土壤加固技术及其发展2004

土壤加固技术及其发展

周永祥,阎培渝

(清华大学土木水利学院,北京100084)

摘　要:提出并区分了土壤加固、土壤稳定和土壤固化的概念,得出土壤固化和土壤稳定既有区别,又有交叉重叠的部分,但它们都同属于土壤加固的范畴。综述了目前主要的土壤加固技术的方法、原理及其发展,包括机械力加固、热处理加固、化学加固、加筋加固和注浆加固。其中,化学加固中的土壤固化剂技术在近几十年发展迅速,有大量研究成果和工程应用;阐述了钙基类与非钙基类固化剂的种类、特点和加固机理,分析了新型非钙基类固化剂应用现状及其原因;介绍了生物注浆加固技术的方法和原理。

关键词:土壤加固技术;土壤稳定;土壤固化;土壤固化剂

中图分类号:T U441+.8 文献标识码:A 文章编号:1672-7029(2006)04-0035-06

Soil reinforcement technique s and their evolvement

ZH OU Y ong2xiang,Y AN Pei2yu

(School of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing100084,China)

Abstract:The concepts of s oil reinforcement,s oil stabilization and s oil s olidification were presented.and their rela2 tions were discussed.S oil stabilization and s oil s olidification,belonging to the field of s oil reinforcement,are tw o dif2 ferent concepts,but they have s ome same overlapped contents.Methods,principles and ev olvement of current main s oil rein forcement techniques were summarized,including mechanical reinforcement,heat treatment reinforcement, chemical reinforcement,rein forced s oil and grouting reinforcement.S oil stabilizer technique included in chemical rein2 forcement has made a fast progress in recent several decades,having lots of research productions and application cases. The s orts,characteristics and mechanisms of calcium-based and non-calcium-based s oil stabilizers were summa2 rized.The causes that new non-calcium-based s oil stabilizers can not be used widely were analyzed.The method and principle of bio-grouting technique were introduced,too.

K ey w ords:s oil rein forcement techniques;s oil stabilization;s oil s olidification;s oil stabilizer

1　土壤加固的概念

从技术角度看,土壤加固是指通过某种措施使土壤变得更加坚固(hard)、稳固(stable)和密实(com pact)以满足工程建设的要求。土壤加固的主要目的是获得比天然土更高的强度、更好的整体性和抗渗性。

目前,常与土壤加固并举的另一个概念是土壤固化,二者往往被混同使用。一般来说,土壤固化指通过某种措施将散碎状的土壤固结为具有一定强度的整体性固体物质,经固化处理的土可以称为固化土,固化土与自然土的最大区别在于整体性与散碎性的区别。实际上,虽然土壤加固的一部分内容属于土壤固化,但是,土壤加固的外延显然要大于土壤固化。土壤固化也往往被称为土壤稳定,主要原因可能是来源于英文“S oil Stabilization”的直译。从字面理解,土壤固化强调的是加固的坚固性和密实度,而土壤稳定强调的是加固的稳固性,意

第3卷　第4期2006年8月

铁道科学与工程学报

J OURNA L OF RAI LWAY SCIENCE AND EN GI NEERI N G

Vol13　No14

Aug.2006

收稿日期:2006-04-25

基金项目:国家“863”计划项目(2003AA33×100)

作者简介:周永祥(1979-),男,云南呈贡人,博士研究生,从事土壤固化及固化土的耐久性研究

义上有所差别。英文的“S oil Stabilization ”在很大程

度上是指降低膨胀土的胀缩变化,强调加固的稳定性。就此而言,“稳定”的含义是准确的。对于以获得坚固性和密实性而非稳定性为主要目的的土壤固化,使用土壤稳定的提法并不准确。长期以来,土壤加固、土壤固化和土壤稳定的概念混乱,不利于技术规范化和相关规程的制定。在此,作者提出土壤加固、土壤固化和土壤稳定概念的外延关系,如图1所示:土壤加固包含了土壤固化和土壤稳定的内容,而土壤固化和土壤稳定又有交叉重叠的部分

