軟土路基固化改良性能研究

許 鳳 榮

(秦皇島市海港區教育和體育局,河北 秦皇島 066008)

0 引 言

隨著我國經濟發展,地區之間聯系緊密,人們對交通出行的需求量越來越大,我國道路建設也隨之快速發展.然而隨著道路里程不斷增加,各種地質狀況也隨之出現.軟土作為一種工程性質較差的土,在道路施工中常常難以直接利用,然而將其廢棄再換填符合要求的土往往需要大量的挖方以及運輸,經濟成本高昂且轉運周期漫長,嚴重影響施工進度.因此,采用一些處理方法將改變軟土性質,提高軟土承載力,使其滿足路基承載力要求.

上世紀八十年代,唐業清[1]對沖填地質的工程性質進行分析研究,分析發現了沖填地質力學性質不穩定,在早期具有沉降變形大、承載力低以及水穩定性差等問題.楊坪等[2]通過改變振動頻率與動應力模擬車輛荷載,研究了路基破壞時孔隙水壓力的變化.韓會令等[3]通過研究發現,這些土體力學性質難以滿足工程需求,需要處理后才能使用.吳小勇[4]分析研究了塑料排水板的應用效果,并結合具體工程闡述施工工藝與流程.繆東等[5]通過現場試驗,研究了真空預壓法對軟土地基的力學性能改良效果.隨著國內外學者交流逐漸增多,國外學者通過添加劑改良軟土特性的研究傳入國內,引起我國學者的研究興趣.戴麗菜等[6]提出一種新型的復合無機固化材料“SCA”,能夠廣泛應用于軟土地基,并通過試驗證明改良后土體能夠滿足路基填土的各項力學指標.楊曉鵬[7]研究了了LZSS固化劑對軟土路基的可行性,該固化劑使用簡單且具有良好的抗凍性與水穩定性,固化效果能持續較久.況宏偉等[8]通過分析多種固化劑與骨料摻入土體的改良效果,得到結論證明HAS能夠改良土體,為工程實踐提供技術支持.

本研究在前人基礎上,使用PO42.5水泥固化劑對軟土路基進行加固處理,通過室內試驗分析土體力學性能,探究改良后土體能否滿足路基承載力要求.

1 軟土加固技術

軟土是一種具有高含水量、高塑性指數的土體,同時具有重度小、滲透性小的特點,因此決定了這種土體高壓縮性、低強度的工程特性,難以直接作為工程用土投入使用.必須經過處理,使其力學性質發生改變方可投入工程建設.

我國傳統的軟土加固技術主要是采用物理方式,在施加外力作用下快速改變土體的性質.隨著國內外技術相互融合借鑒,采用添加化學劑改變土體性能的方式逐漸被人們接受,并逐漸投入工程實踐.

1.1 物理加固

物理加固方式作為傳統加固方式發展到目前已經較為成熟,僅以以下幾種具有代表性的加固方式為例作為說明.

(1)強夯法

主要特征為將重錘抬升到一定高度后落下,夯實軟土層,從而達到快速固結土體的效果.升至高空的重錘將重力勢能轉化為動能,強大的沖擊波將土體孔隙壓縮,達到加固土體的效果.

強夯法優點在于原理簡單,操作方便,短時間內可以獲得良好效果,同時價格低廉,低碳環保.但由于其操作方式簡單,在重錘落下時會產生巨大噪聲并伴隨強烈震動,對周圍居民及建筑物會產生較大影響.

(2)換土墊層法

將充當持力層的軟弱土層按照需要寬度與深度替換為強度高的墊層.一般選取碎石、砂、灰土、礦渣等作為回填材料.

換土墊層法的優點在于回填材料粒徑較大、性能穩定,能夠起到支撐作用且價格低廉,容易獲得.但需要保證在開挖過程中邊坡穩定性,且回填墊層需要攪拌均勻才能回填.

(3)堆載預壓法

在施工開始前對地基土體施加壓力,鋪設排水管道加速路基土體中孔隙水的排出,促進土體固結,短時間內達到承載力要求.

堆載預壓法的優點在于產生的沉降相對均勻,操作簡單,不會污染環境以及產生噪音危害,運輸方便,具有可控性.但在堆載過程中要求較為嚴格,需要大量的堆載材料,以便于控制沉降速率,同時由于需要時間使土體固結,導致工期增長.

1.2 化學加固

相對于物理加固法施加機械力改變土體性質,采用化學加固法則是使用化學劑與土體粒子間發生反應,以達到增強土體強度、固化土體的作用.化學固化劑主要成分包括有機物、無機物以及生物酶等能夠與土體顆粒發生化學反應的物質.

相對于物理加固法,采用土壤固化劑有以下幾種優勢:(1)固化效果持續有效.固化劑中的有效粒子與土粒在水的作用下可以持續發揮作用,達到長期固化的效果.(2)具有良好的抗凍性能.軟弱土本身具有較高的含水率,氣溫較低時容易發生凍脹危害,摻入固化劑后,有效降低土體中自由水含量,提高土體抗凍性能.(3)經濟效益明顯.不需要大量碎石材料,同時有效利用原位土體,避免造成二次運輸,降低成本.且不會對工期造成過大影響.

2 試驗方法

2.1 土體無側限抗壓強度試驗

本試驗通過控制試驗變量,分別分析PO42.5水泥對軟土地基的固化作用,具體試驗方案如表1所示.

表1 無側限抗壓強度試驗結果

為便于直觀分析試驗所得數據,繪制曲線如圖1所示.

(a) 摻量對無側限抗壓強度的影響 (b) 養護齡期的無側限抗壓強度的影響圖1 摻量與養護時間對無側限抗壓強度的影響

由圖1(a)可知當摻量較低時,隨著養護齡期的增大,土體強度先增大,而后下降.分析原因,發現隨著養護齡期增加,固化劑逐漸與土顆粒反應完全,由于摻量較低,沒有固化劑繼續與土顆粒發生反應,因此土體強度下降.而隨著摻量增加,固化劑能夠持續與土顆粒發生反應,使土體強度保持在較高的一個范圍.由圖1(b)可知,隨著養護齡期增長,同一摻量下土體強度增加不明顯,但隨著摻量不斷增大,土體強度不斷增加,由圖可知,摻量為9%和11%時,土體強度接近,說明摻量增加到一定程度后對軟弱土體的固化效果達到上限.

2.2 水穩定性試驗

水穩定性能夠反映路基土體的耐久性.試驗將摻入PO42.5水泥固化劑的改良固化土浸水后測試無側限抗壓強度,將試驗所得數據整理表格如表2所示.

表2 浸水后抗壓強度及水穩定系數

為便于直觀分析試驗所得數據,繪制曲線如圖2所示.

(a) 養護齡期對強度的影響 (b) 養護齡期對水穩定系數的影響圖2 浸水后土體強度試驗研究

分析曲線發現,相同養護齡期下,摻量越大,浸水強度與水穩定性系數越大.相同摻量下,隨著養護齡期增加,浸水強度與水穩定性系數增大.

3 結 論

采用控制變量法,分析PO42.5水泥固化劑在不同影響因素下以及浸水后固化土的強度和水穩定性系數,通過曲線對比圖分析,得到以下結論:

(1)隨著養護齡期增大,固化土效果有所增強,但當摻量較小時,養護齡期增大反而會降低土體強度.

(2)改良后土體強度隨著摻量增加不斷增大,但當摻量增加到9%,再增加摻量時土體強度增量降低,故存在最優摻量.

(3)隨著摻量增大,養護齡期增加,浸水后固化土強度增加,水穩定性系數增大.