白蘭蘭， 崔起航， 洪 雷， 李 杰， 彭 劼

（1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210019； 2.河海大學(xué)，南京 210024）

由于東南地區(qū)軟土分布廣泛，在城市道路建設(shè)過程中，往往會遇到較多的軟弱地基，一般都是力學(xué)性能較差的淤泥、黏土等，其工程性質(zhì)差、顆粒細(xì)小、黏粒和有機(jī)質(zhì)含量高，滲透系數(shù)低. 相當(dāng)一部分工程是將軟弱土開挖廢棄后進(jìn)行換填，開挖土方被廢棄于拋填區(qū)、低洼地區(qū)，不可避免地占用一定的土地資源甚至對拋泥區(qū)域產(chǎn)生污染. 在我國近年來大力提倡綠色、環(huán)保、節(jié)能發(fā)展的背景下，將道路工程中的軟弱開挖土方進(jìn)行資源化、無害化利用，成為急需解決的工程和社會問題.

開挖土方資源化利用的重點是降低含水率和提高強(qiáng)度. 目前資源化利用和處理這類軟土的方法主要有脫水、燒結(jié)、土工管袋、固化等［1-4］. 其中脫水法主要適用于含水率超高的疏浚淤泥初次處理，一般情況下，離心脫水機(jī)可將淤泥含水率降低至70%，對道路工程而言并不適用［5］. 燒結(jié)法是通過熔融和燒結(jié)的方法去除軟土中過量的水分并將淤泥中的黏土礦物高溫改性，可以將軟土處理為陶?；驘拼u瓦來使用［6-7］，這種方法能耗大、處理量有限. 土工管袋是將需要進(jìn)行脫水作業(yè)的淤泥填充到土工袋中，然后填入土工袋中的淤泥在自身重力的作用下，水分從土工袋的微小空隙中滲透出來，實現(xiàn)泥水分離，但該方法也主要適用于含水率超高的土體［8-9］. 固化方法是在土體中添加土壤固化劑，固化劑能夠直接膠結(jié)土體顆粒或能夠與黏土礦物反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)，從而改善和提高土體力學(xué)性能. 固化處理方法最早用于有毒廢棄物的處理，后在地基處理中經(jīng)常被采用. 對城市道路路基軟土而言，待處理土體的含水率介于25%～60%之間，固化法是較合適的資源化處理方法［10-14］. 已有學(xué)者對固化法進(jìn)行相關(guān)研究，并有不少應(yīng)用，但目前國內(nèi)外已有的淤泥固化處理案例主要集中在河道整治、堆場處理以及廢棄土方二次利用［15-17］等應(yīng)用領(lǐng)域，在高等級道路工程中的應(yīng)用尚不多見.

原位固化方法是指無須開挖軟土，直接對原位軟土進(jìn)行固化處理，從而達(dá)到固化、利用軟土的方法. 張浩蒼用兩種就地拌和專用工程機(jī)械進(jìn)行了原位固化，這兩種機(jī)械的工作原理類似于攪拌樁施工機(jī)械，屬于低速切割拌和［18］. 近年來就地強(qiáng)力攪拌得到了較廣泛的關(guān)注和應(yīng)用. 就地強(qiáng)力攪拌是指使用專門的強(qiáng)力攪拌頭，其高速切割、拌和土體，能夠得到優(yōu)于普通拌和機(jī)械的加固效果. 就地強(qiáng)力攪拌法使用固化材料對軟弱地基淺層進(jìn)行固化處理，使其形成表面板體，亦可稱作“人工硬殼層”，是滿足使用要求的施工方法. 該方法可直接對地基土進(jìn)行固化處理，處理深度可達(dá)6 m左右，無須分層填筑［19-21］. 采用水泥、石灰等材料與土中的礦物成分和水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生膠凝物質(zhì)，導(dǎo)致形成的硬殼層具有一定的剛度，從而提高整體的地基承載力. 該方法的固化劑主要是水泥+少量穩(wěn)定劑，可根據(jù)實際地質(zhì)情況增加粉煤灰、石灰或石膏等，該方法固化劑摻入比一般在5%～7%左右，加固后地基承載力可提高到200 kPa以上.