。

图1　土壤加固与土壤固化和土壤稳定的外延关系

Fig.1Relations am ong s oil rein forcement ,s oil s olidification

and s oil stabilization

2　土壤加固技术的由来与发展

2.1　机械力加固

土壤加固是一个古老的课题。早在远古时代,人类先民最早的建筑活动就涉及土壤的加固。最简单的加固方法就是物理夯实,以使含水率适当的粘土、粉土紧密结合而产生强度。最典型的代表是中国古代的版筑技术。该技术的基本方法是在夹版中填入泥土,用杵夯实。据考证,中国古代的版筑技术,起源于距今5000多年前仰韶时代晚期的中原地区[1]。历经发展成熟后,成为古代城垣、宫殿、房屋等土木建筑的基础工程和围护结构的主要手段。版筑技术在西周尤其是春秋战国时代已经被普遍使用。这种技术简单、成本低廉的方法至今仍在沿用,在20世纪中国的农村,夯土筑墙和压实地基在水泥广泛使用之前还是农村建筑的主要方式。

限于古代的技术水平,夯实以人工为主,后来也有利用牲畜拉碾子进行碾压的,一般压实力度较小。随着机械的发明和使用,用机械强力夯实的方法于20世纪60年代末在法国出现,它的基本原理是利用强夯产生的高能量冲击波和动应力在土层

某一区域形成加固区,在此区域内,土颗粒的相对运动促使气泡和(或)水分排出或压缩,从而减小孔隙体积,土壤得以压实[2-3]。

打桩法是通过振动、冲击作用将桩四周的土壤压密和挤密,达到加固的目的。古代常用打入木桩的办法加固地基,现代常用的打桩技术有土桩、灰土桩、砂桩、碎石桩、石灰桩等,其中石灰桩还兼用了化学加固的方法。压实是加固土壤的基本手段,也是其他土壤加固方法中几乎不可缺少的环节。2.2　热处理加固

在距今7000～8000年的新石器时代早期,我国出现了制陶技术,从此开辟了另一条粘土固化的途径———高温烧结。西周时期陶器的应用开始扩大到建筑领域,从此砖瓦成为重要的建筑材料。到了战国时期,我国古代建筑中使用的砖瓦的几种基本类型如筒瓦、板瓦、瓦当、大小方砖和长方砖等已大都具备[4]。“秦砖汉瓦”也随之成为中国古代建筑的一个显著特征。陶瓷技术是固化土壤的一种特殊方法,有其自身的特点,与一般意义上的土壤加固不同。

现场焙烧法是在不破坏土工建筑物或建筑物地基整体性的条件下,通过设在土体内的沟槽、平洞、钻孔,利用燃烧物产生的高温(600℃以上)使粘土的塑性消失,变为像砖一样的半岩石类土,从而提高土体的强度、耐水性和抗冻性。因此可利用现场焙烧法加固土工建筑物和地基。利用此方法加固铁路路基和治理滑坡已有100余年历史,俄罗斯、前苏联有不少成功的工程实践。1956～1988年,哈巴罗夫铁路工程研究所通过大量的现场与实验室研究,系统地提出了焙烧法的设计方法和施工工艺[5]。2.3　化学加固2.3.1　三合土

石灰的使用是古代建筑材料和建筑技术的一次重大飞跃,它是水泥发明之前最广泛使用的胶凝材料。我国使用石灰作为建筑材料,可追溯到距今五六千年的仰韶文化时期。古代人将石灰、碎石(或细砂)加入粘土中混和压实,可以获得较好的固化效果,俗称三合土。这种三合土出现在公元5世纪中国南北朝时期。到明代有石灰、陶粉和碎石组成的三合土,清代还出现了以石灰、炉渣和砂子组成的三合土[6]。石灰的使用产生了较好的固化效果,尤其是它较好的水稳定性是单纯依靠人工夯实所不能达到的。三合土是古代化学方法固化土壤最成功的例子。三合土因可以就地取材、施工方便且造价低廉而被广泛使用,一般用作地面、屋面、房基和地面垫层以及水坝。

