粤东滨海相软土就地固化路基检测与分析

张 维，韦开腾

（广东华路交通科技有限公司 广州510420）

0 引言

粤东地区滨海相软土、沼泽相软土淤积厚度大，换填难度较大，物理力学性能差［1］。加固淤积沼泽软土，使其成为施工设备机具作业时的施工便道，施工机具撤出后，在其上填筑路堤，作为永久性路基，既经济又合理。就地固化土体作为半刚性填料，既能与土体下部的刚（柔）性处治材料形成复合受力体，也能在施工时提前提高土体的承载力，避免传统清淤换填的环境破坏，也能更好地避免软基不均匀沉降。与以往的软基处理方式相比，通过增加就地固化层，与水泥搅拌桩、预制管桩、预制方桩等共同组成路基，能明显提高路基基础的承载能力［2］。路基上部传来的集中荷载，经过硬壳体分散成为均布荷载，能将荷载更合理地传递在持力层上。桩体上端镶嵌在硬壳体中，降低了地下水和水平方向荷载对路基下部管桩、水泥搅拌桩、方桩的影响。形成就地固化浅层处理和就地固化硬壳层复合地基，与硬壳体路基深层处理的桩基共同作用，深层处理的桩基功能发挥更加极致。软基就地固化造壳技术与传统的软基深层处理措施相结合，对提高软基路基使用寿命周期和减小软基不均匀沉降有着积极的意义［3］，就地固化处理软基技术相比传统清淤换填方式具有明显的优势。

滨海滩涂软基就地固化现场试验检测，以汕头市某工程出海口滨海、沼泽相软基就地固化处治为例。从固化土配合比设计、固化土体力学性能检测以及贝克曼梁弯沉值等5个方面进行阐述。为粤东地区软土就地固化检测积累经验。

1 就地固化软土路基设计理念与设计要素验证

软土路基就地固化设计，主要包括就地固化浅层处理、就地固化硬壳层复合路基和就地固化土资源化利用3 大类。在公路建设中主要设计浅层处理和硬壳层结合桩基受力的复合地基。一般综合考虑地基承载力、沉降、稳定性等指标要求，依照现场固化土强度比室内试配强度，强度折减率为0.58～0.81 考虑就地固化土配制强度［4］。结合施工动态控制手段进行动态设计。

根据原状土的物理性质，使用工程类比法估计固化剂材料掺量。根据原土样的天然含水量、有机质含量、液塑限、压缩模量等，合理确定固化剂种类、掺入形态。建立固化剂掺量与强度关系曲线，在曲线上求取合理的固化剂掺量。通过室内配合比试验确定3 种原材料类别：固化剂、外掺剂、稳定剂。试件制备和试验方法可参照《公路土工试验规程：JTG E40-2007》进行。以原状土湿密度为基准确定固化剂成分掺量比例；就地固化硬壳层复合地基固化土按照7 d、14 d 和90 d 无侧限抗压值考虑强度。根据不同的设计指标要求，确定无侧限抗压强度。目前在工程实体中一般采用水泥作为主要的固化剂，但当原状土有机质含量大于10%时，应考虑在固化剂中掺配一定量的石灰［5］。现场一般采用湿法施工，固化剂浆液水灰比在0.4～0.8 之间。原状土含水率大于50%时，应考虑粉喷固化。以汕头市榕江出海口某工程固化土配合比设计为例：

⑴固化土的设计指标以及原状土物理参数。案例中需要进行就地固化的场地为滨海区域鱼塘，需要就地固化使土体达到一定强度，从而满足施工机械进出以及施工所需的承载力。经综合考虑，固化剂掺量约为6%～7%，按照2%增减考虑配合比设计［6］。对就地固化各项指标的要求如表1 所示。

表1 就地固化土配合比设计参数统计Tab.1 Statistical of Mixing Ratio Design Parameters of In-situ Solidified Soil

由表1 可以看出，软土就地固化后物理力学性能有明显的提高。不但能满足大型履带式设备在其上作业，也能作为永久性路基填料使用。软土就地固化在高等级公路建设中一般设计成复合路基，在造壳层下设计水泥搅拌桩、预制桩等，组成复合路基。作为城市轻型交通，一般仅进行浅层处治或者固化造壳即可。但作为路基半刚性填料，仅检测抗剪切强度和静力触探强度，明显具有局限性。未能客观反映固化土体的整体质量水平。由此，在现场增加平板载荷试验，检测固化处治层表层在动荷载作用时的力学特质，采用贝克曼梁法检测固化土体整体强度和回弹模量。以求通过试验检测能全面反映就地固化土体的整体质量。