本文針對現(xiàn)場長江漫灘區(qū)的典型軟土，開展了室內(nèi)固化配比及原位固化現(xiàn)場試驗，研究了原位固化方法在高等級快速路軟土路基中的效果，對國內(nèi)類似工程具有重要的參考意義.

1 室內(nèi)固化配比實驗

圖1 現(xiàn)場河塘分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of on-site river pond distribution

擬建項目為城市快速路，位于南京市江北新區(qū)，沿線河塘密布，如圖1 所示. 如前所述，傳統(tǒng)做法工序繁瑣，周期較長，本項目河塘挖除淤泥達(dá)18.6 萬m3，且江北新區(qū)附近無棄土場，棄土距離將達(dá)到30 km，傳統(tǒng)做法的造價較高. 而棄方堆放還將占用土地資源，污染環(huán)境，因此，針對本項目，開展直接就地資源化處置方案研究，十分必要.

現(xiàn)場的河塘區(qū)抽水后，塘底淤泥暴露為地表，該層淤泥厚度在3.0～4.0 m，取樣時發(fā)現(xiàn)河塘區(qū)淤泥含水量差異較大，含水量在40.9%～64%之間，力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示.

表1 土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical and mechanical properties of soil

由于土體過軟，現(xiàn)場動力觸探無法得到初始地基承載力結(jié)果，由十字板剪切試驗測得的地基承載力特征值平均為35.6 kPa.

處理的主要目的為滿足后期攪拌樁施工作業(yè)平臺要求，因此要求處置后承載力特征值fak≥100 kPa.同時考慮到后期攪拌樁施工時土體不宜過硬，因此處理后的承載力不超過200 kPa.

固化劑選擇了水泥和礦渣微粉，水泥采用海螺牌PO 425硅酸鹽水泥，礦渣微粉即磨細(xì)水淬高爐礦渣粉，也是一種常用的工業(yè)廢料產(chǎn)品，本研究采用S95礦渣微粉. 固化劑的配合比如表2所示. 固化劑以漿劑（水灰比1∶0.6）的形式與原狀土進(jìn)行混合攪拌，并在1 h內(nèi)制成無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，如圖2所示. 然后放入恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度（20±3）℃，相對濕度大于95%，養(yǎng)護(hù)7、14、28 d后分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓試驗，每個試驗均有3個平行樣，得到改良后的土體強(qiáng)度平均值. 具體試驗結(jié)果見表3.

表2 原位固化室內(nèi)實驗配合比方案Tab.2 Proportioning schemes of in-situ solidification laboratory experiment 單位：%

由固化土強(qiáng)度估算地基承載力按照Skempton 極限承載力公式計算：

圖2 固化土室內(nèi)試驗土樣Fig.2 Soil samples for laboratory test of solidified soil

將按照Skempton 公式估算的地基承載力極限值除以2，可得到地基承載力特征值fak，再考慮現(xiàn)場試驗強(qiáng)度值相對于室內(nèi)試驗強(qiáng)度值有所折減，折減系數(shù)取0.7. 從而得到表3中的現(xiàn)場試驗地基承載力值.

表3 固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu 及換算地基承載力fuTab.3 The uncofined compressive strength qu of solidification soil and the bearing capacity fu of foundation through converting 單位：kPa

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，水泥對淤泥固化有較好的強(qiáng)度提高作用，隨著水泥摻量的提高，河塘淤泥改良后強(qiáng)度逐漸提高，如圖3所示. 礦粉對強(qiáng)度提高有一定的作用，但在初期較水泥稍弱，到后期強(qiáng)度增長顯著，分析其主要原因為礦粉的水化速度和強(qiáng)度發(fā)展速度比水泥要緩慢. 從室內(nèi)試驗的結(jié)果看，采用的配合比方案均能滿足承載力≥100 kPa的要求.

同時，對比數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)水泥摻量超過7%之后，固化強(qiáng)度將超過200 kPa，不利于后期攪拌樁施工，且過高的水泥摻量經(jīng)濟(jì)性較差，因此現(xiàn)場固化劑摻入比例建議控制在5%～7%之間.

