白思齊

(山西裕歐優(yōu)建設(shè)工程有限公司，山西 太原 030000)

市政道路是城市的“脈絡(luò)”，可促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、科技多方面的發(fā)展。市政道路建設(shè)中可能遇到含水量高、穩(wěn)定性差等特殊地質(zhì)條件，易對(duì)市政道路建設(shè)質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響，例如淤泥路段可能因受力不均、受力過(guò)重而沉降或偏移。出于工程質(zhì)量考慮和交通安全考慮，需要探討應(yīng)對(duì)策略。淤泥固化土技術(shù)屬于市政道路軟土地基處理中的重要技術(shù)手段，對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的原理、施工要點(diǎn)、應(yīng)用方法等進(jìn)行探討具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 淤泥固化土技術(shù)的原理及優(yōu)勢(shì)

1.1 淤泥固化土技術(shù)的原理

根據(jù)淤泥特性摻入固化劑，兩者混合后發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，松散的土顆粒由反應(yīng)產(chǎn)生的膠凝性水化物膠結(jié)至一體，逐步形成結(jié)構(gòu)完整并具有較高強(qiáng)度的整體。針對(duì)淤泥及其它軟土進(jìn)行淤泥固化處理后，固化土的含水量、孔隙比均降低，強(qiáng)度、穩(wěn)定性提高，軟基的整體性質(zhì)得到改善，同時(shí)固化土的透水系數(shù)低，可避免因有害物質(zhì)溶出而引起污染。

1.2 淤泥固化土技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1)適用性強(qiáng)：在市政道路、填海等工程中均具有可行性；2)應(yīng)用效果良好：可有效解決路基含水量偏高、強(qiáng)度偏低、變形等問(wèn)題；3)便捷高效：淤泥固化土技術(shù)的應(yīng)用工序較少，可快速完成軟基固化作業(yè)，縮短軟基處理時(shí)間；4)節(jié)約環(huán)保：向淤泥中摻入固化劑后，形成的凝結(jié)硬化殼可抑制污染物質(zhì)的活性，避免嚴(yán)重的污染問(wèn)題。同時(shí)，將廢石膏、粉煤灰等作為輔助固化材料進(jìn)行使用后，在保證淤泥固化效果的同時(shí)還可發(fā)揮出工業(yè)廢料的利用價(jià)值，緩解工業(yè)廢料處理難度大、污染環(huán)境等問(wèn)題。于市政道路工程自身而言，可保證地基的穩(wěn)定性以及降低地基改良的成本[1]。

2 淤泥物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)在固化前后的對(duì)比分析

以某市政道路為例，從施工場(chǎng)地的淤泥中取樣，組織土工試驗(yàn)，測(cè)定在原始狀態(tài)下的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，具體指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 固化前淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)淤泥天然含水率高、孔隙比大等特點(diǎn)，按照水泥15%～25%、礦粉40%～50%、粉煤灰15%～20%、石灰10%～17%、石膏2.5%～5.0%、木質(zhì)素0.1%～0.3%、激發(fā)劑0.5%～1.0%(均為質(zhì)量比例)的用量制備固化劑，摻入至淤泥中做固化處理，再次檢驗(yàn)各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

表2 固化后淤泥的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

對(duì)比分析表1、表2可知：淤泥固化后，含水率、孔隙比、飽和度、液性指數(shù)、壓縮系數(shù)均降低，黏聚力、內(nèi)摩擦角增加，淤泥由流塑狀態(tài)變?yōu)榭伤芑驁?jiān)硬狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度提高。通過(guò)固化材料的應(yīng)用，將優(yōu)化土體顆粒的排列形式，土體顆粒分布更加緊密，固化劑和淤泥組成的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，能夠?yàn)槭姓缆饭こ痰慕ㄔO(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 淤泥固化土技術(shù)在市政道路軟土地基中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某地區(qū)部分市政道路經(jīng)長(zhǎng)期使用后出現(xiàn)嚴(yán)重沉降，穩(wěn)定性降低，車輛行駛時(shí)的顛簸感增強(qiáng)，并對(duì)其與周邊地塊出入口的平順銜接產(chǎn)生影響。從該地區(qū)選取3條市政道路進(jìn)行檢查，結(jié)果顯示路面標(biāo)高均發(fā)生變化，道路存在明顯的沉降。

