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