就地固化设计参数对软土地基承载特性影响的现场试验研究
时间：2023-04-15 14:00:04 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
杨宏兵
（江苏通州湾投资开发有限公司，江苏 南通 226000）
近年来我国经济快速发展，沿海地区大量的港口码头货物堆场工程陆续建设，货物堆场普遍采用吹填造陆的方式进行建设，面临大量的吹填软土地基加固工程。吹填土具有高含水率、高孔隙比、高压缩性、低强度、低渗透性等特点，传统排水固结方法加固需要数月至数年，施工周期长，而就地固化技术是近年发展起来的软土地基浅层快速加固技术，通过搅拌机械将土壤固化剂与软土拌和，加固后在短期内地基承载力快速提升，满足使用要求，具有施工速度快、加固效果好的优点。就地固化技术在沿海地区的港口码头及堆场建设中得到了广泛应用。
就地固化技术目前处于经验积累阶段，设计理论及理论研究落后于工程实践。一般通过室内试验确定固化土配合比，再通过现场试验确定最终方案的设计参数。现场试验是研究地基处理方法加固效果最直观有效的方法，我国学者展开了大量就地固化处理软土地基的现场试验工作，对方案设计参数的影响展开研究。文献[1-4]采用不同的水泥、粉煤灰比例配置固化剂，研究了不同固化剂配比对加固效果的影响；
王颖等[2]、魏雁冰等[5-6]采用了相同的固化剂配比和掺量，考虑了处理深度对就地固化加固效果的影响；
王颖等[2]、徐亮等[7]通过现场试验研究了固化剂掺量对就地固化加固效果的影响；
王颖等[2]在现场试验方案中考虑了养护龄期的影响；
章云等[8]、王颖等[9]分别考虑了泥浆比重、流量等工艺参数以及搅拌机械类型对加固效果的影响。吴雪婷等[10]研究了ISS-水泥联合固化剂对淤泥的固化效果，确定了该方法的临界水泥掺量。目前对就地固化固化剂掺量影响的现场试验研究较为简单，现场试验中固化剂掺量的对比数量较少、样本点较少，无法全面反映地基承载力随固化剂掺量的变化规律。
本文依托江苏某堆场软基加固工程，开展固化剂掺量和龄期对就地固化处理软土地基加固效果影响的现场试验研究，研究成果可为类似工程的设计和施工提供借鉴。
1.1 试验区概况
依托江苏某港口多用途泊位工程后方道路堆场工程，开展固化剂掺量和养护龄期对固化后地基承载特性影响的现场试验。现场试验分为2个试验区。试验区1（固化剂掺量）场地尺寸62 m×50 m，固化处理深度2.5 m；
试验区2（养护龄期）场地尺寸50 m×40 m，固化处理深度2.0 m。土壤固化剂采用无机复合类固化剂，采用强力搅拌设备进行固化剂与软土拌和。
1.2 工程地质条件
试验区场地原地貌为浅海滩涂，经过水力冲填形成陆域。根据勘察报告，该场地表层为新近沉积土，填垫年限小于10 a，厚度6.70～9.70 m，底层标高为-0.08～-3.42 m，主要由流泥、淤泥组成，呈灰—灰褐色，流塑—软塑状态，含有机质，属高压缩性土。
试验区1：采用无机复合类固化剂，现场根据固化剂掺量划分为100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3等5个试验区，固化处理深度2.5 m。在养护7 d后进行载荷试验测定地基承载力。
试验区2：采用无机复合类固化剂，固化剂掺量130 kg/m3，处理厚度2 m。分别在养护14 d、28 d后进行载荷试验测定地基承载力。
各试验区不同掺量固化剂的配合比设计如表1所示。
表1 试验区固化剂配合比设计Table 1 Mix proportion design of curing agent in test area
固化剂配比：矿渣粉选用S95强度以上的粒化高炉矿渣粉，重量固定为36 kg/m3；
水泥选用强度等级P.O42.5以上的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥用量=固化剂掺量-矿渣粉重量；
水灰比按照1∶1（重量比）计算，即水用量=固化剂掺量；
稳定剂掺量原则上等于水泥掺量的0.1%。
现场搅拌：现场试验采用三维强力搅拌头AM25/750对原位土进行垂直上下搅拌。搅拌设备正向运行逐渐深入搅拌并喷射固化剂，直至达到设计固化底部2.5 m深；
当遇到硬土层无法进行垂直固化时，可采用原位翻松分层固化或者先用挖机辅助翻松、固化回填的方法进行。场地处理如图1所示。
图1 试验区固化土拌和Fig.1 Solidified soil mixing in test area
碾压平整：固化搅拌完毕后1～2 d，对现场固化区域进行预压处理，采用8～12 t光轮压路机碾压6～8遍至无明显轮迹，保证搅拌后板体的整体性及表层土体的压实度。
载荷试验：对于试验区1，在固化土搅拌完成并静置养护7 d后，开展各试验区的载荷试验；
对于试验区2，分别在养护14 d、28 d后开始载荷试验。
3.1 固化剂掺量的影响