⑵提取原状土样本依照《公路土工试验规程：JTG E40-2007》进行室内试验检测，取得相关数据，根据设计建议，依照《公路路堤就地固化（强力搅拌法）设计与施工技术指南》［7］，对原状土加固后各项物理性能指标进行测试。案例中原状土的各项物理性能指标统计如下：液限WL=47%，塑限Wq=29%，塑性指数Ip=18，天然含水率为42.6%，天然密度为1.77 g/ cm3，酸碱度为6.6，有机质含量为2.40%。原状土颗粒筛分试验数据统计如表2 所示。

表2 原状土颗粒筛分试验数据统计Tab.2Statistical Data of Undisturbed Soil Particle Screening Test Data

由表2 可以看出，原状土掺配固化剂亦使用湿法施工，固化剂成分掺量计算一般以原状土天然密度进行参照计算。就地固化浅层处理和就地固化硬壳层、复合地基的固化土配合比按照固化土7 d、14 d 和28 d 龄期进行各项指标检测［8］。

⑶固化土配合比室内试拌。固化土设计固化浅表层软土，以求达到能承载机械设备在其上作业的功能，或者与深层处理的水泥搅拌桩、管桩等形成复合地基。为保证现场就地固化土强度富余，综合考虑按照14 d 龄期考虑固化土各项性能指标。实际采用富余强度值为1.17的P.0 42.5 水泥作为固化剂主料，以原状土单位质量为参照物，等量递减（加）固化剂主料掺量，为更加贴近实际施工环境，采用无侧限抗压强度作为抗压强度指标，取得掺量与固化土无侧限抗压强度的曲线关系。经过试拌固化土14 d、28 d 龄期的各项参数如表3 所示。

表3 不同掺量的固化剂生成固化土后无侧限抗压强度统计Tab.3 Statistical of Unconfined Compressive Strength after Solidified Soil is Produced with Different Additives

由表3 可以看出当固化剂掺量增加时，固化土无侧限抗压强度随之增大。当固化剂掺量超过7%时，固化土强度增长更加明显。但滨海相软土有机质含量较高，土体天然含水率大，处理深度大于2 m 时，原状土含水率与其他物理性质有明显的变化［9］。为了保证固化效果，建议在不排水固化施工中，固化剂掺量不低于原状土单位质量的7%。固化剂掺量随着固化软土的深度和含水率增大而增加。综合考虑，固化土各项指标在室内试验中较容易达到，但在实际施工中受原状土土质异常、搅拌供料，以及施工环境变化影响，现场固化土强度与室内试验强度存在较大差异。在施工时对固化土取样，进行无侧限抗压强度试验，测出现场固化土无侧限抗压强度代表值，在室内强度值的0.45～0.76 区间波动。固化土配合比设计遵循动态设计的原理，根据现场实际情况及时进行固化剂掺量调整，以实现固化指标。

2 浅层就地固化试验路现场检测

试验路选择在施工环境较为恶劣的出海口虾塘，利用塘埂和浅滩截取三段作为试验路。选择在固化土持力层基础承载力在135～145 kPa的段落内，分别按1.0 m、2.0 m、3.0 m 固化深度处治。按照对原位土进行原地固化处理技术进行施工，在相应固化土龄期，进行静力触探、十字板剪切、动态平板载荷试验。通过原状土与就地固化后软土路基十字板剪切试验对比，反映不排水状态地基加固前和加固后，以及不同加固深度抗剪切强度变化规律。动态平板载荷试验是采用动态变形模量测试仪来检测土体承载力指标，通过落锤和荷载板沉陷测定，测出固化土体动态受力特性，间接反映载重汽车在高速运行时反复产生的动应力对路基的作用状况［10］。通过对就地固化土物理力学检测以及对不同固化深度的固化效果进行试验，检测出固化后土体在静力、扰动和载荷3 种工况下的力学特性。综合判断软土固化效果是否能满足设计指标。选取有代表性的3个固化处治深度6个区块，1-2 区块为1.0 m、3-4 区块为2.0 m、5-6 区块为3.0 m，按照固化剂水泥主料掺配比例为9%时进行试验，采用数理统计和修约规则整理数据获取代表值。以14 d 龄期就地固化土体检测为例，具体检测数值如图1 所示。

图1 不同试验区块固化土体平板载荷试验Fig.1 Flat Plate Load Test of Solidified Soil in Different Test Blocks

2.1 载荷板沉陷与变形强度之间的关系

由图1 可以看出，经过固化处理的土层具有较好的承载能力，固化处理深度越深，相对沉陷值越小，锤击时固化土体变形越小［11］。但平板荷载试验最佳的检测深度为40～50 cm，超过50 cm 则精度降低。在试验中也能反映出，随着软土固化处理深度的加深，在对固化土恒加载时，土体抵抗变形的能力越强。图1 也可以看出，当沉陷值达到18 mm 以后，固化土变形的荷载明显增大，证明固化层内部受挤压强度增大，抵抗变形能力比表层强，充分体现了半刚性材料的特质。随机抽取点位进行检测，未出现明显的沉陷值异常，说明固化土中固化剂分布均匀，形成强度一致。

