郭逾冬

（招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司,重慶 400067）

雜填土路基通常大范圍聚集性出現(xiàn),不僅雜填成分復(fù)雜,且填充物質(zhì)在不同時間不同地點隨意堆放自然形成,因此與一般路基相比,對其進行處理時有較大難度。采用不同的加固處理方式對同一場地的雜填土路基進行處理后,加固效果也往往各不相同[1]。如何根據(jù)雜填土路基的實際情況選用合適的處理方式,使路基性能滿足要求。本文介紹常用的幾種雜填土路基處理方式,闡述其原理、方法、適用范圍、特點,并結(jié)合實際工程項目,將室內(nèi)物理- 化學(xué)處理與現(xiàn)場機械加固相結(jié)合,達到技術(shù)可行、經(jīng)濟合理的目的。

1 雜填土處理及加固措施

1.1 CFG 樁加固

在制作CFG 樁時,一些常見的無機結(jié)合料,如水泥、碎石、粉煤灰等是制作CFG 的主要材料。將上述材料加水拌合,再經(jīng)專業(yè)化機械設(shè)備成樁制作,通常還要經(jīng)過一定時期的養(yǎng)生,即可形成具有一定強度的樁身柱體。

CFG 樁對雜填土的加固主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1） 樁體作用 首先,樁體由碎石等強度較高的材料制作而成,能有效提高雜填土路基的強度,能夠顯著增強樁間土體的抗液化能力,對雜填土的其他性能也能起到良好的改善作用。其次,CFG 樁加固技術(shù)是將強度相對較大的CFG 樁柱體埋入雜填土路基中,將原有雜填土路基中的低強度雜填土“擠壓”出去,即用高強度樁體置換低強度雜土。埋入CFG 樁的土基較之原來的雜填土路基,強度更高,模量更大,也能承擔(dān)相對更多的荷載。

（2） 振動擠密作用 將CFG 樁管體埋入路基時,機械設(shè)備作業(yè)時會帶動施工區(qū)域的土地以一定頻率振動,原本的樁間土不斷受到擠壓,土顆粒等不斷受到壓縮,土體的密實度不斷提高,其壓縮模量和強度也相應(yīng)得到改善。

（3） 樁對土的約束作用 當(dāng)上部荷載作用在樁間土?xí)r,在樁體的限制下,其橫向變形較之未填埋CFG樁時減少,整個復(fù)合地基的縱向變形相應(yīng)減少,復(fù)合地基的承載力增強,抗沉降抗變形能力提升。

（4） 褥墊層作用 褥墊層存在于路基與“樁- 樁間土”組成的整體之間,主要起到應(yīng)力緩沖作用。當(dāng)有外力作用在上部結(jié)構(gòu)時,“樁- 樁間土”組成的整體會承擔(dān)一部分荷載,另一部分荷載經(jīng)褥墊層傳遞給地基。

褥墊層一般由碎石和砂組成,其中,砂的最大粒徑不能超過30 mm。

（5） 加速排水固結(jié)作用 當(dāng)CFG 樁加固技術(shù)應(yīng)用于飽和砂土或者細顆粒粉土土基時,CFG 樁能起到加速排水固結(jié)的作用。一方面,CFG 樁在施工時不斷振動,對周圍土體產(chǎn)生擠壓作用。在這種振動擠壓下,周圍土地因外力作用逐漸產(chǎn)生超孔隙水壓力,促使土體中的水分經(jīng)由裂隙排出,從而導(dǎo)致路基排水固結(jié)速度加快,詳情見圖1。另一方面,CFG 樁體一般由碎石、粉煤灰等粗骨料構(gòu)成,在水泥完全硬化之前,顆粒間存在不少縫隙,構(gòu)成良好的排水通道。路基中的水分經(jīng)由樁體內(nèi)的排水通道排出,路基排水固結(jié)速度加快,如圖2所示。

圖1 CFG 樁復(fù)合地基排水固結(jié)示意圖

圖2 CFG 樁復(fù)合地基承載力示意圖

1.2 水泥加固處理

用水泥加固雜填土路基,主要靠水泥中的主要熟料與土路基中的水及鹽類離子發(fā)生水解水化反應(yīng)得到的產(chǎn)物[2]。水化物進一步發(fā)生膠結(jié),促使路基強度提升。用普通硅酸鹽水泥加固雜填土路基,主要反應(yīng)如下：

硅酸三鈣在水泥加固雜填土中起最主要的作用,其反應(yīng)方程式如下：

產(chǎn)物之一的硅酸二鈣是反應(yīng)后期的主要強度來源：

鋁酸三鈣初凝速度最快,起到加快水泥早凝的作用：

因氫氧化鈣的過飽和程度降低的速度與水泥中堿性物質(zhì)的含量及堿的溶解速度呈正相關(guān),土質(zhì)的不同也影響著水泥加固土的效果。當(dāng)粘性土塑性指數(shù)較大且含有較多的粉粒、粘粒且粘性土?xí)r,氫氧化鈣會先與粉粒、粘粒發(fā)生作用,降低土體的PH 值,使得水泥水化物的硬化速度變慢。