圖3 不同水泥摻量對應(yīng)河塘土的強(qiáng)度變化Fig.3 Strength changes of river pond soil with different cement contents

圖4 不同含水量對固化效果影響Fig.4 Effect of different water contents on curing effects

從表3中結(jié)果可以看出，在相同配合比條件下，含水量越小，固化后強(qiáng)度越高，如圖4所示. 由于現(xiàn)場河塘含水量差異較大，不同河塘應(yīng)采用復(fù)測含水量，當(dāng)現(xiàn)場含水量超過64%時，應(yīng)重新進(jìn)行摻量試配.

2 現(xiàn)場原位固化試驗

2.1 國產(chǎn)強(qiáng)力攪拌設(shè)備

要確保固化效果，固化劑和土壤的充分、均勻混合是關(guān)鍵. 以往工程中常用的水泥攪拌設(shè)備的混合、切割土體，屬于低速切割拌和［15］. 近年來強(qiáng)力攪拌設(shè)備得到了較廣泛的關(guān)注和應(yīng)用. 強(qiáng)力攪拌是指使用專門的強(qiáng)力攪拌頭，其高速切割、拌和土體，能夠得到優(yōu)于普通拌和機(jī)械的加固效果. 產(chǎn)自芬蘭的ALLU PMX強(qiáng)力攪拌頭是常見的設(shè)備，其具有攪拌速度快、加固效果均勻的優(yōu)點，但是也存在價格超高、維修麻煩等不足.基于類似的工作機(jī)理，本單位聯(lián)合山東某機(jī)械廠研制了專用的強(qiáng)力攪拌頭，如圖5所示. 該系統(tǒng)由強(qiáng)力攪拌頭、挖掘機(jī)、固化劑供料系統(tǒng)和儲料設(shè)備以及控制系統(tǒng)等組成. 該系統(tǒng)通過供料控制系統(tǒng)控制進(jìn)料及輸料，將后臺料倉內(nèi)的固化劑混合后通過安裝于挖掘機(jī)上的強(qiáng)力攪拌頭的漿噴裝置輸出，在攪拌頭的強(qiáng)力攪拌下，將輸出的固化劑與土體均勻拌和，達(dá)到原位固化的目的.

圖5 強(qiáng)力攪拌頭示意圖Fig.5 Self-developed powerful stirring head

2.2 現(xiàn)場試驗方法

結(jié)合室內(nèi)試驗結(jié)果，現(xiàn)場河塘區(qū)試驗段采用了6種配合比，具體配合比摻量如表4所示. 每個試驗區(qū)塊大小均為3 m×6 m，處理深度為1.5 m. 如圖6所示.

表4 原位固化現(xiàn)場試驗處理方案表Tab.4 In-situ solidification field test treatment plan table 單位：%

施工過程中按照既定的固化方案進(jìn)行固化劑的調(diào)配，用強(qiáng)力攪拌頭將固化劑均勻混入土中，其在平面及深度方向的施工方式如圖7 所示［22］. 施工后待其形成一定強(qiáng)度后，再利用推土機(jī)等機(jī)械進(jìn)入場內(nèi)整平其表面，為后續(xù)的施工做準(zhǔn)備.

2.3 加固效果

1）輕型動力觸探

原位固化處理前，河塘底部淤泥承載力較差，動力頭可輕易陷入泥中，輕型動力觸探第二擊觸探深度已達(dá)1 m，如圖8所示. 原位固化處理后3 d，輕型動力觸探試驗結(jié)果顯示，固化處理后的地基承載力在0.4～1.5 m深度內(nèi)，已超過100 kPa，滿足進(jìn)一步施工機(jī)械的承載力要求，如圖9所示.

圖6 現(xiàn)場試驗區(qū)示意圖Fig.6 Field test area diagram

圖7 原位固化的推進(jìn)及攪拌方式示意圖Fig.7 Schematic diagram of the in-situ solidification process

圖8 處理前的河塘土Fig.8 River pond soil before treatment

圖9 處理后的河塘地基Fig.9 River pond soil after treatment

在現(xiàn)場試驗完成第4 d、第7 d 及第12 d 進(jìn)行了輕型動力觸探試驗，承載力換算如式（2）所示：

式中：fa為換算的地基承載力特征值；N10為輕型動力觸探的10 kg錘貫入土中30 cm時的錘擊數(shù).