不同固化剂掺量试验区的p-s曲线如图2（a）所示。在载荷试验过程中，固化剂掺量为100 kg/m3和120 kg/m3试验区在加载至120 kPa时承压板周边土层出现明显的侧向挤出隆起，试验荷载无法保持稳定并且逐渐下降，p-s曲线出现明显的陡降，表明此时固化土地基已经破坏，地基失稳。由图2（b）lgp-s曲线拐点法确定地基承载力特征值，固化剂掺量为100 kg/m3和120 kg/m3试验区的地基承载力特征值为30 kPa，固化剂掺量为130 kg/m3和140 kg/m3试验区的地基承载力特征值为60 kPa，固化剂掺量为160 kg/m3试验区的地基承载力特征值为90 kPa。上述结果表明固化后软土地基的承载力随固化剂掺量增加而提高。
图2 不同固化剂掺量试验区的荷载-位移曲线Fig.2 Load-displacement curves of test areas with different dosage of curing agent
根据试验区1方案，固化剂掺量为100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3的5个试验区，通过载荷试验的荷载-位移曲线（见图2）换算，其变形模量依次为1.20 MPa、1.32 MPa、5.92 MPa、6.72 MPa和6.15 MPa，地基变形模量整体随固化剂掺量增加而提高。特别指出，固化剂掺量为140 kg/m3的试验区在实际施工时固化处理深度为2.68 m，大于固化剂掺量为160 kg/m3的试验区的固化处理深度2.54 m，因此前者地基变形模量比后者稍大。
进一步分析图2可知，对于试验区1中不同固化剂掺量的试验地块，固化剂掺量130 kg/m3为临界固化剂掺量。当试验地块固化剂掺量小于130 kg/m3时，地基变形模量较小，在载荷试验中地基沉降迅速增大而很快发生破坏；
而当试验区固化剂掺量大于130 kg/m3时，地基变形模量显著增大，地基承载力显著提高，因而在载荷试验中发生破坏时的荷载较高。
3.2 养护龄期的影响
在试验区2开展养护龄期影响的现场试验，在工程现场统一按固化剂掺量130 kg/m3、处理深度2 m的参数对吹填土进行搅拌后，分别在养护14 d和28 d后对固化土场地进行载荷试验。同时，在养护龄期影响分析中，加入加固方案类似的试验区1中固化剂掺量为130 kg/m3、固化处理深度为2.5 m、养护7 d的试验地块，全面研究养护龄期（7d、14 d、28 d）对固化土地基承载特性的影响。
图3为软土固化后养护7 d、14 d和28 d后的载荷试验结果。
图3 不同养护龄期时就地固化后软土地基的荷载-位移曲线Fig.3 Load-displacement curves of different curing ages of soft soil foundation after in-situ curing
根据图3可知，养护7 d后地基承载力特征值为60 kPa，而养护14 d和28 d后地基的承载力特征值分别为60 kPa和88 kPa。
对比图3不同养护龄期试验区在加载至60 kPa时的地基沉降量，养护14 d固化后地基的沉降量小于养护7 d后地基的沉降量。表明经过了固化处理后，软土地基的承载力随着养护龄期的增加得到了提高。
对比图3养护14 d和养护28 d后软土地基的荷载-位移曲线可知，养护14 d固化处理后软土地基的荷载-位移曲线与养护28 d后非常接近，表明固化土在养护14 d后就已经达到较高的地基承载力和变形模量。
对比养护7 d和养护14 d后软土地基的变形模量（通过对图3荷载-位移进行换算）可知，养护7 d时固化后软土地基的变形模量为5.92 MPa，而在养护14 d时固化后软土地基的变形模量就达到了89.83 MPa，表明就地固化后软土地基的变形模量随着养护龄期增大而快速提高。
综上所述，采用就地固化技术对吹填软土进行加固能够快速提高地基承载能力并减小压缩性，对于工期紧张、场地承载力要求较高、且有变形控制要求的场地而言，就地固化技术是一种快速有效的新型软基加固技术。
依托江苏某软土地基加固工程，开展固化剂掺量和养护龄期对就地固化处理后软土地基承载特性影响的现场试验研究，得到以下主要结论：
1）固化后软土地基的承载力随固化剂掺量增加而提高。固化剂掺量为100 kg/m3、120 kg/m3、130 kg/m3、140 kg/m3和160 kg/m3时地基承载力特征值分别为30 kPa、30 kPa、60 kPa、60 kPa和90 kPa。
2）本次现场试验中130 kg/m3为临界固化剂掺量。固化剂掺量小于临界掺量时，软土地基在加载过程中很快发生侧向隆起破坏；
在固化剂掺量大于临界掺量时，地基承载力显著提高且不会发生破坏。
3）固化剂掺量小于临界掺量时，固化后软土地基变形模量较小，且在加载过程中很快破坏；
当固化剂掺量大于临界掺量时，固化处理后软土地基的变形模量随固化剂掺量增加而提高，且不会发生破坏。
4）固化处理后软土地基的承载能力随着养护龄期增加得到提高，养护7 d、14 d和28 d后的地基承载力特征值分别为60 kPa、60 kPa和88 kPa。并且养护龄期越大，相同荷载下地基沉降越小，加载至60 kPa时养护14 d后地基的沉降量小于养护7 d后的沉降量。
5）就地固化后软土地基的变形模量随着养护龄期增大而提高。固化后养护7 d后软土地基的变形模量为5.92 MPa，在养护14 d后软土地基的变形模量即达到89.83 MPa。
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