就地固化表層地基承載特性現場試驗研究

王穎 王朝杰 胡振華 陳永輝 肖洪天

DOI：?10.11835/j.issn.2096-6717.2022.008

基金項目：山東省自然科學基金（ZR2019PEE044、ZR2021ME067）；河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室開放基金（2019001）

作者簡介：王穎（1987-?），女，博士，副教授，主要從事軟基處理研究，E-mail：jiang101215@163.com。

通信作者：胡振華（通信作者）男，博士，E-mail：huzh0804@163.com。

Received： 2021?11?08

Foundation items： Natural Science Foundation of Shandong Province （Nos. ZR2019PEE044， ZR2021ME067）; Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering， Hohai University （No. 2019001）

Author brief： WANG Ying （1987-?）， PhD， associate professor， main research interest： soft soil foundation treatment， E-mail： jiang101215@163.com.corresponding author：HU Zhenhua （corresponding author），?PhD，?E-mail：?huzh0804@163.com.

（1. 山東科技大學?a.交通學院；?b. 土木工程與建筑學院，山東?青島?266590；?2. 河海大學?巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京?210098）

摘要：以浙江省31省道北延線紹興市區路段地基處理為例，研究兩種原位固化地基處理方式（ALLu強力攪拌頭攪拌法和國產自制設備與ALLu強力攪拌頭聯合應用）的適用性及其處理效果，針對兩種地基處理方式進行現場平板載荷試驗、無側限抗壓強度試驗、標準貫入試驗和靜力觸探試驗。為得到就地固化處理后地基應力和地基變形的規律，在地基處理路段布置土壓力盒和沉降板進行現場監測試驗。試驗結果表明：與傳統的換填法相比，就地固化處理后的地基承載力提高至少30%；固化養護齡期28 d時，原位固化土的無側限抗壓強度與室內無側限抗壓強度之比在0.35～0.65之間；標準貫入試驗和靜力觸探試驗均表明原位固化處理后地基土的強度提高，且計算的地基承載力與平板載荷試驗實測結果相差不大，均可以作為就地淺層固化地基處理技術的檢測指標；對兩組路段的應力和附加應力系數進行分析發現，經原位固化形成的人工硬殼層具有較好的擴散應力作用。

關鍵詞：道路工程；地基處理；就地固化；靜載試驗；地基承載力

中圖分類號：TU472.3；U416.1 ????文獻標志碼：A ????文章編號：2096-6717（2024）03-0009-07

Field test on bearing characteristics of surface foundation by in-situ stabilization

WANG Ying^1a，2，?WANG Chaojie^1a，?HU Zhenhua^1b，?CHEN Yonghui²，?XIAO Hongtian^1b

（1a. College of Transportation; 1b. College of Civil Engineering and Architecture， Shandong University of Science and Technology， Qingdao 266590， Shandong， P. R. China; 2. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， P. R. China）

Abstract： Based on the ground treatment of the north extension of No. 31 provincial road in the urban section of Shaoxing in Zhejiang Province， the feasibility and treatment effect of two methods， i.e.， ALLu strong stirring head stirring method with homemade equipment and ALLu strong stirring head combined application， by in-situ curing foundation treatment were studied. Plate loading test， unconfined compressive strength （UCS） test， standard penetration test and static cone penetration test were carried out， respectively. Meanwhile， in order to obtain the stress and deformation of the in-situ curing foundation， field monitoring was carried out by arranging the earth pressure box and settlement plate. The test results showed that the bearing capacity of foundation by in-situ curing were increased by at least 30% compared with the traditional replacement method. At 28 days of curing time， the ratio of UCS of curing soil in-situ to that of indoor value was 0.35-0.65. The bearing capacity of foundation was improved by standard penetration test and static cone penetration test，and the calculating bearing capacity were consistent with the measured results of plate loading test. The stress and additional stress coefficient of the two groups of road sections were analyzed， and the artificial crust layer had better effect on the diffusion stress， which can be used for detection of in-situ shallow stabilization in engineering practice.

Keywords： road engineering；?foundation treatment；?in-situ curing foundation；?static test；?bearing capacity of the foundation

隨著公路、市政道路等工程建設的快速發展，東部沿海地區遇到了越來越多的軟基加固和處理問題^[1-3]。一方面，在道路施工時，如清淤、開挖換填等過程中會產生的大量廢棄土，通常這些廢棄土需采用開挖、運輸以及征地堆放等方法處理，造成了土地資源浪費、污染環境等問題；另一方面，路基堤壩等工程又需要大量的優質填料和砂石墊層，這又需要進行開山采石或河道采砂等獲取填料。隨著對環保生態問題的日益重視和嚴格控制，這些優質填料日益緊缺、來源困難，造價逐年增加。對廢棄土進行就地固化處理、實行土資源的循環利用，可緩解此矛盾。