2.2 不排水十字板剪切强度与固化土容许承载力关系由电测十字板不排水抗剪切试验，通过与原状土

抗剪切强度与固化处理后的剪切强度进行对比，得出固化层抗剪切强度明显高于原状土（见图2）。但在处治设计深度底部，抗剪强度明显降低，建议在设计固化处治层深度时，适当考虑ALLU 强力搅拌头［12］的构造形状，导致处治层底部抗剪强度偏低的现象。加深固化处治深度，保证固化处治效果极致发挥。经过十字板剪切头在土层中扰动，根据旋转扰动固化土体产生的力矩，可计算地基容许承载力。在不排水的固化土地段，测出阻力峰值后，进一步测试原位重塑土的不排水抗剪切强度，可检测出固化土体灵敏度和边部抗滑移能力［13］。

图2 不同试验区块不排水剪切试验Fig.2 Undrained Shear Test of Different Test Blocks

2.3 静力触探锥尖阻力与固化土强度的关系

通过静力触探锥尖阻力强度（见图3）可以看出，就地固化后，固化土层强度使用静力触探检测的方法直观简单，能直接反映加固土层的加固效果，也是能明确界定改良固化土体强度的检测办法。能直接判定出固化后土体的承载能力，是工地试验室较容易实现的检测手段。静力触探仪锥尖能直接贯穿固化层每个层面，同时弥补了动态平板载荷试验不能精确反映40 cm以下固化层力学性能的不足。静力触探试验贯入阻力的变化可直接地反映出固化土改良深度、浅层固化路基的承载力。但静力触探检测使用选点进行试验，不能直接反映改良土体的整体承载力。

2.4 就地固化路基水泥土体弯沉值与回弹模量试验

就地固化土体掺于固化剂后有一定的强度，作为矮路堤路基使用时，上部传递的荷载对路基受力状态，与无机结合料基层情况相似，符合半刚性无机结合料的各项特征。由此，使用贝克曼梁弯沉仪检测固化土体弯沉值和回弹模量。

图3 不同试验区块静力触探试验Fig.3 Static Penetration Test of Different Test Blocks

就地固化路基水泥土体弯沉值。软土经过就地固化掺于一定量的固化剂后，胶凝材料使各类拌和物固结，形成具备一定强度的半刚性路基填料。使用弯沉值指标检验固化土体的整体强度和回弹模量，能反映固化土体作为路堤下卧层使用时，当遇到弯拉变形受力状态，也能直接反映出固化土体整体固结效果。根据弯沉值指标逆向思考固化土设计强度的可靠性。案例中路堤填筑高度为1.8 m，在浅层处治深度分别为1 m、2 m、3 m的路基段进行弯沉值检测，检测结果如表4 所示。

表4 软土就地固化试验路段弯沉值指标统计Tab.4 Statistical of Deflection Value Index of Soft Soil In-situ Curing Test Section

由表4 可以看出，当固化处治深度增加，弯沉代表值变小。路基抵抗变形的能力增大，与路面工程中无机结合料弯沉值与厚度的关系相似。

2.5 小结

模拟动荷载对路基作用的动态平板载荷试验，使用十字板抗剪切试验检测固化层抗剪切破坏能力，用静力触探的方式直击各固化层，反映出各层的固化强度，弥补动态平板载荷试验中的不足。根据上述3 种试验检测取得的数据，依照现行的技术规范和规程，能有效地推断出就地固化土体力学性能。若能大量收集十字板剪切试验中重塑土的强度数据建立数据模型，则可以间接预估固化土体的边部抗滑移能力和水稳定性。

3 分析与总结

采用上述4 种试验检测办法，检测固化土体表层强度、抗扰动剪切能力、单点强度以及整体承载力，验证设计、施工参数的合理性。在施工时，通过就地固化土室内试验强度与室外取样试验强度进行对比，获得室外强度代表值，并限定强度波动区间，对控制现场固化剂掺量，提高工艺管控水平，保证固化土强度一定的约束作用；采用动态平板载荷试验，间接反映ALLU 强力搅拌头在软土表层无约束状态下，搅拌头停留时间和喷浆量，保证表层固结效果，为大型机具和设备在其上作业提供安全保障；十字板剪切试验能模拟扰动状态下固化土体的抗剪切能力，收集重塑土强度能分析出固化土体边部抗滑移能力；静力触探试验能直观有效地反映固化土体各层次的强度，也可以直接击穿固化土层测试固化处治层深度，锥尖阻力能直接反映固化土某一点的强度。最后通过贝克曼梁弯沉仪试验，检测固化土体整体的回弹模量和弯沉值，为评定就地固化土体整体承载力提供依据。

软土就地固化处理技术在广东省使用尚属首例，此工程率先大范围使用该技术，并采用上述试验办法对试验路进行检测，获取施工验收数据。总结相关试验与分析的办法，为南粤地区滨海软土就地固化路基检测积累数据，供大家参考。