3.2 道路土質(zhì)特性分析

1)土壤的透水性差，分布有機(jī)質(zhì)層，滲透層粘附大量氣泡；2)土壤的含水量高，且由于顆粒層和粉塵的存在，將持續(xù)吸收周邊的水分子，致使土壤的含水量進(jìn)一步提高；3)軟土地基具有流變性，對(duì)車輛荷載及其它外力的抵抗能力有限，可能由于受力過(guò)強(qiáng)而產(chǎn)生剪切力，致使軟基形態(tài)發(fā)生變化；4)壓縮性高，穩(wěn)定性不足[2]。

3.3 試驗(yàn)材料及方法

3.3.1 底泥

從市政道路的淤泥中隨機(jī)取樣，測(cè)定主要的技術(shù)指標(biāo)，結(jié)果如下：1)粒徑小于0.005mm、0.005～0.05mm、超過(guò)0.05mm的顆粒分別占32.68%、64.28%、3.04%；2)含水率59.25%；3)pH值6.99；4)有機(jī)質(zhì)含量6.18%。

3.3.2 固化劑

水泥基固化劑，原因在于此類固化劑在黏土類土壤的固化中具有可行性，可大幅提高土壤的承載性能。向淤泥樣品中摻入水泥基固化劑，測(cè)定淤泥在固化后的含水率、強(qiáng)度、承載比等物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，驗(yàn)證固化劑的可行性。研究發(fā)現(xiàn)，向淤泥中摻入水泥基固化劑后，將發(fā)生碳酸化、絮凝、火山灰反應(yīng)，淤泥的強(qiáng)度在經(jīng)過(guò)一系列反應(yīng)后顯著提高。

3.3.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1)顆粒粒徑：采用Mastersize-2000型馬爾文激光粒度儀測(cè)定；2)含水率：采用烘箱和天平測(cè)定；3)有機(jī)質(zhì)含量：采用馬弗爐測(cè)定；4)pH值：采用便攜式pH計(jì)測(cè)定；5)承載比：按照CBR值的測(cè)定方法進(jìn)行；6)壓實(shí)度：采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀測(cè)定；7)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度：采用應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀測(cè)定。

3.3.4 測(cè)定結(jié)果及分析

1)在測(cè)定淤泥固化土的最佳含水率及最大干密度時(shí)，先用風(fēng)干法將含水率調(diào)節(jié)至最佳含水率的兩側(cè)分布，再做擊實(shí)試驗(yàn)，按試驗(yàn)結(jié)果繪制擊實(shí)曲線，進(jìn)行最佳含水率及最大干密度的分析。本次試驗(yàn)共取3組淤泥土樣，實(shí)測(cè)最佳含水率分別為19.6%、17.7%、15.6%，最大干密度分別為1.88g/cm3、1.85g/cm3、1.79g/cm3。

2)經(jīng)過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)后，按照各組土樣的最佳含水率和最大干密度初步估算濕土數(shù)量，分別考慮5%、10%、15%、20%的濕土數(shù)量，確定各自的固化劑用量，向淤泥土樣中摻入不同比例的固化劑后進(jìn)行拌和，分三層置于試模內(nèi)，每置入一層后安排拉毛作業(yè)，逐層擊實(shí)。試件制備結(jié)束后，靜置24h再脫模，于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，檢測(cè)前1d浸水，檢測(cè)前將浸水試件的表面水分擦干，用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以1mm/min的加荷速度測(cè)定各組試件的抗壓強(qiáng)度。結(jié)果表明，三組試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著固化劑摻量的增加、齡期的延長(zhǎng)而提高，各組試件的強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律類似，表明固化劑對(duì)淤泥強(qiáng)度的提高有促進(jìn)作用。

3)由于各組樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果均高度相近，為精簡(jiǎn)工作量，在承載比試驗(yàn)時(shí)僅考慮其中的一組即可，試驗(yàn)結(jié)果為：固化劑添加量為5%、10%、15%、20%時(shí)，3d齡期的承載比(CBR值)分別為0.77%、1.46%、2.29%、2.86%，7d齡期的承載比分別為0.86%、1.91%、2.43%、3.29%，14d齡期的承載比分別為1.10%、2.43%、2.71%、3.71%，21d齡期的承載比分別為1.10%、2.43%、2.86%、4.29%。