在道路軟基工程中，如果表面硬殼層缺失、河湖浜塘路段或者表層土強度較低時，可采用就地固化設備將表層軟土進行就地改良和處理，形成一定厚度和強度硬殼層，這可稱為就地固化硬殼層淺層處理方法。此方法形成的硬殼層的處理范圍（硬殼層寬度）及強度與未處理前相比均有所不同，所以也可稱為人工硬殼層。此技術可代替換填法對淺層軟基進行處理，這在砂石墊層材料來源困難或者現場無法提供復合地基施工設備場地條件時具有明顯的優勢。目前對地基固化處理技術的主要關注點在固化劑的選型和固化處理效果方面^[4-6]，對新設備的處理效果研究較少。在日本、歐洲等國家和地區，就地淺層固化技術在建筑基礎改良、路基固化、軟基處理、河道疏浚、堤防地基處理、有害物質封存等方面已經得到了廣泛應用，并取得了較好的經濟效益^[7-8]。日本的淺層固化處理工藝主要有STB·SLM工法和STB-MC工法兩類。STB·SLM工法施工過程包括：混合、臨時碾壓和養護、整平和碾壓；STB-MC工法是Moist Cement工法的略稱，它是將水泥以及水泥系列固化材料置于濕潤水泥制造裝置里令其保持濕潤，是揚塵抑制型固化材料予以利用的地基改良工法。芬蘭的ALLu強力攪拌頭系統已在歐洲國家大面積應用，并已經得到比較好的處理效果。ALLu地基穩定系統主要包含ALLuPM強力攪拌頭、ALLuPM強力攪拌器和獨立動力系統3個主要部分。ALLuPM強力攪拌頭是一個多功能附具，安裝在挖掘機上，其作用是有效地混合注入的穩定劑和軟土地基。獨立動力系統其實就是帶自行底盤的ALLuPF壓力輸料罐車，由它將穩定劑（固化劑）注入到穩定區域。中國常用的設備挖機、路拌機、水泥攪拌樁改進的就地攪拌設備^[9-10]與其他國家的設備相比處理效果較差，且就地固化處理深度方面也存在著一定的局限性；在就地固化形成硬殼層應用技術方面，王穎等^[11]、陳永輝等^[12-13]利用河海大學引進的ALLu強力攪拌頭，并與中國自主研發的固化劑自動定量系統組合處理高含水率的吹填土，快速形成人工硬殼層，為施工設備提供場地，與真空預壓或堆載預壓相比較，大大節約了工程時間，具有良好的適用性和應用前景。

筆者采用就地固化處理技術，以浙江省31省道北延線紹興市區深厚軟基路段進行就地固化處理為研究對象，結合現場靜載試驗、無側限抗壓強度試驗、標準貫入試驗和靜力觸探試驗以及現場監測變形和應力，對兩種就地固化處理（ALLu強力攪拌頭攪拌法和國產自制設備與ALLu強力攪拌頭聯合應用）的效果進行了分析研究。

1 工程概況

1.1 工程背景

選在浙江省31省道北延線紹興市區路段進行現場試驗。項目為雙向6車道，設雙向7.0 m輔車道，同時兼顧城市道路功能的一級公路，設計速度80 km/h，道路寬度45.50 m。試驗路段為K3+804～K3+854路段。

1.2 場地條件和設計

項目地點位于一般道路路段。自上而下的地基土剖面為：1.4 m的淤泥質黏土，17.7 m的泥質黏土，10.5 m的黏土。31省道土質概況見表1。如圖1所示，兩個斷面的路堤厚分別為1.90 m和2.40 m，地基內有17.7 m深的軟基。路基坡度為1：1.5（V：H）。采用兩種不同的就地固化處理方式對該工程進行了處理。具體的處理方式和固化劑摻量見表2。該工程選用單一的P.O42.5的硅酸鹽水泥，水泥的化學成分如表3所示，還有其他雜質。

1.3 就地固化處理技術施工工藝

就地固化處理技術中最關鍵的施工工藝為將固化劑與原位廢棄土就地固化處理形成具有一定強度的人工硬殼層。為了得到適宜且高效的施工工藝，采用兩種不同的施工方法，分別為ALLu強力攪拌頭攪拌法和國產自制設備與ALLu強力攪拌頭聯合應用，具體施工方法見表2。

ALLu強力攪拌頭攪拌法：由于現場表層強度比較高，當使用ALLu強力攪拌頭處理時，施工效率低，為了提高攪拌效率，一般需進行預翻松處理，然后采用上下垂直式固化處理和翻松分層固化處理兩種方式。

