就地固化設計參數對軟土地基承載特性影響的現場試驗研究

楊宏兵

（江蘇通州灣投資開發有限公司，江蘇 南通 226000）

0 引言

近年來我國經濟快速發展，沿海地區大量的港口碼頭貨物堆場工程陸續建設，貨物堆場普遍采用吹填造陸的方式進行建設，面臨大量的吹填軟土地基加固工程。吹填土具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低強度、低滲透性等特點，傳統排水固結方法加固需要數月至數年，施工周期長，而就地固化技術是近年發展起來的軟土地基淺層快速加固技術，通過攪拌機械將土壤固化劑與軟土拌和，加固后在短期內地基承載力快速提升，滿足使用要求，具有施工速度快、加固效果好的優點。就地固化技術在沿海地區的港口碼頭及堆場建設中得到了廣泛應用。

就地固化技術目前處于經驗積累階段，設計理論及理論研究落后于工程實踐。一般通過室內試驗確定固化土配合比，再通過現場試驗確定最終方案的設計參數。現場試驗是研究地基處理方法加固效果最直觀有效的方法，我國學者展開了大量就地固化處理軟土地基的現場試驗工作，對方案設計參數的影響展開研究。文獻[1-4]采用不同的水泥、粉煤灰比例配置固化劑，研究了不同固化劑配比對加固效果的影響；王穎等[2]、魏雁冰等[5-6]采用了相同的固化劑配比和摻量，考慮了處理深度對就地固化加固效果的影響；王穎等[2]、徐亮等[7]通過現場試驗研究了固化劑摻量對就地固化加固效果的影響；王穎等[2]在現場試驗方案中考慮了養護齡期的影響；章云等[8]、王穎等[9]分別考慮了泥漿比重、流量等工藝參數以及攪拌機械類型對加固效果的影響。吳雪婷等[10]研究了ISS-水泥聯合固化劑對淤泥的固化效果，確定了該方法的臨界水泥摻量。目前對就地固化固化劑摻量影響的現場試驗研究較為簡單，現場試驗中固化劑摻量的對比數量較少、樣本點較少，無法全面反映地基承載力隨固化劑摻量的變化規律。

本文依托江蘇某堆場軟基加固工程，開展固化劑摻量和齡期對就地固化處理軟土地基加固效果影響的現場試驗研究，研究成果可為類似工程的設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 試驗區概況

依托江蘇某港口多用途泊位工程后方道路堆場工程，開展固化劑摻量和養護齡期對固化后地基承載特性影響的現場試驗。現場試驗分為2個試驗區。試驗區1（固化劑摻量）場地尺寸62 m×50 m，固化處理深度2.5 m；試驗區2（養護齡期）場地尺寸50 m×40 m，固化處理深度2.0 m。土壤固化劑采用無機復合類固化劑，采用強力攪拌設備進行固化劑與軟土拌和。

1.2 工程地質條件

試驗區場地原地貌為淺海灘涂，經過水力沖填形成陸域。根據勘察報告，該場地表層為新近沉積土，填墊年限小于10 a，厚度6.70～9.70 m，底層標高為-0.08～-3.42 m，主要由流泥、淤泥組成，呈灰—灰褐色，流塑—軟塑狀態，含有機質，屬高壓縮性土。

2 現場試驗方案

試驗區1：采用無機復合類固化劑，現場根據固化劑摻量劃分為100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3等5個試驗區，固化處理深度2.5 m。在養護7 d后進行載荷試驗測定地基承載力。

試驗區2：采用無機復合類固化劑，固化劑摻量130 kg/m3，處理厚度2 m。分別在養護14 d、28 d后進行載荷試驗測定地基承載力。

各試驗區不同摻量固化劑的配合比設計如表1所示。

表1 試驗區固化劑配合比設計Table 1 Mix proportion design of curing agent in test area

固化劑配比：礦渣粉選用S95強度以上的粒化高爐礦渣粉，重量固定為36 kg/m3；水泥選用強度等級P.O42.5以上的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥，水泥用量=固化劑摻量-礦渣粉重量；水灰比按照1∶1（重量比）計算，即水用量=固化劑摻量；穩定劑摻量原則上等于水泥摻量的0.1%。

現場攪拌：現場試驗采用三維強力攪拌頭AM25/750對原位土進行垂直上下攪拌。攪拌設備正向運行逐漸深入攪拌并噴射固化劑，直至達到設計固化底部2.5 m深；當遇到硬土層無法進行垂直固化時，可采用原位翻松分層固化或者先用挖機輔助翻松、固化回填的方法進行。場地處理如圖1所示。

圖1 試驗區固化土拌和Fig.1 Solidified soil mixing in test area

碾壓平整：固化攪拌完畢后1～2 d，對現場固化區域進行預壓處理，采用8～12 t光輪壓路機碾壓6～8遍至無明顯輪跡，保證攪拌后板體的整體性及表層土體的壓實度。

載荷試驗：對于試驗區1，在固化土攪拌完成并靜置養護7 d后，開展各試驗區的載荷試驗；對于試驗區2，分別在養護14 d、28 d后開始載荷試驗。

3 結果分析

3.1 固化劑摻量的影響

不同固化劑摻量試驗區的p-s曲線如圖2（a）所示。在載荷試驗過程中，固化劑摻量為100 kg/m3和120 kg/m3試驗區在加載至120 kPa時承壓板周邊土層出現明顯的側向擠出隆起，試驗荷載無法保持穩定并且逐漸下降，p-s曲線出現明顯的陡降，表明此時固化土地基已經破壞，地基失穩。由圖2（b）lgp-s曲線拐點法確定地基承載力特征值，固化劑摻量為100 kg/m3和120 kg/m3試驗區的地基承載力特征值為30 kPa，固化劑摻量為130 kg/m3和140 kg/m3試驗區的地基承載力特征值為60 kPa，固化劑摻量為160 kg/m3試驗區的地基承載力特征值為90 kPa。上述結果表明固化后軟土地基的承載力隨固化劑摻量增加而提高。

