試驗,設置對照組,確定最佳的加固材料及最優的配合比,使得加固土體密實度增加的同時,不均勻性和高壓縮性得以減小甚至完全消除。最后本文在綜合考慮多種加固處理方法的基礎上,結合工程實際,創造性的采用“固化材料+強夯”的方法,在加固雜填土滿足性能要求的前提下,又可以簡化施工、節約成本。有效避免傳統單一采用摻灰加固或強夯法的弊端[6]。

4 結論

綜上,本文主要闡述了五種常用的雜填土處理加固方法,分析了它們的加固原理、適用范圍和優缺點。結合實際工程,對各種方法進行綜合分析,最終確定以一定配比的水泥、石灰、固化劑組成的材料進行室內雜填土的加固,并結合強夯加固方法對雜填土路基進行加固。