63铁道科学与工程学报 2006年8月

古人在使用石灰的同时,还掺入了有机物如糯米汁、羊桃藤汁、桐油、牛马血等形成复合胶凝材料。明代《天工开物》记载:“灰一分入河砂,黄土二分,用糯米、羊桃藤汁和匀,经筑坚固,永不隳坏,名曰三合土”。有机物的掺入大大提高了土壤加固的强度,在石桥建筑史中记载,用糯米和牛血拌“三合土”砌筑石桥,凝固后与花岗石一样坚固。糯米汁拌“三合土”的建筑物非常坚硬[6]。

2.3.2　现代的土壤固化剂

在当今建筑和道路交通领域中,应用最为广泛的土壤固化方法是在常温下掺加化学土壤固化剂来满足工程建设的要求。这些土壤固化剂可以分为两类:钙基类固化剂和非钙基固化剂。

1)钙基类固化剂。钙基类固化剂是目前使用最广泛的传统固化剂,主要有石灰、水泥、粉煤灰、矿渣、水泥窑灰以及其他石灰类产品等。其中在路用固化材料中以石灰、水泥和粉煤灰最为常见。

石灰是使用最为广泛的粘土路基固化剂。石灰固化土具有成本低、适用范围广和施工简便等特点,因而,目前在公路路面结构中被广泛作为高级和次高级路面的基层、底基层和垫层。试验研究表明[7],用石灰加固粘土、腐殖土及酸性土等要比水泥优越,特别是用来加固过湿土效果尤为显著。但是石灰加固土壤往往早期强度低,强度发展慢。因此单独使用效果往往不如与其他材料如粉煤灰复合使用好。

水泥是继石灰之后在胶凝材料史上最重要的发明,而且它的使用量和应用范围以及由此带来的人类社会建筑活动的变革都具有划时代的意义。最早使用水泥加固土壤大约在20世纪一二十年代,经过80多年的发展,水泥加固土形成了较为完备的试验方法和规程[8]。由于水泥本身的适应性较强,因此水泥加固土应用范围广,使用方法灵活多样。但是水泥加固土往往收缩较大,开裂风险较高。而且,在加固某些土壤尤其是含粘粒多的土壤,水泥的加固效果往往不如那些以矿渣、钢渣、粉煤灰等火山灰材料为主要组份的土壤固化剂。

用粉煤灰固化土壤作为路基越来越普遍,通常粉煤灰必须与石灰或者水泥混合使用。虽然含有20%～30%的CaO粉煤灰具有自胶凝性,但是这些CaO中仅有一小部分是游离石灰,不足以充分激发粉煤灰的火山灰反应,因而需要掺入石灰或水泥,其作用是双重的:改性粘土和激发粉煤灰。粉煤灰在石灰固化土中的关键性作用则是为不具有碱激发活性的粘土提供所需要的火山灰材料[9]。因此,石灰-火山灰综合固化效果比单纯利用石灰好。石灰粉煤灰加固土俗称二灰土,作为路面基层,除有材料来源广、经济等优点外,同石灰加固土相比更具有强度高、水稳性和抗冻性好的显著优点,而且在收缩上也较水泥加固土小。但是,二灰土一个明显的缺点是早期强度偏低,因此国内外均有研究其早强技术的工作。研究表明[10],在二灰土中少量掺加化学物质如氯化钙、硫酸钠、氢氧化钠、磷酸钠、硅酸钠等,能够在不同程度上提高其早期强度。