水泥加固土具有強度高,穩(wěn)定性好,結(jié)構(gòu)抗水性能好,抗凍性良好等特點。由于水泥加固土施工工藝簡單、抗?jié)B性能優(yōu)良、外觀美觀、穩(wěn)定性好,其在工程中應(yīng)用范圍廣泛,常見并不止于不良土體加固、基坑支護、河道護坡、水池護壁等。

1.3 石灰加固處理

將石灰加入土中后,石灰與土中的水分發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng),離子交換作用下土顆粒發(fā)生膠結(jié),析出晶體；Ca (OH)2發(fā)生結(jié)晶作用生成結(jié)晶網(wǎng)格；Ca(OH)2發(fā)生碳化作用變成強度更高的碳酸鈣；火山灰作用下生成鋁酸鈣等膠結(jié)物；再加上養(yǎng)生,石灰加固土的強度逐漸提高[3]。這個過程中主要發(fā)生的反應(yīng)如下：

（1） 離子交換作用 石灰在水中或強堿環(huán)境中會解離出二價鈣離子,土顆粒中含有鈉、氫、鉀（N+、H+、K+）等低價陽離子的礦質(zhì)離子。將石灰加入土中,高價鈣離子與低價鈉、氫、鉀（N+、H+、K+）進行離子交換,而吸附性與離子的價位成正相關(guān),因此土顆粒膠體的吸附層降低,膠結(jié)作用發(fā)生。土顆粒逐漸匯聚在一起形成團粒,較之原來的土顆?？障督档兔軐嵍忍岣?從而實現(xiàn)增強土體強度和穩(wěn)定性的目的。

（2） 結(jié)晶作用 用石灰加固土?xí)r,當(dāng)Ca(OH)2達到飽和狀態(tài)時會發(fā)生結(jié)晶作用,生成生石灰結(jié)晶網(wǎng)格。這一過程的化學(xué)反應(yīng)式為：

石灰與土體中的活性礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成足夠多的水化產(chǎn)物是結(jié)晶作用的前提。隨著化學(xué)反應(yīng)的持續(xù)進行,這些水化產(chǎn)物的含量增多。水化產(chǎn)物達到一定濃度后,發(fā)生結(jié)晶作用,產(chǎn)生的結(jié)晶并作為一層“保護膜”附著在土顆粒周圍。晶體保護膜對增強土體強度起到重要作用：一方面填充了土顆粒間的空隙,使土體更加密實,提升了土體強度；另一方面阻止外來水分深入土顆粒中,提升了土體水穩(wěn)定性。遺憾的是這個過程進行的非常緩慢,當(dāng)土體需要快速加固時僅依靠結(jié)晶作用是不可行的。

（3） 火山灰作用 石灰的加入將原有土體中的酸堿度逐漸改變,土體環(huán)境變?yōu)閺妷A性。在強堿狀態(tài)下,土體內(nèi)部的活性礦物質(zhì)粒子,如氧化硅、氧化鋁等,逐漸發(fā)生化學(xué)變化,其反應(yīng)式如下：

從上述反應(yīng)式中不難發(fā)現(xiàn),火山灰作用需消耗土體中的水分。因為發(fā)生了火山灰作用,用石灰處理雜填土,不僅能夠加強強度和承載力,還能賦予土體一定的水硬性。

（4） 碳化作用 碳酸化的化學(xué)反應(yīng)式為：

產(chǎn)物之一的碳酸鈣（CaCO3）本身硬度大,能和土中其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成復(fù)雜鹽類,而且復(fù)雜鹽類又能繼續(xù)和碳酸鈣一起作用,使得土粒發(fā)生膠結(jié),從而提高土體的強度,增大土體的穩(wěn)定性。

1.4 固化劑加固

在土中加入固化劑,固化劑中起到固化作用的高分子聚合物溶于土體中的水,表面活性劑和土顆粒相互吸附,土顆粒間的表面自由能降低,顆粒與顆粒間的排斥作用減小,促進土顆粒更好的凝聚在一起,使得土體的強度與水穩(wěn)性逐漸增強。因上述作用,經(jīng)過固化劑加固的土體較之一般土體有更強的耐水性能,壓實后也不易發(fā)生土體濕陷或者塑化現(xiàn)象。

利用固化劑加固路基土?xí)r,其施工作業(yè)簡單、操作方便、經(jīng)濟效果佳,且不會對交通產(chǎn)生影響,路用性能優(yōu)良,因此具有廣泛的適用性。常見并不限于路基土加固、坡面加固、水利護坡加固等工程中。