從無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，在相同固化劑摻量的條件下，承載比隨著齡期的延長(zhǎng)而升高；齡期相同時(shí)，固化劑材料增加則對(duì)應(yīng)的承載比升高。按5%的添加量應(yīng)用固化劑時(shí)，固化土的承載比未達(dá)到路基承載比的要求，將摻量增加至10%以上時(shí)，承載比達(dá)標(biāo)。若以10%的固化劑摻量進(jìn)行淤泥固化作業(yè)，為確保承載比的合理性，需要連續(xù)養(yǎng)護(hù)至少14d，此齡期或更長(zhǎng)齡期的承載比才可滿足要求[3-4]。

3.4 固化劑摻量的確定

市政道路路基施工中，抗壓強(qiáng)度、承載比等均是重要的質(zhì)量控制指標(biāo)，在施工期間需加強(qiáng)對(duì)關(guān)鍵指標(biāo)的檢測(cè)與控制，但規(guī)范對(duì)路基淤泥固化的要求不夠細(xì)致，且施工單位的軟土路基淤泥固化施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)有限，容易出現(xiàn)淤泥固化效果差的情況。出于質(zhì)量考慮，需要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。結(jié)合前述提及的試驗(yàn)結(jié)果及分析結(jié)論可知，在摻入固化劑后可以改善軟土路基強(qiáng)度、壓實(shí)度、承載比不足的狀況，因此將試驗(yàn)確定的淤泥固化土技術(shù)用于路基淤泥的改良中是可行的方案，但為全面保障路基淤泥固化效果，固化劑的摻量宜取試驗(yàn)中的最高值，即20%，按照此用量要求進(jìn)行淤泥固化作業(yè)后，將大幅提高軟土路基的抗壓強(qiáng)度、承載比等性能[5]。

3.5 淤泥固化土施工方法

3.5.1 施工流程

下承層準(zhǔn)備→測(cè)量放樣→包邊土施工→卸土→撒固化劑→拌和→攤鋪→碾壓→頂面封層。

3.5.2 關(guān)鍵施工內(nèi)容

1)下承層準(zhǔn)備。全面清理下承層的雜物，使下承層保持干凈；檢測(cè)各點(diǎn)的坐標(biāo)，判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求；檢驗(yàn)下承層的平整度、高程、壓實(shí)度。

2)整平。反鏟挖掘機(jī)、自卸車聯(lián)合作業(yè)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)整平。反鏟挖掘機(jī)負(fù)責(zé)淤泥開(kāi)挖，自卸車及時(shí)裝載開(kāi)挖的淤泥進(jìn)行運(yùn)輸，卸載至指定區(qū)域后，按初平、精平、局部整平的流程進(jìn)行施工，保證卸載淤泥土的平整性，再用壓路機(jī)輕壓2遍，使淤泥土初步密實(shí)。

3)撒布固化劑。撒布前，先計(jì)算1袋固化劑可撒布的面積，向待撒布的土基表面用石灰撒方格網(wǎng)，按照方格網(wǎng)依次將各袋固化劑撒布到位。撒布后，由人工用刮板刮平，使固化劑粉均勻分布。撒布過(guò)程中，固化劑的包裝袋應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回收，禁止隨意丟棄，以免引起環(huán)境污染。

4)拌和。淤泥和固化劑的拌和用專門(mén)的拌和機(jī)進(jìn)行，為使上下層穩(wěn)定黏結(jié)，拌和深度宜深入至下層5～10mm。重復(fù)拌和4遍，拌和過(guò)程中及時(shí)測(cè)定混合料的實(shí)際含水量，要求實(shí)測(cè)值與試驗(yàn)確定的最佳含水量的偏差始終在±2%以內(nèi)。

5)攤鋪終平。淤泥和固化劑拌和均勻后，用推土機(jī)將其攤鋪至初平，用平地機(jī)整形以保證路拱的施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，用壓路機(jī)靜壓1遍，通過(guò)外力作用使淤泥固化土具有一定的密實(shí)性，以顯現(xiàn)出淤泥固化土的不平整部位，再根據(jù)實(shí)際狀況由平地機(jī)和人工終平。需注意的是，壓路機(jī)靜壓時(shí)宜快速通過(guò)，若過(guò)慢將由于壓實(shí)作用過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致淤泥固化土固結(jié)，加大局部修整的難度。