一般认为,钙基类固化剂的加固机理主要是钙离子交换和火山灰反应。同时,Ca(OH)2的结晶及其碳化也能增强加固效果。

2)非钙基固化剂。非钙基固化剂作为一类新型土壤固化剂近几十年来发展迅速,方兴未艾。这类固化剂涵盖的范围很广,产品种类繁多,固化机理各不相同。非钙基固化剂的出现,为土壤加固提供了另一种可供选择的技术方案。从理论上讲,它可以避免出现钙基类固化剂在用于富含硫酸盐土壤时可能出现的因石膏和(或)钙矾石生成而引起的土体膨胀,这是非钙基固化剂的一个重要的技术优势。

在这类固化剂中,常见的有如下3类:离子型固化剂(ISS,I onic S oil Stabilizer),酶类(Enzyme)固化剂(国内亦称固化酶)和聚合物(P olymer)固化剂。表1列举了一些国内外市场上的非钙基固化剂产品[11,12]。

表1　非钙基固化剂产品举例

T able1Products list of s ome non-calcium-based s oil stabilizers

产品名称类型

C ondor SS离子型(磺化油)

R oadbond/R oadpacker离子型(磺化油)

ISS2500离子型

E MC2酶类

Bio-Cat酶类

Perma-Z yme(帕尔玛)酶类

S oil Seal聚合物

R oad Oyl松香脂

T op Seal聚合物

S oil Sement胶乳聚合物

C ons olid444氯化铵

20世纪60年代,国外出现了离子型土壤固化剂,我国在90年代中期开始引进并逐渐应用于堤坝和道路的修筑。离子型固化剂产品,如R oad2 bond/R oadpacker和C ondor SS,其主要的活性成分是磺化油。按照一些产品供应商的描述,其固化机理是通过磺化油在水中产生的阴阳离子与土壤颗粒进行离子交换作用,将土颗粒表面吸附的薄膜水变为自由水排出,土壤得以压实;同时,由于磺化油是一种阴离子表面活性剂,分子的一端具有憎水性,

73

第4期 周永祥,等:土壤加固技术及其发展

这样压实后的土壤就可以阻碍外来水分再次形成薄膜水而导致土壤膨胀疏松或泥化。但是,国外一份研究报告[11]指出,有效成分是磺化苎烯(sul2 fonated lim onene)类物质的离子型固化剂,即使以很高的用量用于固化某些土壤,微观试验显示土壤矿物的化学结构并没有发生明显变化,该试验结果难以支持离子交换的固化机理假说。而且,他们的研究结果表明,如果按照供应商推荐的掺量,甚至增加到这个掺量的10倍,也不能对某些土壤的性质如塑限、压实密度、一维自由膨胀势以及不排水三轴抗剪强度等起到明显的改善作用。但是,同样的固化剂用于一种蒙脱粘土,发现在高掺量情况下粘土晶格可以发生改变[13]。以磺化油为主要成分的离子型固化剂是一种酸性物质,不适用于pH值大于7.5的碱性土壤。可见,此类固化剂对土壤有较强的选择性和针对性。

酶类土壤固化剂出现于20世纪80年代的美国,1995年开始进入我国[14]。在国内出现的产品主要有帕尔玛固化酶,已经在全国多个省区推广使用。1998年内蒙古自治区交通厅曾为推广该产品的筑路技术而印发了《帕尔玛土壤固化酶筑路技术须知》[15]。

通常认为,酶类固化剂借助与有机分子结合生成的中间产物来与粘土晶格发生交换反应,它能打破粘土矿物的双电层结构,将其中的水分排出,促使土颗粒集聚、进一步团粒化而胶结。同时固化剂能够吸附于粘土矿物的内层和外部区域以阻止对水分的吸附[16,17]。

