尹博鑫 王正君 李嘉昊 賈明霖

（黑龍江大學(xué) 寒區(qū)水利工程重點實驗室水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

由于現(xiàn)代經(jīng)濟的迅速發(fā)展，人們生活水平顯著提高，對交通造成的負(fù)擔(dān)越來越重，同時人類社會活動對自然環(huán)境造成一定破壞，導(dǎo)致災(zāi)害頻發(fā)且愈發(fā)嚴(yán)重。早在2009年就有因為道路地基不穩(wěn)而造成的嚴(yán)重鐵路交通事故，近年來也報道不少因暴雨導(dǎo)致路基失穩(wěn)造成的令人痛心的新聞，為了盡可能避免悲劇再度發(fā)生，對道路地基穩(wěn)定性的研究愈加重要。

1 道路地基填土及改良方法

道路地基簡稱路基，是保證列車及交通運營的重要前提。土是道路地基中最常見的物質(zhì)，具有開采容易、可塑性強、具有一定強度的特點，但由于土的形成位置不同，內(nèi)部存在多種不同的主要礦物成份，土的形狀和級配也具有明顯差異，這些都對填土性質(zhì)有不同程度的影響。當(dāng)土壤的地質(zhì)情況比較好或可以承受一定的負(fù)荷時，即可使用自然地基；但如果土壤地質(zhì)情況較差或所要承擔(dān)的負(fù)荷過大時，就必須人為來強化地基，這種就叫人工地基。有效地對填土性質(zhì)進(jìn)行改良已經(jīng)成為國內(nèi)外研究正在進(jìn)行的的重要課題，目前人工加固道路地基已有多種方法，比如：預(yù)壓法、換填法、深層攪拌法等。

2 道路地基填土的改良物質(zhì)

本文主要討論深層攪拌法中的加固劑，簡單說這種方法就是將加固劑和土體攪拌在一起，送達(dá)特定的位置，以實現(xiàn)改良加固目的。加固劑種類有很多，下面對其中幾種常見物質(zhì)展開初步分析。

2.1 水泥

水泥是水、硬性無機膠凝材料按照一定比例制成的，具有良好的塑性，是工程上常見的加固劑。黃新等認(rèn)為填土性質(zhì)被改良主要是由于水泥的硬化膠結(jié)作用，同時素土的物理性質(zhì)和改良工藝也會對加固效果產(chǎn)生影響。羅明亮等依托深圳機場擴建項目，在施工中分別添加不同含量的水泥和碎石進(jìn)行現(xiàn)場試驗（試驗結(jié)果如表1、圖1）。表明水泥含量越高，反應(yīng)模量測量值越大，水泥摻量10%、碎石摻量20%時反應(yīng)模量最大；抗壓強度隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加而增加。

表1 地基承載力結(jié)果

圖1 無側(cè)限抗壓強度結(jié)果對比

Ahmed Farouk針對水泥水灰比對改良土強度的影響展開研究，得出混合土抗壓強度隨水灰比的增加而降低，并且與水泥的劑量存在指數(shù)關(guān)系 （如圖2）：Q=1.175 e（Q為7d的無側(cè)限抗壓強度、CD為水泥用量）。

圖2 水泥用量與7d抗壓強度的指數(shù)關(guān)系

上述論述說明水泥可以極大程度改良路基填土，提高填土的穩(wěn)定性和抗壓強度，針對水泥的理論研究相對完整，目前已被大量應(yīng)用到實際工程中。但在應(yīng)用水泥時存在如下缺點：1）生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生能造成溫室效應(yīng)的CO，對環(huán)境造成不利影響；2）水泥的耐熱、耐腐蝕性比較差，在填土中加固時間可能較短；3）水泥水化熱較高，可能會產(chǎn)生溫度應(yīng)力導(dǎo)致裂縫的形成，影響地基的穩(wěn)定性。

2.2 石灰

石灰主要由兩種物質(zhì)組成，一種是生石灰，一種是熟石灰。謝長征闡述了利用石灰進(jìn)行填土改良的原理：1）離子間的交換作用，能降低結(jié)合水的含量，提高早期強度；2）.石灰遇水生成氫氧化鈣、氫氧化鎂，與空氣中的二氧化碳反應(yīng)會生成碳酸鈣、碳酸鎂，這類物質(zhì)具有的強度較高，會使填土的穩(wěn)定性有所提升；3）膠凝反應(yīng)，反應(yīng)生成的化學(xué)物質(zhì)在水環(huán)境中發(fā)生硬化，在填土外圍形成保護(hù)膜，并且具有很強的粘結(jié)力，可以保持填土長期穩(wěn)定性；4）結(jié)晶，氫氧化鈣在水中的溶解度不高，會以晶體形式析出，減小了土粒間的空隙，進(jìn)一步提高了填土的強度。石靜利用石灰對膨脹土路基進(jìn)行加固改良，依據(jù)不同的摻灰率對改良土體的膨脹收縮性能進(jìn)行試驗，得到最佳的改良效果 （如表2）。試驗結(jié)果表明石灰在一定摻量范圍內(nèi)對土體有改良作用，超過6%后，反而有不利影響；對改良土進(jìn)行一定時間養(yǎng)護(hù)才能避免填土產(chǎn)生的較大變形。

