矿渣-粉煤灰复合注浆材料加固软土路基效果研究

刘强

作者简介：

刘 强（1977—），工程师，研究方向：公路与桥梁。

摘要：为研究新型矿渣-粉煤灰复合注浆材料在软土路基改良及变形控制中的应用，文章基于室内不固结不排水试验、渗透性试验及微观电镜试验，验证其对天然紫色土、壤质砂土和砂土的改良效果。研究发现：矿渣-粉煤灰复合注浆材料能够有效增强软土的承载能力、抗渗性，注浆前后三种土体的强度增幅分别为61.08%、40.82%和45.50%，天然紫色软土的改良效果最佳。

关键词：新型注浆材料;软土;路基改良;渗透性;微观电镜;试验研究

中国分类号：U416.1+1A250933

0 引言

软土路基具有湿陷性、大变形、可塑性强等特点，容易导致公路路面变形和路基垮塌，严重影响公路工程及交通安全。因此，开展软土路基改良的研究具有十分重要的意义[1-3]。

目前，我国专家积极展开了软土路基改良相关研究。刘茜[4]指出市政道路建设软土路基施工的重要性，合理选择软土路基处理技术对城市建设具有重要意义;马兵林[5]基于室内试验深入研究了纤维改良软土路基红黏土的可行性，并指出纤维掺量能够有效提升红黏土的黏聚力，且当纤维掺量为3%时红黏土性能最优;杜宝红[6]提出利用灰土改良软土路基的方案，分析了灰土改良原理和现场改良施工工艺流程，进一步深化了对灰土改良技术的认识;刘园等[7]通过室内添加比例为3%、5%、7%、10%的粉煤灰制备灰改良土样并展开试验研究，发现添加粉煤灰能够有效增大软土的承载能力，同时其膨胀性明显降低。

综上所述，现有技术主要是利用纤维或石灰粉等材料对地基进行改良[8-10]，对注浆改良技术的研究不多。本文提出利用新型矿渣-粉煤灰复合注浆材料对多种软土进行注浆的改良方案，并基于室内不固结不排水试验、渗透性试验及微观电镜试验验证该方案的可行性。

1 工程背景

本次研究依托于某快速公路铺设工程，该公路全长6.3 km。根据地质调查及相关数据资料显示，该地区第四级地层覆盖主要为洪积黏土、粉质黏土、粉砂土等，另含少量碎石、砾石等，区域主要特殊岩土及不良地质土为软土、地基软土及软弱高含水土等，这为该地区路基建设工程带来极大的挑战。因此，需要引入新型技术对承载力差、变形大的软弱土路基进行改良以满足工程建设要求。经过讨论研究，认为采用注浆改良技术在该地区路基改良工程中具有较大优势，能够减少弃方、节约工程成本。

2 试验设计

2.1 原土样

为合理分析矿渣-粉煤灰复合注浆材料在软土地基改良中的应用，本次研究对天然紫色土、砂土以及壤质砂土共三种土样展开了室内试验。为排除其他因素对固化效果结果分析的影响，控制三种土样的含水率均为18±0.5%，干密度均为1.80±0.02 g/cm3，孔隙率均为48±0.5%。

2.2 矿渣-粉煤灰复合注浆材料

新型矿渣-粉煤灰復合注浆材料是利用特级粉煤灰、矿渣水泥、砂等原材料，外加碱性激发剂、缓凝剂等制备而成的注浆材料。此外，矿渣-粉煤灰复合注浆材料具有环境友好、不用置换等特殊优势，且尾矿矿物材料得到了充分的回收利用。本次研究利用矿渣-粉煤灰复合注浆材料对多种土体的工程性能进行改良。矿渣-粉煤灰复合注浆材料对土体产生胶结作用、填充作用及离子作用，能够较好地改良土体的力学性能。按照质量配比称取粉煤灰、矿渣粉、BS缓凝剂（用量为0.5%，占灰体质量百分比），然后将BS缓凝剂配制成水溶液与矿渣粉在水泥净浆搅拌机中预搅拌1 min，加入粉煤灰和已配好的硅酸钠溶液进行二次搅拌（140 r/min慢搅2 min，280 r/min快搅2 min），得到均匀灌浆浆液。

2.3 土样固化

本次研究对天然紫色土、砂土以及壤质砂土展开了固化试验。首先将三种软土填满整个灌浆模具（见图1），再利用灌浆机给予足够压力将新型矿渣-粉煤灰复合注浆材料注入模具中。灌浆完成24 h后拆模得到固结体，并将固结体在95%RH的环境中进行养护，养护时间为7 d。图1为灌浆模具示意图，模具内部圆筒长为400 mm，直径为100 mm。

2.4 试验方案

本次研究对固化后三种不同类型的复合土体展开了全面的工程性能测试，主要包括不固结不排水试验（UU）、渗透试验和微观机理分析试验，试验严格遵照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）等相关规范展开[11-12]。不固结不排水试验采用FSLY-30型非饱和土三轴仪，渗透性试验采用变水头法进行测试。此外，为分析矿渣-粉煤灰复合注浆材料加固软土的微观机理，对注浆前后的土体展开了微观电镜试验，得到了其微观电镜图（SEM）。