聚合物固化剂的作用机理通常被认为是物理的而非化学的,它并不改变粘土矿物的内层结构,而是通过裹覆土颗粒,在其表面产生强大的吸附作用,使得土壤颗粒集聚固化[16]。

新型非钙基类固化剂有着广阔的应用前景,但是目前在国内外都并不十分广泛,究其原因,固然有土壤的多样性和差异性对某种固化剂普适性的苛求,但以下原因也是不容忽视的:一是供应商所提供的技术信息十分有限,往往对固化剂的成分和制造工艺秘而不宣,所给出的一些固化机理缺乏相应的试验证据,难以令人信服,且有一些试验结果并不支持这些机理假说;二是缺乏第三方独立机构提供的相关检测报告,也缺少现场试验的详细资料,实验室的研究毕竟不能完全等同于现场试验;三是正如上述研究报告提及的,有些固化剂产品的用量并不如供应商所宣称的那么少,加固效果也并非那么理想。因此,对于这些固化剂的选用必须十分审慎,现场应用之前应对该产品的实际加固效果进行检验。2.3.3　沥青加固

沥青加固土有热拌与冷拌之分,热拌法由于常常需要加热土壤或(和)沥青而受到限制。冷拌法则是用液体沥青加固未加热的土壤。对于粗粒土,如碎石、砂砾,沥青主要发挥其界面粘聚作用。对于粘土,由于粘土颗粒具有强大的表面能,沥青与土颗粒之间发生物理吸附和化学吸附,在土颗粒周围形成坚强的沥青薄膜,从而形成稳定的凝聚结构。同时裹覆在土颗粒上的沥青因有憎水性,能够阻止水分侵入,提高加固土体的水稳性。研究表明,土壤的含水量对加固土的强度和水稳性有着重要的影响。适宜的水分,不仅可以削弱那些未被沥青膜裹覆的土颗粒的表面能,从而减小它们进一步吸收水分的能力,而且是沥青充分分散到土壤中并获得良好压实性的必要条件[7]。

为改善和提高沥青加固粘性土壤的效果,常常预先用石灰作为活化剂进行处理,目的是活化土颗粒的表面,降低土的亲水性,提高土的吸附能力等。液体沥青加固砂土类土壤效果不理想,而较适宜加固粘性土;乳化沥青则更适宜砂土的加固,用于粘土时,会因粘土颗粒巨大的表面能作用使得乳化沥青在某种程度上失水而变得粘稠,从而难以均匀地分散在土壤中[18]。

2.3.4　盐溶液加固

含盐量较高的土壤,即使不掺加固化剂,重塑后在干燥状态下由于盐分的胶结作用也会具有较高的强度。因此,工程中有采用盐溶液稳定土壤的方法。所用盐类一般为氯盐,如氯化钙、氯化镁和氯化钠等。盐分在土壤中会与土颗粒发生阳离子交换作用,特别是Ca2+能够减薄土壤胶体的扩散层厚度,降低其动电电位,有利于土壤的压实和团粒化。但是Na+的强烈水化能够增大扩散层厚度,因而适宜用在粘粒成分不足的土壤[7]。特别是干旱地区,氯盐的吸湿持水作用可以减轻路面的松散、扬尘。同时,盐分可以降低冰点,减轻冻害。实际中常用注盐的方法消除或减轻道路路基的冻害。我国曾注入以土、盐渣、卤水体积比为1∶1∶1配合的浆液,成功地加固了遭溶蚀的岩盐路基[19]。

在盐湖环境中的公路,可将饱和盐湖卤水与土壤、砂砾拌和压实后充当路基和路面,也可将盐壳、盐块破碎后喷洒盐水碾压筑路。凡需修补和维护处,均以浓盐水喷洒,有时也掺入级配粒料。用这种方法修筑的路面,行车时速可达60km以上,堪与沥青路面比美[20]。在青海察尔汗盐湖中,有一条长达32km被称为“万丈盐桥”的公路,全部是用当地的石盐(NaCl)修筑而成。但是这类工程最忌淡水淋溶,在淡水作用下,土体结构可能彻底崩溃。