6)碾壓。通過(guò)振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)淤泥固化土進(jìn)行初始碾壓，鋪筑2層后用沖擊壓路機(jī)碾壓，提高路基的整體壓實(shí)度。淤泥固化土的碾壓有振動(dòng)碾壓、沖擊碾壓兩種方法可供選擇，其中振動(dòng)碾壓從路基外側(cè)開(kāi)始向內(nèi)側(cè)進(jìn)行，碾壓遍數(shù)為6～8遍，單層碾壓，層厚25cm，縱向搭接寬度不少于2m，輪跡重疊量為輪寬的1/2；沖擊碾壓順序是先兩邊、后中間，碾壓遍數(shù)為20遍，雙層碾壓，單層厚度25cm，總碾壓厚度50cm，縱向搭接寬度30～50cm，輪跡重疊量為輪寬的1/4。

7)質(zhì)量檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)淤泥固化土攤鋪、整平、碾壓后，進(jìn)行厚度、壓實(shí)度、強(qiáng)度的檢驗(yàn)，評(píng)價(jià)淤泥固化土的施工效果。以壓實(shí)度的檢驗(yàn)為例，可選擇的方法包含核子密度儀法、環(huán)刀法、灌砂法，條件允許時(shí)優(yōu)先應(yīng)用核子密度儀法進(jìn)行檢測(cè)，以獲得更加準(zhǔn)確的壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果。在確認(rèn)軟土路基的各項(xiàng)質(zhì)量檢驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到要求后，方可施工下一層，以此類推。

8)頂面封層。全面結(jié)束軟土地基的淤泥固化土施工作業(yè)并且質(zhì)量檢驗(yàn)無(wú)誤后，用黏土進(jìn)行頂面封層。封層厚度40cm，材料采用8%石灰土或二灰土。頂面封層后，起到如下效果：通過(guò)頂面封層結(jié)構(gòu)的設(shè)置，防止路基與路面間分布軟弱夾層，保證路基整體的強(qiáng)度；封層結(jié)構(gòu)具有防護(hù)路基的作用，以免因水的滲入而導(dǎo)致路基受損、失穩(wěn)。對(duì)于淤泥固化土施工后無(wú)法隨即封層的情況，應(yīng)對(duì)淤泥固化土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，并在后續(xù)盡快組織頂面封層作業(yè)[6]。

3.6 淤泥固化土施工的控制措施

淤泥固化土的施工細(xì)節(jié)多，施工條件復(fù)雜，為取得良好的軟土地基淤泥固化效果，需要在施工期間采取全流程控制措施，主要內(nèi)容如下。

1)淤泥固化前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，確定淤泥的分布范圍，用挖掘機(jī)挖松淤泥并進(jìn)行破碎攪拌，使淤泥中土團(tuán)粒粒徑不大于20mm，土粒均勻分布。對(duì)于含水率明顯偏高的淤泥，以絞吸的方法預(yù)處理，在淤泥含水率不大于50%～60%后才具備淤泥固化土施工條件。

2)固化劑的摻量根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果而定，綜合考慮淤泥特性、固化劑特性，參考類似工程的淤泥固化土施工經(jīng)驗(yàn)，初步設(shè)定多種固化劑摻量，對(duì)比分析不同固化劑摻量對(duì)應(yīng)樣品的強(qiáng)度、承載比等性能指標(biāo)，選擇綜合應(yīng)用效果最佳的一組，將其固化劑摻量作為正式施工時(shí)的控制基準(zhǔn)。

3)向經(jīng)過(guò)含水率調(diào)控后的淤泥中均勻撒布固化劑，進(jìn)行機(jī)械拌和，保證固化劑均勻分布在淤泥中。在大量添加固化劑前，先試攪拌，確認(rèn)淤泥固化土的綜合性能良好后可正式摻入固化劑，做充分的攪拌。

4)淤泥和固化劑攪拌至均勻狀態(tài)后，先悶料，再攤鋪整平。

5)及時(shí)測(cè)定淤泥固化土的厚度、平整度，若無(wú)誤則用壓路機(jī)碾壓淤泥固化土路基。分層有序碾壓，每結(jié)束一層固化土的碾壓后，隨即覆蓋薄膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。對(duì)于淤泥固化土路基局部不平整、不密實(shí)的部位，做加強(qiáng)處理。對(duì)淤泥固化土地基做振動(dòng)碾壓或沖擊碾壓時(shí)，施工人員根據(jù)碾壓方法的不同控制碾壓遍數(shù)、碾壓厚度、碾壓重疊量等關(guān)鍵參數(shù)。