3 试验结果分析

3.1 力学性质

对不同固化次数条件下的三种土体展开不固结不排水试验（UU），得出未固化和新型矿渣-粉煤灰复合注浆固化后土体试样的不固结不排水强度如表1所示。由表1可知，新型矿渣-粉煤灰复合注浆对多种软土的固化效果明显，不同土体的强度均逐渐增大，新型矿渣-粉煤灰复合注浆技术对土体力学性质的改善效果显著。对于不同土体，未注浆的土体与注浆后的土体之间的强度具有明显的差异。注浆前，天然紫色土、壤质砂土和砂土三种不同的软土土体的强度分别为25.13 MPa、39.15 MPa和42.15 MPa;注浆后，三种软土的不固结不排水强度分别为40.48 MPa、55.13 MPa和61.33 MPa。三种土体的强度增幅分别为61.08%、40.82%和45.50%。由此可见，新型矿渣-粉煤灰复合注浆技术对多种软土的强度均具有优良的改良效果，且其对天然紫色软土的改良效果最佳，能够大幅提升天然紫色软土路基的承载能力。分析认为，这是由于当向土体中不断注入新型矿渣-粉煤灰复合浆液后，复合浆液会填充软土的土体孔隙，且能够胶合软土颗粒，这种胶结作用能够有效固化土体，进而提高了土体的强度。

3.2 渗透性

如图2所示为采用变水头法测得的三种土体渗透率随注浆固化次数的变化关系。由图2可知，矿渣-粉煤灰复合注浆材料对土体的渗透性具有非常明显的影响。随着固化次数的不断增多，土体的渗透系数不断减小，其抗渗性逐渐增强。进一步观察可知，对于天然紫色土和壤质砂土，其渗透系数随着固化次数逐渐减小，且在第一次固化时土体的渗透率降低最明显。对于砂土，第一次固化对其渗透性影响较小，渗透系数仅下降了8.98%。此后，砂土的渗透系数亦逐渐下降但下降速度越来越慢。分析认为，当向土体中不断注入复合浆液后，复合浆液氧化胶结后会填充土体中的孔隙，且会产生胶结作用，因此土体的孔隙率降低、渗透系数下降。

3.3 微观机理分析

如图3所示为采用新型矿渣-粉煤灰复合注浆技术注浆前后土体微观电镜（SEM）示意图，放大倍数为500倍。受文章篇幅限制，此处仅给出天然紫色软土的微观电镜对比图，开展注浆加固微观机理分析。由图3可知，注浆前后，土体的微观形态产生了显著变化。注浆前，土体的颗粒间较为松散，天然紫色软土颗粒间的粘结度差，因此土的强度较弱和渗透性较大;在利用新型矿渣-粉煤灰复合浆液进行注浆后，土体颗粒间的胶结程度显著提高，且颗粒间的孔隙得到有效填充，因此软土的强度增大，抗渗性也增强。

4 结语

本次研究依托于某快速公路建设工程项目，基于室内不固结不排水试验、渗透性试验及微观电镜试验，验证了矿渣-粉煤灰复合注浆材料在软土路基加固中的可行性。得出主要结论如下：

（1）矿渣-粉煤灰复合注浆材料能够有效增强软土的承载能力，注浆前后三种土体的强度增幅分别为61.08%、40.82%和45.50%。天然紫色软土的改良效果最佳。

（2）矿渣-粉煤灰复合注浆材料对软土的水力学性质具有显著影响，随着注浆次数的增多，不同软土的抗渗性逐渐增强。

（3）根據微观电镜图结果，新型矿渣-粉煤灰复合浆液进行注浆后，土体颗粒间的胶结程度显著提高，且颗粒间的孔隙得到有效填充。

以上研究成果为矿渣-粉煤灰复合注浆材料在软土路基改良中的应用提供了一定思路。

参考文献：

[1]徐振宁.浅谈某工程湿陷性黄土边坡及路基处理[J].水泥工程，2021（1）：80-82.

[2]束思源，张楠楠，汪 可，等.降雨入渗对湿陷性黄土边坡稳定性影响[J].四川建材，2021，47（2）：82-83.

[3]陈晓佳.道路改造中软土地基的处理方法分析[J].江西建材，2012（5）：142-143.

[4]刘 茜.市政道路施工中软土路基处理技术的运用研究[J].四川水泥，2020（6）：307.

[5]马兵林.高速铁路软土路基红黏土改良试验研究[J].建筑施工，2020，42（1）：27-29.

[6]杜宝红.灰土改良技术在高速公路软基治理中的应用[J].建材与装饰，2020（3）：245-246.

[7]刘 园，李艳玲，杨 蕾.粉煤灰改良软土路基稳定性试验研究[J].粉煤灰综合利用，2018（5）：96-98.

[8]陈国平.灰土固结改良技术在过湿软土路基中的应用[J].施工技术，2017，46（S2）：1 007-1 009.

[9]袁文瑞.石灰处理软土路基深度对土基回弹模量影响研究[D].天津：河北工业大学，2015.

[10]陈 宝，郭家兴，李池龙.交通荷载下石灰改良软土路基的动力特性试验研究[J].路基工程，2014（5）：103-109.

[11]SL 408-2007，土工膜抗渗仪校验规程[S].

[12]GB/T 50123-1999，土工试验方法标准[S].

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