83铁道科学与工程学报 2006年8月

2.4　加筋加固

加筋加固是在土中加入筋带、钢筋、纤维、网状材料等增强筋材而形成土与筋的复合体,借助增强筋的抗拉强度以加强土壤的稳定性。人类很早以前就在自发地利用加筋技术加固土体:仰韶文化遗址中就发现用草泥修筑的墙壁和屋顶;在粘土泥浆中加入铡断的稻草或其他植物秸秆制作土坯,这种技术在我国农村中至今还在沿用;甘肃玉门一带,还保留有用砂、砾石和红柳或芦苇叠压而成的汉代长城[21]。1963年,法国工程师Henry Vidal提出了加筋土的概念及其设计理论,开创了现代加筋土技术的先河[22]。我国于20世纪70年代后期开始引入现代加筋土技术,1979年在云南田坝矿区建成了我国第一座加筋土挡墙[23]。20世纪50年代,土工合成材料开始应用于岩土工程中,加筋土技术获得进一步发展。

加筋加固的概念比较宽泛,即以所加之“筋”而论,粗至钢筋、土钉、锚杆和桩,细至现代的各种纤维。纤维加固土对于解决现在土壤固化中普遍存在的因收缩变形而引起的开裂问题具有重要意义[24]。

2.5　注浆加固

注浆加固是采用某种措施将浆液注入土层中达到加固的目的。1802年,法国工程师Charles Beriguy首次运用注浆法修复水闸,如今注浆法成为地基加固的一种常用方法。注浆法可分为静压注浆(亦称灌浆)和高压喷射注浆。静压注浆原则上不破坏土体结构,浆液在静压下循裂缝或者孔隙而进入土层,硬化后形成固结体。高压喷射注浆法首创于20世纪60年代末期的日本,其基本方法是利用钻机带有的喷嘴喷射出的高压浆液冲击破坏土层,浆液与土壤搅拌混合后形成固结体[22]。近年来,新的注浆材料的应用,如超细水泥、粉煤灰水泥浆、硅灰水泥浆等,扩大了注浆法的应用范围。荷兰正在研究利用生物注浆(BioG routing)加固土壤的技术,他们将含有某种细菌的营养液灌注进土壤中,该种细菌能够将尿素降解产生C O2-3,在存在Ca2+的情况下,生成碳酸钙晶体沉淀在土颗粒表面,将土壤胶结[25]。据说,该技术作为“Smart S oils”技术的一种,已经成功应用于雕像的修复。

3　土壤加固技术的研究热点

1)强夯法的加固机理。强夯技术被广泛应用于处理碎石土、砂土、粉土、湿陷性黄土以及杂填土等,但是其加固机理仍需进一步研究,特别是对于饱和粘土,尤其是淤泥质土壤的加固存在较大争议。

2)新型非钙基类土壤固化剂的作用机理。新型非钙基类固化剂,特别是近年来备受关注的离子型固化剂,具有广阔的应用前景,对于道路工程尤其具有技术优势,但是其作用机理难以得到更加广泛和更加透明公开的研究,在一定程度上制约了该技术的应用和发展。

3)土工合成材料在土壤加固中的应用及其加固机理。土工合成材料作为一种新型的岩土工程材料,在近几十年来获得了长足的发展。这种新材料在土壤加固中的应用可望解决现在道路工程中使用半刚性基层引起的路面开裂问题。

4)注浆加固技术的新发展。生物注浆是注浆加固技术的一个开拓性发展,其优势在于增强了人们对固化过程的可控性,通过合理的设计,可以利用这个生物过程去“智能地”修复和加固结构物的某些特殊部位,如一些人们难以直接修复的管道和渠道,可以在保持原结构物不被破坏的情况下实现加固和修复。其难度则在于如何有效控制菌群的分布和生长。目前,如何保证土体固结的均匀性仍然是该技术需要解决的问题。

致　谢

感谢清华大学土木工程系刘华北副教授与博士研究生刘光磊向作者提供“Smart S oils”技术的有关资讯。

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04铁道科学与工程学报 2006年8月