土壤固化剂在铁路施工道路路基处理中的应用

杨富民，孙成晓，何军利，李 晨，闫俊洁

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.北京铁科首钢轨道技术股份有限公司，北京 102206)

1 工程概况

新建郑州至万州铁路河南段站前工程ZWZQ-3标段一分部起讫里程为DK89+970—DK98+956.29，线路长度8.986 km。设计孝山隧道西侧铺设临时道路，临时道路结构设计为40 cm煤矸石+20 cm级配碎石，后期由于煤矸石供应量不足、原材料价格上涨，雨季道路维修次数多影响施工进度，因此在孝山隧道出口临时道路选取100 m进行固化土试验。试验段道路宽5 m，其中40 m试验段在已铺设厚20 cm的煤矸石地段进行，路基结构为煤矸石层和固化土基层，其余试验段使用固化土进行施工，其路基结构为固化土底基层和固化土基层。

2 固化土混合料配合比设计

依据RISN-TG003—2007《土壤固化剂应用技术导则》[1]对试验段路基固化土混合料进行配合比设计。在满足无侧限抗压强度标准要求的前提下，结合施工现场情况，进行经济技术综合比较确定土壤固化剂和水泥掺量。

2.1 原材料

1)水泥。42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间170 min，终凝时间210 min，3 d抗压强度26.5 MPa，28 d 抗压强度52.7 MPa，安定性合格。

2)土壤固化剂。采用TK-G型离子型液体土壤固化剂，固化剂性能依据CJ/T 486—2015《土壤固化外加剂》[2]进行检测。无侧限抗压强度比为140.1%，水稳系数比为117.7%，凝结时间影响系数比为109.2%，其他指标均满足CJ/T 486—2015技术要求。

2.2 最佳含水率和最大干密度检测

依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[3]中标准击实试验方法测定固化土混合料物理性质。通过曲线拟合的方法拟合出固化土混合料最佳含水率和最大干密度的关系曲线[4]。固化土基层混合料和底基层混合料最佳含水率和最大干密度见表1。该试验所检测的固化土基层混合料和底基层混合料均为素土和水泥的拌合物，未添加土壤固化剂。固化土基层混合料和底基层混合料水泥掺量分别为5%和3%。水泥采用外掺，掺量以固化土混合料重量计。

表1 固化土基层、底基层混合料最佳含水率和最大干密度

3 试验段路基结构设计

依据RISN-TG003—2007和CJJ 37—2012《城市道路工程设计规范》[5]中固化土路基结构设计要求对试验段路基进行结构设计，在满足设计要求的同时，进行技术经济性比较，尽可能减少固化土施工所用材料的采购和运输，就地取材，大量使用隧道挖掘出的土壤和碎石进行固化土层施工。通过对比试验确定试验段固化土路基结构与厚度方案。试验段路基结构如图1所示。

图1 路基结构示意(单位：mm)

4 试验及结果分析

4.1 无侧限抗压强度、水稳系数和凝结时间影响系数试验

道路基层和底基层的抗压强度是衡量道路性能的重要指标。JTJ 034—2000《公路路面基层施工技术规范》[6]中规定：二级及二级以下公路的基层抗压强度为2.5～3.0 MPa，底基层抗压强度为1.5～2.0 MPa。

按照试验规程要求制作固化土基层混合料和底基层混合料无侧限抗压强度试件。试件成型时设定压实度为96%，根据最佳含水率和最大干密度称取每个试件混合料用量，装入直径50 mm、高度50 mm的试模中，将试模置于成型机上加压成型，然后卸载，脱模得到试件，养护后测试试件7 d无侧限抗压强度。固化土基层混合料和底基层混合料中土壤固化剂掺量分别为0.018%和0.014%。土壤固化剂采用外掺，掺量以固化土混合料重量计。试件养护方式及无侧限抗压强度试验结果见表2和表3。

表2 固化土底基层混合料无侧限抗压强度试验结果

从表2可以看出：固化土底基层混合料添加土壤固化剂后无侧限抗压强度得到大幅度提高，较基准试件(标准养护7 d)增长了24.4%，表明土壤固化剂具有较好的早强作用，可显著提高固化土底基层混合料的无侧限抗压强度。

表3 固化土基层混合料无侧限抗压强度试验结果

采用CJ/T 486—2015中水稳系数和凝结时间影响系数计算方法，得出固化土底基层混合料的水稳系数和凝结时间影响系数。通过对比可以得出，加入土壤固化剂后固化土底基层混合料水稳系数提高11.8%，说明土壤固化剂对施工后固化土水稳定性能有改善作用。加入土壤固化剂后固化土底基层混合料凝结时间影响系数提高8.2%，表明放置4 h后成型对固化土底基层混合料的无侧限抗压强度无不利影响，且从无侧限抗压强度检测结果来看，放置4 h后固化土底基层混合料的无侧限抗压强度虽有一定程度的损失但仍高于未添加土壤固化剂的固化土混合料。凝结时间影响系数的提高延长了固化土底基层混合料的工作时间，这为固化土施工提供了有利条件，同时水稳系数的提高保证了固化土底基层在水浸情况下的承载能力。

对比表2和表3可以看出：固化土基层混合料标准养护7 d的无侧限抗压强度较底基层提高31.4%，表明水泥和土壤固化剂掺量的提高可进一步增大固化土基层混合料的无侧限抗压强度。经过数据分析固化土基层混合料水稳系数和凝结时间影响系数增长规律与固化土底基层增长规律基本一致。

4.2 回弹弯沉试验和浸水膨胀量检测

回弹弯沉值是表征路基路面承载能力的重要指标。回弹弯沉值愈大，路基路面的承载能力愈小，反之则愈大。采用贝克曼梁法测回弹弯沉值，测试对象为60 m试验段路基路面。不同龄期路基路面的弯沉值测试结果见表4。

表4 不同龄期路基路面的弯沉值

由表4可知：试验段路基施工1 d弯沉检测值为67.04×10-2mm，满足JTJ 034—2000中次干路路面弯沉值小于70×10-2mm的要求，表明土壤固化剂具有较好的早强作用。在回弹弯沉试验的同时对固化土浸水膨胀量进行了测试，测试结果为0.019%。表明固化后基层水稳定性能良好。由此可见，掺入土壤固化剂后提高了道路的承载能力。

4.3 施工效果

试验段施工完成后，对其使用效果进行跟踪观测。试验段完成后12 h即可通行40 t装载车且无车辙痕迹，通车1年使用情况良好，施工单位维修次数大幅度减少。原设计临时道路与试验段使用1年后效果对比见图2。

图2 原设计临时道路与试验段使用1年后效果对比

5 结论

1)土壤固化剂对固化土混合料无侧限抗压强度、水稳系数和凝结时间影响系数均有较大幅度的提高。掺入土壤固化剂后固化土底基层混合料的无侧限抗压强度提高24.4%，水稳系数提高11.8%，凝结时间影响系数提高8.2%；固化土基层混合料的无侧限抗压强度较固化土底基层混合料提高31.4%，表明在固化土中水泥和土壤固化剂掺量的提高可进一步增大固化土混合料的无侧限抗压强度，保证道路基层结构的承载能力。

2)路基路面1 d弯沉值即可达到67.04×10-2mm，满足道路使用要求。掺入土壤固化剂的固化土层浸水膨胀量为0.019%，说明土壤固化剂可改善固化土层水稳定性能。