1.5 強夯法加固

強夯法加固土體的原理相對比較簡單。即利用起重設(shè)備將夯錘提升到一定高度,然后使夯錘發(fā)生自由落體運動,利用其下落時巨大的勢能轉(zhuǎn)化成的強大沖擊能量夯實土體,以此來提升土體的強度和承載力。動力固結(jié)理論多用于加固飽和土。因為理論上認為飽和土是土顆粒周圍被液體填滿的土體[4],用強夯法加固時,隨著夯錘的不斷夯擊,土體的超孔隙水壓力逐漸增大,增大到一定程度時,土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞并形成放射狀裂隙（詳見圖3）。土顆粒的孔隙水沿著這些裂隙排出,土中水壓力逐漸消散,土體快速固結(jié),密實度增加。

圖3 強夯作用下產(chǎn)生的排水

2 雜填土處理與加固方法的可行性分析

某旅游公路先后穿過三個雜填土路基的區(qū)域,其中占地面積最大的一片區(qū)域近似為邊長35 m 的正方形。經(jīng)過實際勘察,發(fā)現(xiàn)路基中含有雜草、煤渣等多種工業(yè)垃圾、陶瓷磚瓦碎片等建筑垃圾、塑料布條等生活垃圾,成分復(fù)雜且不易降解,土質(zhì)疏松,壓塑性高[5],是典型的雜填土路基。根據(jù)上述實際,綜合考慮幾種常用的雜填土處理方法,分析如下：

（1） 若采用CFG 樁加固土體,樁體需要事先在預(yù)制工廠完成預(yù)制、養(yǎng)護后再運送至施工場地。這會產(chǎn)生如下幾方面的不利因素：一是施工周期相對較長。澆筑樁身的混凝土需養(yǎng)護至強度達標(biāo),需要一定時間。二是成本相對較高。工地周邊區(qū)域沒有滿足要求的預(yù)制工廠,從別處預(yù)制好樁體后運輸?shù)绞┕龅?運輸費用高。三是施工場地不滿足要求。沉樁施工需要較大范圍的施工作業(yè)面,而工程實地被夾在東側(cè)10 m 遠的河道與西側(cè)的雜填坑之間,作業(yè)面小,施工場地嚴重受限,無法滿足沉樁作業(yè)要求。因此,CFG 樁加固方法不適用于該工程。

（2） 若采用水泥、石灰或者固化劑加固,三種材料各有優(yōu)勢。水泥加固土具有較高的強度和承載力、較好的穩(wěn)定性和整體性,適用范圍廣；石灰加固土抗壓強度和板體性相對較高,剛性和荷載分布能力較大,水穩(wěn)性好,施工方便；固化劑加固土水穩(wěn)性好,強度高,成本低,節(jié)能效果好。鑒于上述因素,考慮將上述三種材料用于雜填土加固。

（3） 強夯法在這一施工場地中具有很大的優(yōu)勢：能夠提升路基的強度和承載能力,施工機具簡單,節(jié)約材料,成本較小。施工場地遠在郊區(qū),施工時產(chǎn)生的噪音和振動也不會打擾到居民,場地也適合強夯作業(yè)。但是強夯法不能處理雜填土中的有機質(zhì)。

綜合考慮多種加固處理方法,確定采用“固化材料+強夯”的方法對項目中的雜填土路基進行處理加固。

3 雜填土處理與加固方法的確定

鑒于雜填土路基成分復(fù)雜、污染物多且土質(zhì)疏松、承載力差等特點,對其進行加固處理時,應(yīng)首先將樹枝、雜草、布料、塑料等不宜作為路基填筑材料的成分清理出去,然后盡可能碾碎其中的大顆粒土。若雜填土路基中含有大塊碎石類土、建筑生活垃圾土或工業(yè)廢料土,優(yōu)先考慮強夯法。其次采取合適的方法對對雜填土進行固化。綜合考慮水泥、石灰、固化劑等材料的特性,結(jié)合工程實際,并進行物理力學(xué)性能試驗,設(shè)置對照組,確定最佳的加固材料及最優(yōu)的配合比,使得加固土體密實度增加的同時,不均勻性和高壓縮性得以減小甚至完全消除。最后本文在綜合考慮多種加固處理方法的基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實際,創(chuàng)造性的采用“固化材料+強夯”的方法,在加固雜填土滿足性能要求的前提下,又可以簡化施工、節(jié)約成本。有效避免傳統(tǒng)單一采用摻灰加固或強夯法的弊端[6]。

4 結(jié)論

綜上,本文主要闡述了五種常用的雜填土處理加固方法,分析了它們的加固原理、適用范圍和優(yōu)缺點。結(jié)合實際工程,對各種方法進行綜合分析,最終確定以一定配比的水泥、石灰、固化劑組成的材料進行室內(nèi)雜填土的加固,并結(jié)合強夯加固方法對雜填土路基進行加固。