國產自制設備與ALLu強力攪拌頭聯合應用方法：ALLu強力攪拌頭設備在處理比較硬的土質時，效率低，通常在單獨使用時，需先進行預翻松；而自制設備可以處理比較硬的土質，但攪拌的均勻性有限，為了提高處理效率，提出利用兩種方法混合使用的處理方法。以B段固化處理為例，具體方法：先利用國產就地固化攪拌設備以2%含量固化劑進行就地固化處理，達到土體預翻松的目的，完成一個區塊后，利用ALLu強力攪拌頭再次對該區域以剩余2%固化劑進行處理，并及時用預壓設備進行預壓，解決國產就地固化攪拌設備的缺點，提高固化土的強度。

2 現場試驗

2.1 儀器類型及布局

土壓力盒、沉降板等監測儀器按要求布置在地基中。土壓力盒的布置位置如圖1所示。在路堤中間放置一個沉降板，以測量地表沉降。

就地固化處理處理后，檢測時間為人工硬殼層養護28 d后。經就地固化處理后形成具有一定強度的人工硬殼層，需對人工硬殼層強度及處理后雙層地基的承載力和強度進行檢測。

2.2 現場載荷試驗

經就地固化處理后形成具有一定強度的人工硬殼層，使得地基變成上硬下軟的雙層地基模型?，F場試驗主要在不同的3種工況下進行試驗，分別為傳統的換填法：表面換填50 cm的素土；A段就地固化處理：用7%水泥處理1.55 m；B段就地固化處理：用4%水泥處理2.6 m，其中國產設備預先用2%水泥漿預處理，然后ALLu攪拌設備用2%水泥進行處理。

在對31省道北延線紹興市區路段工程的K3+804～K3+854進行原地平板載荷試驗^[14]。試驗裝置見圖2。

圖3為現場靜載試驗的結果。由圖3可見，素土回填法、ALLu強力攪拌頭攪拌法、國產自制設備與ALLu強力攪拌頭聯合應用3種方法處理的地基極限承載力分別為270、590.4、360 kPa。就地板塊固化處理后的地基表面承載力均大于換填50 cm的優質土，就地板塊固化處理兩種情況比換填承載力分別提高了119%和29.6%。對就地固化處理的場地現場鉆孔取樣進行無側限抗壓強度測定，得到的結果如下：7%水泥處理1.55 m，28 d平均無側限抗壓強度為210 kPa，同配比同齡期下室內試驗結果為600 kPa；4%水泥處理2.6 m，28 d無側限抗壓強度為124.74 kPa，同配比同齡期下室內試驗結果為200 kPa。現場無側限抗壓強度值與同配比同齡期下室內試驗值的比值在0.35～0.65之間。產生偏差的原因在于：室內用攪拌機對水泥和土進行攪拌時攪拌較均勻，而且外界因素對攪拌過程影響較小，現場過程中用攪拌設備將土與固化劑進行混合攪拌時，由于地下水、溫度以及攪拌設備攪拌均勻性的影響，導致現場固化土的無側限抗壓強度偏低。

由于荷載板的尺寸為1.0 m，經計算可知影響范圍并未超過處理區域，地基承載力均由硬殼層承擔?？刹捎锰郴?sup>[15]進行理論計算，得到就地固化處理1.55 m的承載力為647.6 kPa，與實測相差9.6%；就地固化處理2.7 m后理論計算結果為385 kPa，與實測相差6.9%。

2.3 就地淺層固化人工硬殼層強度測試

2.3.1 標準貫入試驗

圖4為標準貫入試驗現場施工圖。表4是就地固化處理后不同深度標準貫入30 cm的錘擊數。選用的測試點為現場隨機選取的點，具有隨機性。通過數據分析發現，錘擊數隨深度增大而變小，說明就地固化的處理效果隨深度增大而變差，是因為攪拌過程水泥和土不能較好地混合均勻，同時由于地下水的影響，導致水泥的水化作用受到抑制，從而導致地基承載力隨著深度增大而變小。

另外，由于表層位置處受外界溫度的影響，固化土水分蒸發造成固化土含水量降低；水泥易吸收空氣中二氧化碳發生碳化反應，在固化土內部形成碳酸鈣填充物，提高了土體的強度；表層位置處噴漿壓力較小，水泥與土的攪拌混合較好，水泥的水化反應充分，地基承載力最高。將表面標準貫入得到的地基承載力結果與靜載試驗得到的結果比較，兩者相差26.7%和8.9%。

2.3.2 靜力觸探試驗

圖5是28 d時就地固化處理的平均靜力觸探比貫入阻力隨深度的變化圖，選用的測試點為現場隨機選取的點，具有隨機性，與標準貫入試驗點不同。通過數據變化發現平均貫入阻力隨深度的增大而變小，兩種情況下最大的貫入阻力均發生淺層位置處，而且就地固化處理后的固化土的靜力觸探比貫入阻力值均大于未處理的結果。