表2 摻灰率、齡期的膨脹、收縮試驗

Bisrat Gissil等對分散土路基改良，進(jìn)行了承載比和無側(cè)限抗壓強度試驗，并且對不同養(yǎng)護(hù)天數(shù)、不同摻灰率的改良填土根據(jù)ASSHTO分類系統(tǒng)進(jìn)行了評估。結(jié)果表明改良填土的承載力和穩(wěn)定性會隨著摻灰率、養(yǎng)護(hù)時間的增加而提高；當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為7～14d時，摻灰率的最佳比為7%～9%，這時路基質(zhì)量由一般至稀疏變?yōu)閮?yōu)至良。

石灰也已經(jīng)被投入到實際工程中，在工程中得到的負(fù)面反饋如下：1）干縮即溫縮特征顯著，會導(dǎo)致下層開裂；2）抗拉強度較低；3）塑性指數(shù)較小，導(dǎo)致穩(wěn)定性較差；4）石灰對人的健康會產(chǎn)生一定影響。

2.3 微生物

微生物本身來源于土，加在土中不會對填土有任何擾動，所以利用微生物進(jìn)行填土改良是一種經(jīng)濟、環(huán)保的方法。Jia He等解釋了微生物礦化 （MICP）加固的原理，即誘導(dǎo)方解石沉淀并在土粒之間形成連接鍵，這些連接鍵使填土的強度和剛度增強。而Aswin Lim等利用電子顯微鏡等觀察到少孢霉菌菌絲結(jié)合土壤顆粒的機理 （如圖3），菌絲就像一條繩子，將土粒 “綁在一起”，提高了填土的強度。兩種機理都可以使道路地基的穩(wěn)定性得以保證。

圖3 真菌生長演化：（A） 第1d，（B） 第2d，（C） 第3d

朱效博選擇目前使用最廣泛的巴氏牙孢桿菌對填土的改良效果進(jìn)行的研究，選取不同濃度的膠結(jié)液加固試樣，得出巴氏芽孢桿菌可以提高填土水穩(wěn)定性的結(jié)論。通過實驗可得，碳酸鈣生產(chǎn)量與巴氏牙孢桿菌添加濃度并非單純的正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)濃度為1.25mol/L，試驗結(jié)果最優(yōu)，抗壓強度達(dá)到試驗最大值1200KPa。Sabrina Marín于智利阿爾蒂普蘭諾取材并與巴氏芽孢桿菌對填土的加固作對比試驗 （如表3），結(jié)果顯示當(dāng)?shù)匚⑸锊粌H可以在極端堿性條件下生存，而且產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀比巴氏芽孢桿菌形成的更多、厚度更大，土粒之間的粘結(jié)作用更強。

表3 阿爾蒂普蘭諾與巴氏芽孢桿菌的試驗對比

目前，生物礦化技術(shù)理論研究較少，還存在一些未知。黃飛指出微生物礦化還需要研究與探索：1）副產(chǎn)物。微生物礦化可能會產(chǎn)生對人體有害的物質(zhì)；2）在實施過程中需要檢測礦化過程，保證其工程質(zhì)量及環(huán)境安全；3）注入的微生物是否能長期生存在該地填土中，能否長時間保證地基的穩(wěn)定性。

2.4 納米材料

任一維長度處于1～100nm的材料即納米材料，這是21世紀(jì)最有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N材料。王施涵采用了納米二氧化硅溶膠對土體進(jìn)行改良，實驗結(jié)果表明，摻入量很小就能顯著提高填土的承載力，而且納米二氧化硅溶膠能在土體中存活很長時間，達(dá)到長時間加固填土目的。Hamid Reza Akbari利用納米沸石代替石灰加入到改性填土中，做了單軸抗壓強度等實驗。試驗結(jié)果如圖4所示，用納米沸石代替40%石灰不僅能夠降低對人體的傷害，而且能顯著提高填土的強度，使道路地基更加穩(wěn)定。

圖4 納米沸石替代量與單軸抗壓強度的關(guān)系

Prasanna P.Kulkarni將納米二氧化硅和水泥混合，使用浸水試樣進(jìn)行承載力實驗，模擬在極端惡劣天氣對填土加固情況。結(jié)果顯示單獨加入納米二氧化硅不能提高土的承載力，而加入水泥和納米二氧化硅后承載力得到了顯著提高。在批次試驗中，納米二氧化硅具有促進(jìn)水泥水化反應(yīng)的作用；無側(cè)限抗壓強度隨水泥含量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而提高。

