铁路工程中淤泥原位固化技术应用研究

杨 松

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

1 引言

目前，地表0.5～3 m厚浅层流塑状淤泥地基处理方法主要以抛石挤淤、挖除换填等传统方法为主。抛石挤淤措施需要大量片石，且缺少检验验收标准；挖除换填措施开挖后淤泥需外运丢弃，城市道路运输环保要求亦相对较高。综合考虑到弃土征地、土方运输以及环保等因素，淤泥原位固化更具有社会经济效益优势[1]。

1906年，美国人对改良土进行了初次尝试，开展了在土体中加入水泥、沥青以及其他化学制品以提高土体工程性质的相关研究[2]。到20世纪70年代，改良土技术才得到普遍认同，并被多个国家广泛应用于机场和道路工程中[3]。我国铁路部门一般将改良土定义为:在土体中掺入石灰、水泥、粉煤灰、固化剂等材料进行处理，提高了工程性能指标的本体[4]。陈达等[5]通过试验研究指出不同性质水泥具有不同优良特性，可以为淤泥固化改良时水泥种类的选择提供帮助。刘海涛[6]提出将固化垃圾土用于路基填筑，取得了较好效果。Chen等[7]使用碱活化矿渣对含铬元素淤泥进行固化处理，获得了较好使用效果，并分析了作用机理。王波等[8]分析了水泥、生石灰及粉煤灰等不同固化剂及掺量对滨海沉积淤泥固化后压缩特性的影响。Tang等[9]研究了在粉煤灰中掺入少量的水泥对淤泥固化效果的影响。1997年，铁道科学研究院对石灰改良土和石灰粉煤灰改良土分别进行了静力与动力特性研究，并将试验结果与素土进行对比[10]。宋金良等[11]开展海洋软土不同加载速率动三轴试验，研究土体变形程度、刚度等的变化。郭林等[12]研究了围压和循环次数对软黏土滞回圈及变形特征的影响规律。

2 工程概况

改建铁路石龙集装箱办理站工程位于东莞市石龙镇。本地区气候温暖湿润、雨量充沛。项目场区内分布大量水塘，塘底为淤泥、淤泥质黏土，分布厚度范围为0.5～3 m，淤泥呈灰黑色，天然含水率较高(50%以上)，最高可超过65%，呈流塑状。场坪填筑施工图设计阶段对浅层淤泥软土地基处理主要采用掺和无机改良剂进行原地改良加固处理，以节省投资、加快施工进度。

3 固化剂配比优选

通过开展单因子试验，研究固化成型含水率、液态固化剂投加量及其稀释比等参数，基于不同龄期样品无侧限抗压强度进行初步筛选，为复合优化提供基础数据，进而基于响应面曲线法进行配比优化，最终确定适合集装箱办理站工程现场实际需要的固化剂配比。

3.1 单掺液态固化剂-制样含水率

液态固化剂稀释比为1∶10，投加量为1∶50，水泥投加量为20%，考察制样淤泥含水率为20%、25%、30%、35%的固化样品强度随时间的变化情况，如图1所示。

图1 单掺液态固化剂制样的淤泥含水率与强度关系

结果显示，较低的含水率下，制样淤泥的试样脱模成型效果较好，其中在25%含水率时，能兼顾制样成型效果和强度。因此，后续样品制备均在此含水率下进行。

3.2 液态固化剂-复合水泥投加量

选用上述较成型含水率25%制样，采用相同液态固化剂，复合水泥投加量为0%、15%、20%、30%时，淤泥固化土强度随时间变化情况如图2所示，其中YT为原状淤泥土未作处理的对照组。可以看出，与原淤泥土相比，当使用水泥复合液态固化剂时，强度随着水泥投加量的增加而增加。基于成本及使用量考虑，水泥投加量应该在20%以上可满足强度需要。

图2 不同水泥投加量与强度关系

3.3 液态固化剂-稀释比和投加量

水泥投加量为20%、制样含水率为25%时，考察不同稀释比在1∶20、1∶30下，液态固化剂投加量与强度随时间的变化关系如图3所示。通过结果分析发现，液态固化剂掺加总量与固化效果呈正相关；当液态固化剂掺加总量一定时，投加量与稀释比成反比关系，推荐使用低稀释比，减少稀释用水。液态固化剂稀释比在1∶30左右固化效果较好，在该稀释比下，投加量1∶20固化效果显著。

图3 不同稀释比下液态固化剂投加量与强度关系

3.4 基于响应面曲线法的配比优化结果与分析

响应面法是一种能够同时考虑数个影响因素来寻求最优响应值的数学手段。它不仅可以建立影响因素与响应值之间的函数关系，还可由此关系考察不同影响因素之间的交互作用规律。基于这一优势，本文采用响应面法用于固化剂配比优化筛选。