本次試驗段加固深度為1.5 m，得到的承載力如圖10所示. 各方案中，除水泥4%+礦粉2%的方案外，其余方案處理后土體換算承載力均超過了100 kPa. 總體規(guī)律是純水泥方案好于水泥+礦粉方案，隨著水泥含量增加，水泥+礦粉的加固效果逐漸增加. 純水泥方案隨著水泥摻量增加，強(qiáng)度逐漸提高.

2）十字板強(qiáng)度

在現(xiàn)場試驗完成第7 d及第12 d進(jìn)行了十字板剪切試驗，試驗深度為地表下30～40 cm處.由十字板試驗強(qiáng)度換算成承載力的方法為Skempton極限承載力公式，如式（1）所示.

將按照Skempton公式估算的地基承載力極限值除以2，可得到地基承載力特征值fak，得到表5中的十字板強(qiáng)度及估算的地基承載力值. 圖11為加固前后地基承載力的對比. 從十字板試驗結(jié)果可知，各試驗區(qū)的強(qiáng)度規(guī)律跟動力觸探結(jié)果的總體規(guī)律基本一致：純水泥方案好于水泥+礦粉方案，隨著水泥含量增加，強(qiáng)度逐漸提高，甚至超過了200 kPa，后續(xù)施工中要注意控制不宜過大，避免攪拌樁施工困難.

圖10 各試驗區(qū)處理厚度范圍內(nèi)平均承載力Fig.10 The average bearing capacities within the treatment range

表5 十字板剪切試驗結(jié)果Tab.5 Results of cross plate shear test 單位：kPa

圖11 十字板剪切試驗得到的地基承載力變化Fig.11 Changes of foundation bearing capacities obtained by cross plate shear test

3）含水率

試驗后在第7 d 取樣做了含水率試驗，取樣深度為0.2～0.5 m，得到的處理后土的平均含水率如圖12 所示. 該區(qū)域初始含水率為76%，在處理后含水率有較大幅度的下降.

圖12 處理前后土體含水率變化Fig.12 Changes of soil water content before and after treatment

由現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)可知，上述處理方案中，除了4%水泥+2%礦粉方案較差外，其余方案均能滿足處理后承載力高于100 kPa的要求. 結(jié)合現(xiàn)場試驗段實施效果，考慮到實施難度以及南京地區(qū)實際材料價格，建議在今后的大規(guī)模應(yīng)用中，水泥摻量5.5%左右，即每方摻入100 kg水泥即可.

該建議方案的經(jīng)濟(jì)性分析如表6所示，該建議方案造價約每方114.05元，較傳統(tǒng)處理方案即開挖+換填每方節(jié)約造價約55.7元，預(yù)計經(jīng)濟(jì)總共節(jié)約1036萬元，且可節(jié)約大量的土地資源和土方資源，環(huán)保效益更高.

表6 原位資源化推薦方案造價估算表Tab.6 Cost estimation table of in-situ resource recommendation scheme

3 結(jié)論

本文結(jié)合南京橫江大道河塘路基處理工程，在現(xiàn)有淤泥固化技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合強(qiáng)力攪拌頭，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，研究了原位固化技術(shù)在城市快速路清淤填塘項目中的應(yīng)用，得到了如下結(jié)論.

1）通過室內(nèi)試驗，可知4%～7%水泥及水泥結(jié)合礦粉固化改良方案可以滿足路基處理承載力要求.

2）通過現(xiàn)場試驗段施工，驗證了實驗室推薦配合比，并驗證了經(jīng)過水泥、礦粉等固化處理后，承載力滿足設(shè)計要求，場地可滿足后期施工要求. 經(jīng)濟(jì)性分析表明，原位資源化利用的經(jīng)濟(jì)性也較好，較傳統(tǒng)工藝節(jié)約30%左右的投資，且更利于環(huán)保節(jié)約.

3）強(qiáng)力攪拌頭實際應(yīng)用能夠滿足類似工程的需求. 本項目提出的道路原位資源化利用技術(shù)，可用于高等級道路的清淤填塘項目，對于后期類似項目也有較好的參考價值，有較好的推廣意義.