根據靜力觸探結果，表層土位置處的地基承載力可采用《上海市巖土工程勘察規范》（DGJ 08-37—2002）推薦的經驗公式 （1）

式中：為地基極限承載力基本值，kPa；為比貫入阻力，kPa。

根據圖5中A段固化土0.1 m處的靜力觸探結果（p_s=9 020 kPa）按式（1）進行計算，地基承載力基本值為663.4 kPa，比布隆和邁耶霍夫^[15]的地基承載力計算值低1.6%左右。根據圖5中B段固化土0.1 m處的靜力觸探結果（p_s=4 319 kPa）進行計算，地基承載力基本值為334.3 kPa，比布隆和邁耶霍夫的地基承載力計算值低23%左右，比現場試驗測量值低18%左右。計算結果表明，可以利用此公式進行地基承載力的預估。

根據標準貫入試驗和靜力觸探試驗的結果與實測誤差的差異可知，二者均可以作為就地淺層固化地基處理技術的檢測指標。

2.4 土應力分布

分析就地固化處理后地基內的應力傳遞規律主要依據土壓力隨上覆荷載的變化。圖6分別為在A段和B段地基土應力隨填土高度的變化規律，發現地基土應力隨著荷載的增加而增加。對比不同位置處的土壓力變化，靠近中間位置處的土壓力大于邊界位置處的土壓力。圖6（b）中B-d為地基表面的土壓力，B-b為硬殼層2.3 m位置處的路基中心點土壓力。圖6（a）中A-f為地基表面土壓力，A-e為硬殼層1 m位置處的路基中心點土壓力。從圖6（b）來看，B-d和B-b的壓力相差不大，后期B-d處的土壓力甚至大于B-b處的土壓力，之所以出現這種現象是因為人工硬殼層邊界有限，硬殼層與黏性土邊界接觸位置易發生相互作用承擔了部分上覆荷載，同時人工硬殼層具有較大的剛度將上覆荷載以一定角度向外擴散。同理可解釋A段的A-f和A-e兩處的現象。

圖7為B段B-b土壓力減去上覆硬殼層重度與B-d土壓力的比值，為硬殼層2.3 m處的附加應力系數；圖8為A段A-c土壓力減去上覆硬殼層重度與A-f土壓力的比值，即為硬殼層1 m處的附加應力系數。通過圖中規律可以發現，附加應力系數與上覆填土壓實度有關，上覆填土壓實，附加應力系數降低，所以取最大的附加應力系數研究應力擴散現象。B段2.3 m處的附加應力系數最大為0.64；而A段硬殼層1 m厚度處的最大附加應力系數為0.90。路面寬度為45 m，根據應力擴散原理，硬殼層厚度越大，擴散效果越好。

2.5 表層沉降

現場施工時，邊界因機械設備的來回走動導致沉降板偏斜，主要對中間沉降板的沉降進行監測。公路工程規范要求的指標是工后15 a的沉降值，對表層沉降的監測無法持續預測15 a，所以工后沉降采用的方法為依據部分的監測結果，總結出地基沉降固結的規律，即根據一段時間的實測沉降量，結合位移反分析方法，推算出方程的系數，依據沉降預測軟件（河海大學的SEP98）對工后沉降進行預測。通過圖9沉降隨填土荷載和時間的變化發現，地基沉降主要發生在填筑期，監測結束時，沉降的速率均低于3 mm/月。監測開始時間為2014年1月，最近一次測量時間為2016年1月，路面施工13個月后。B段監測結束時的表面沉降為20.1 cm，經軟件預測可知通車15 a后的工后沉降為11.6 cm，A段監測結束時的表面沉降為16.7 cm，經軟件預測可知通車15 a后的工后沉降為9.4 cm，均滿足公路設計規范。

3 結論

針對就地固化處理技術形成上硬下軟的雙層地基，通過開展靜載試驗、固化土強度試驗及就地固化地基變形和應力分布現場監測試驗，得到以下結論：

1）就地固化處理后的地基表面承載力均大于換填50 cm的優質土，就地固化處理后的地基承載力至少提高30%；對就地固化處理的場地現場鉆孔取樣進行無側限抗壓強度測定，得到現場28 d無側限抗壓強度是室內28 d的無側限抗壓強度的0.35～0.65倍。

2）對現場不同深度處的固化土強度測定結果進行分析可知，就地固化形成的人工硬殼層表面強度高，并且將結果反映的表面承載力與實測承載力結果進行對比，誤差比較小，可以作為就地淺層固化地基處理技術的檢測指標。

3）對就地固化形成的地基進行變形和沉降監測，結果顯示，沉降主要發生在填筑期，工后沉降和總沉降均滿足公路設計規范。

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（編輯??胡英奎）