3.4.1 方案设计

以不同龄期试样的无侧限抗压强度为因变量，自变量分别为液态固化剂投加量(%DS绝干淤泥)(X1)、液态固化剂稀释比、水泥投加量(%DS绝干淤泥)，三者对应的编码值分别为X1、X2、X3。 并以+1、0、-1分别代表自变量的高、中、低三因素水平。对上述固化样品达到不同龄期(7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、360 d)开展强度试验，本文以龄期达到7 d为例进行研究。试验设计因素编码及水平如表1所示，方案优化结果如表2所示。

表1 试验设计因素编码及水平

表2 投加量优化方案强度结果

3.4.2 数据分析

进行不同龄期强度模型方差分析发现，二次方模型的F概率值最小，其方差平方和与均方差较为合理，因此该模型综合效果较好，可作为推荐模型。通过表面响应曲线可分析各参数间的相互关系，以液态固化剂稀释比为例，如图4所示。

图4 7 d龄期下液态固化剂稀释比及投加量与强度关系

3.4.3 优化分析

对响应面优化结果进行回归分析，则不同龄期的固化试样强度二次回归方程为:

式中:Y为无侧限抗压强度(kPa)；X1、X2、X3分别为液态固化剂投加量、液态固化剂稀释比、水泥投加量编码值。

可根据式(1)对不同龄期固化试样强度进行预测。当以上各参数在上述试验设定范围内，即液态固化剂投加量、液态固化剂稀释比和水泥投加量最佳值为20%、1∶20和30%条件下，第7天最大无侧限抗压强度为809 kPa。采用以上优化参数进行3组验证试验，得到第7天抗压强度均值为795 kPa，与预测值吻合良好，证明此预测方法具有可靠性。

4 淤泥固化土的动力响应验证

4.1 动三轴试验

本次试验采用SDT-10微机控制电液伺服土动三轴试验机。考虑到淤泥土的天然结构以及土体扰动对试验结果的影响，试验前对土样进行了重塑处理。为便于制备土样，按室内操作经验，将试样的含水率控制在最佳制样含水率30%。试验采用石龙铁路集装箱办理站工程中水塘底部的浅层淤泥，取土深度为0.5～3.0 m。水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，固化剂采用XY-A型液态固化剂，采用优化后的最佳配比与淤泥进行拌和，制得动三轴试验所需样本，养护7 d、28 d、120 d后开展动三轴试验。

4.2 不同应力水平作用下最大应变分析

原状淤泥土与7 d、28 d、120 d淤泥固化土在不同应力水平下最大应变试验结果如图5所示。可以看出，淤泥土的最大应变随应力水平的增大而增大，且原状淤泥土的最大应变都远大于淤泥固化土，说明添加固化剂后的淤泥土具有低变形的特性，固化剂提高了淤泥土体刚度。对比不同龄期的淤泥固化土，龄期为120 d淤泥固化土的最大应变与龄期为28 d淤泥固化土的最大应变数值较为接近；龄期为28 d淤泥固化土的最大应变小于7 d淤泥固化土，随时间增长，固化剂固化效果依然显著。

图5 淤泥土在不同应力水平作用下最大应变变化曲线

4.3 不同循环次数作用下累积应变分析

不同循环次数作用下累积应变试验数据设定围压为50 kPa，轴向荷载幅值为50 N，循环次数由100～1 000次变化的条件下，原状淤泥土与7 d、28 d、120 d淤泥固化土的循环次数与累积应变试验结果如图6所示。

图6 淤泥土在不同循环次数下的累积应变变化曲线

由图6可以看出，在围压、轴向荷载幅值一定条件下，随着循环次数的增大，淤泥土体的累积应变也随之增大；但固化后的淤泥土在相同条件下所产生的累积应变远小于原状淤泥土。可见添加固化剂后提高了淤泥土的刚度及动稳定性。

综上所述，采用本文试验及数值优化方法确定的固化剂种类及配比，可以满足铁路实际工程需要。

5 结论

(1)本课题依托于东莞石龙铁路集装箱办理站路基工程地基处理，综合采用资料调研、室内试验、现场试验及数值分析等手段对工程浅层淤泥土原位固化处理开展研究，结合淤泥土的工程地质特性、固化剂作用机理、固化剂配比优化及淤泥固化土的动力特性等，基于单因子试验和响应面曲线法确定了本工程淤泥土的最佳固化剂材料以及最优配合比方案，并以此配比制备样本开展室内动三轴试验，验证了方案的可靠性。将淤泥原位固化技术运用于工程实践并取得良好应用效果，可为同类工程提供参考。

(2)通过试验对淤泥固化土的动力响应进行验证，分析了不同应力水平作用下最大应变及不同循环次数作用下累积应变，进一步验证了固化土的刚度及动稳定性满足工程需要。