4 淤泥固化土路基的性能指標(biāo)分析

4.1 彎沉值和層底拉應(yīng)力分析

土基回彈模量不低于20MPa，否則不達(dá)標(biāo)。具體至本市政道路工程中，施工現(xiàn)場(chǎng)以軟土地基居多，原始狀態(tài)下的實(shí)測(cè)回彈模量?jī)H為5MPa左右，未達(dá)到要求。從現(xiàn)場(chǎng)條件出發(fā)，進(jìn)行多次技術(shù)實(shí)踐驗(yàn)證，最終確定如下可提高軟基回彈模量的方法：將換填碎石土或固化土的50cm綜合在土基內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)軟土地基的性質(zhì)將由于該部分土層的加入而得到改善，其余厚度碎石土或固化土作為結(jié)構(gòu)層墊層材料計(jì)算，最終確保改良后的軟土地基的彈性模量達(dá)到20MPa或更高。由于彈性模量的合理性，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)計(jì)算。

為評(píng)價(jià)淤泥固化土技術(shù)在軟土地基改良中的應(yīng)用效果，引入路表彎沉、層底拉應(yīng)力指標(biāo)，并將其與傳統(tǒng)的碎石土換填淺層軟土施工技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析；在考慮質(zhì)量可靠性的同時(shí)，還對(duì)不同方案的造價(jià)進(jìn)行對(duì)比，以評(píng)價(jià)各方案的綜合應(yīng)用效果。對(duì)比分析的指標(biāo)及具體結(jié)果，如表3所示。

表3 不同軟基改良方案的多指標(biāo)對(duì)比

根據(jù)表3可知：在實(shí)現(xiàn)相同路表彎沉指標(biāo)控制目標(biāo)的前提下，適當(dāng)減薄換填土層的厚度，基層和面層的厚度維持不變，或設(shè)置大厚度的固化土層也能夠起到相同的效果，避免水泥穩(wěn)定碎石基層過(guò)厚的問(wèn)題；方案2、方案3的造價(jià)明顯低于方案1，表明采用固化土方案的成本較低，可在保證軟基改良效果的同時(shí)降低成本，相較于碎石土換填地基的方案更具可行性。

4.2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)淤泥和淤泥質(zhì)土的檢驗(yàn)結(jié)果可知，土體呈流動(dòng)或流塑狀，含水量w高，液性指數(shù)IL大，內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c小。以淤泥固化土技術(shù)進(jìn)行處理后，與原始狀態(tài)下的淤泥和淤泥質(zhì)土進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明淤泥固化后的土體呈硬塑或堅(jiān)硬狀態(tài)，液性指數(shù)IL降低，內(nèi)摩擦角和黏聚力c升高，路基的各項(xiàng)性能指標(biāo)均得到改善，淤泥固化后的路基具有更高的穩(wěn)定性。

路堤邊坡高度≤20m時(shí)，嚴(yán)格控制邊坡坡度，以保證邊坡的穩(wěn)定性，邊坡以細(xì)、中粒土居多時(shí)坡度不陡于1∶1.5，以巨粒土居多時(shí)坡度不陡于1∶1.3，在檢驗(yàn)淤泥固化土技術(shù)的應(yīng)用效果時(shí)，以1∶1.5、1∶1的邊坡坡率進(jìn)行分析，結(jié)果顯示邊坡坡率為1∶1.5、1∶1時(shí)的最不利滑動(dòng)面的安全系數(shù)K分別為2.261、2.230，均超過(guò)[K]=1.2～1.4，表明無(wú)論是細(xì)、中粒土還是巨粒土，固化處理后的路堤邊坡均具有穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，市政道路建設(shè)中常遇到軟土路基，淤泥屬于其中的常見(jiàn)組成部分，對(duì)路基的穩(wěn)定性不利。淤泥固化土技術(shù)可用于軟土地基處理中，經(jīng)過(guò)固化劑與淤泥混合、攤鋪、碾壓等工序后，有效解決軟土地基含水率高、強(qiáng)度低等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)本文的分析后認(rèn)為，施工單位在應(yīng)用淤泥固化土技術(shù)時(shí)應(yīng)注重固化劑用量的控制、施工規(guī)范性、全流程質(zhì)量管控、質(zhì)量檢驗(yàn)等工作內(nèi)容，以充分發(fā)揮出淤泥固化土技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并在施工后進(jìn)行彎沉值、層底拉應(yīng)力、邊坡穩(wěn)定性等指標(biāo)的對(duì)比分析，強(qiáng)化質(zhì)量控制，最終全面保證淤泥固化土技術(shù)在軟土地基中的應(yīng)用效果。