納米改良填土的劣勢：目前沒有廣泛應(yīng)用到實際工程中，大多數(shù)處于試驗理論階段，并且有些納米材料還具有吸附團聚、易被氧化燃燒的特點，容易對道路地基改良造成負(fù)面影響，仍然需要進(jìn)一步的研究。

2.5 纖維

纖維是一種被廣泛應(yīng)用的材料，具有經(jīng)濟、施工所用時間短、任何季節(jié)都可以使用的優(yōu)點，在土中均勻分散開后，自身的長度會讓它們形成一個個相互交錯的網(wǎng)絡(luò)，抑制填土在外部荷載作用下發(fā)生的運動。錢葉琳研究了纖維加筋土的動力響應(yīng)特性，是一種土體在經(jīng)受動荷載后的現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)動力響應(yīng)特性與土和纖維的性質(zhì)、環(huán)境因素等有關(guān)。Xiaohua Bao等使用不同的碳纖維與水泥混合進(jìn)行了多種試驗，碳纖維的長度和含量對剪切強度、法向應(yīng)力、無側(cè)限抗剪強度、軸向應(yīng)變都會產(chǎn)生影響，并且超過最佳含量或者最佳長度后，對填土的加固效果會明顯下降。戴文亭通過對使用劍麻纖維路面地基進(jìn)行的各種極端氣候條件下無側(cè)限耐壓性能測試和劈裂強度的測試（如圖5、圖6），總結(jié)出利用劍麻纖維對道路地基填土改性早期強度較高，即可以縮短施工所用時間；在極端天氣的抗凍效果和水穩(wěn)定性也較好。

圖5 齡期對無側(cè)限抗壓強度、劈裂強度的影響

圖6 凍融和浸水對無側(cè)限抗壓強度的影響

劣勢：纖維成本較高，制造過程困難而且可能會產(chǎn)生對環(huán)境有害物質(zhì)，在做報廢處理時不易降解，可能會產(chǎn)生對人體產(chǎn)生永久性傷害物質(zhì)。

2.6 廢棄物改良

現(xiàn)有資源被人類的發(fā)展消耗的越來越少，卻有不少工業(yè)、建筑、生活產(chǎn)生的廢物不能得到更好的安置，二者都會導(dǎo)致環(huán)境不同程度破壞。利用廢棄物取代需要開采、需要生產(chǎn)的材料就可以同時解決這兩個問題。粉煤灰是燃料燃燒時排出的一種細(xì)微顆粒，張小平等利用粉煤灰混合料具有易壓實、壓縮性低、滲透性好、以及強度較高特點，改善道路地基填土，得出較佳配合比為80∶20～85∶15。秸稈是農(nóng)作物成熟脫粒后剩余的莖葉部分，每年都有大量秸稈被燒，造成空氣污染。肖力光等對秸稈改良填土進(jìn)行多組試驗，結(jié)果如表4顯示，折壓比被大大提高，這說明秸稈的摻入可以顯著增強填土材料的韌性，抗沖擊性和抗裂性，而且還能維持填土內(nèi)的溫度，替代纖維在填土中的改性作用。

表4 不同秸稈量、不同齡期的折壓比情況

Muhammad發(fā)現(xiàn)稻殼灰中含有火山質(zhì)材料，通過對黏土混合石灰以及稻殼灰的承載性能指標(biāo)分析，證明稻殼灰可以改善填土的穩(wěn)定性與承載能力，使其滿足路基填土要求。MarianaTonini de Araújo利用蛋殼灰來改良膨脹土的力學(xué)性質(zhì)。蛋殼灰是蛋殼焙燒后產(chǎn)生的一種替代粘結(jié)劑，其加固土體效果也相當(dāng)可觀。

雖然目前很多廢棄物在進(jìn)行土體加固的過程中還需要其他物質(zhì)配合，但已經(jīng)在一定程度上減少了資源的再度開發(fā)。

3 結(jié)語

使用加固劑對路基填土改良已經(jīng)受到了各個國家的重視，已知可用來改良的物質(zhì)也有很多，本文僅對其中幾種常用物質(zhì)的優(yōu)缺點進(jìn)行了簡要的敘述，水泥、石灰、微生物、納米材料、纖維都可以提高路基的穩(wěn)定性和強度，但是其中最具有發(fā)展?jié)摿Φ氖菑U棄物利用技術(shù)，將目前人類的需求與發(fā)展結(jié)合起來，不但解決了人們無處安放的 “垃圾”，而且滿足人們對可持續(xù)發(fā)展的要求，減少了資源的消耗。但還需要更深一步的研究，使其能大規(guī)模投入到實際工程中去，最大程度減少資源再度開發(fā)。