圖2 不同固化劑摻量試驗區的荷載-位移曲線Fig.2 Load-displacement curves of test areas with different dosage of curing agent

根據試驗區1方案，固化劑摻量為100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3的5個試驗區，通過載荷試驗的荷載-位移曲線（見圖2）換算，其變形模量依次為1.20 MPa、1.32 MPa、5.92 MPa、6.72 MPa和6.15 MPa，地基變形模量整體隨固化劑摻量增加而提高。特別指出，固化劑摻量為140 kg/m3的試驗區在實際施工時固化處理深度為2.68 m，大于固化劑摻量為160 kg/m3的試驗區的固化處理深度2.54 m，因此前者地基變形模量比后者稍大。

進一步分析圖2可知，對于試驗區1中不同固化劑摻量的試驗地塊，固化劑摻量130 kg/m3為臨界固化劑摻量。當試驗地塊固化劑摻量小于130 kg/m3時，地基變形模量較小，在載荷試驗中地基沉降迅速增大而很快發生破壞；而當試驗區固化劑摻量大于130 kg/m3時，地基變形模量顯著增大，地基承載力顯著提高，因而在載荷試驗中發生破壞時的荷載較高。

3.2 養護齡期的影響

在試驗區2開展養護齡期影響的現場試驗，在工程現場統一按固化劑摻量130 kg/m3、處理深度2 m的參數對吹填土進行攪拌后，分別在養護14 d和28 d后對固化土場地進行載荷試驗。同時，在養護齡期影響分析中，加入加固方案類似的試驗區1中固化劑摻量為130 kg/m3、固化處理深度為2.5 m、養護7 d的試驗地塊，全面研究養護齡期（7d、14 d、28 d）對固化土地基承載特性的影響。

圖3為軟土固化后養護7 d、14 d和28 d后的載荷試驗結果。

圖3 不同養護齡期時就地固化后軟土地基的荷載-位移曲線Fig.3 Load-displacement curves of different curing ages of soft soil foundation after in-situ curing

根據圖3可知，養護7 d后地基承載力特征值為60 kPa，而養護14 d和28 d后地基的承載力特征值分別為60 kPa和88 kPa。

對比圖3不同養護齡期試驗區在加載至60 kPa時的地基沉降量，養護14 d固化后地基的沉降量小于養護7 d后地基的沉降量。表明經過了固化處理后，軟土地基的承載力隨著養護齡期的增加得到了提高。

對比圖3養護14 d和養護28 d后軟土地基的荷載-位移曲線可知，養護14 d固化處理后軟土地基的荷載-位移曲線與養護28 d后非常接近，表明固化土在養護14 d后就已經達到較高的地基承載力和變形模量。

對比養護7 d和養護14 d后軟土地基的變形模量（通過對圖3荷載-位移進行換算）可知，養護7 d時固化后軟土地基的變形模量為5.92 MPa，而在養護14 d時固化后軟土地基的變形模量就達到了89.83 MPa，表明就地固化后軟土地基的變形模量隨著養護齡期增大而快速提高。

綜上所述，采用就地固化技術對吹填軟土進行加固能夠快速提高地基承載能力并減小壓縮性，對于工期緊張、場地承載力要求較高、且有變形控制要求的場地而言，就地固化技術是一種快速有效的新型軟基加固技術。

4 結語

依托江蘇某軟土地基加固工程，開展固化劑摻量和養護齡期對就地固化處理后軟土地基承載特性影響的現場試驗研究，得到以下主要結論：

1）固化后軟土地基的承載力隨固化劑摻量增加而提高。固化劑摻量為100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3時地基承載力特征值分別為30 kPa、30 kPa、60 kPa、60 kPa和90 kPa。

2）本次現場試驗中130 kg/m3為臨界固化劑摻量。固化劑摻量小于臨界摻量時，軟土地基在加載過程中很快發生側向隆起破壞；在固化劑摻量大于臨界摻量時，地基承載力顯著提高且不會發生破壞。

3）固化劑摻量小于臨界摻量時，固化后軟土地基變形模量較小，且在加載過程中很快破壞；當固化劑摻量大于臨界摻量時，固化處理后軟土地基的變形模量隨固化劑摻量增加而提高，且不會發生破壞。

4）固化處理后軟土地基的承載能力隨著養護齡期增加得到提高，養護7 d、14 d和28 d后的地基承載力特征值分別為60 kPa、60 kPa和88 kPa。并且養護齡期越大，相同荷載下地基沉降越小，加載至60 kPa時養護14 d后地基的沉降量小于養護7 d后的沉降量。

5）就地固化后軟土地基的變形模量隨著養護齡期增大而提高。固化后養護7 d后軟土地基的變形模量為5.92 MPa，在養護14 d后軟土地基的變形模量即達到89.83 MPa。