土體固結(jié)粉在軟土地基加固中的應(yīng)用研究

陳 沖，劉衛(wèi)東，閆雪明

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院， 上海 200093)

土體固結(jié)粉在軟土地基加固中的應(yīng)用研究

陳 沖，劉衛(wèi)東，閆雪明

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院， 上海 200093)

針對上海地區(qū)軟土地基特點，利用工業(yè)廢渣為主要原料配制成新型土體固結(jié)材料——土體固結(jié)粉。通過室內(nèi)的無側(cè)限抗壓強度及XRD試驗得出其固化土的強度性能及加固機理；再通過室外原位攪拌樁施工及芯樣試驗進行分析，研究了土體固結(jié)粉在軟土地基加固實際工程中的適用性。

土體固結(jié)粉；工業(yè)廢渣；軟土加固；加固機理

上海地區(qū)的軟弱地基具有土層強度低、地下水位高、含水率高及滲透系數(shù)小等特性，因此，為了保證該地區(qū)建筑物的施工安全性、使用功能及使用年限等要求，需要對建筑物下的軟弱地基土進行一定的加固處理。軟土固化劑正是為了滿足此類工程應(yīng)用的需求應(yīng)運而生[1]。

傳統(tǒng)的無機類軟土固化劑主要有水泥、粉煤灰、石灰等，在實際應(yīng)用中存在著水化熱大、易開裂、水穩(wěn)定性差、早期強度低、適用范圍小等缺點[2]，促使廣大科研及工程人員開始致力于新型高性能的軟土固化劑的研究。

從20世紀50年代起，新型軟土固化劑的研究已經(jīng)在國外發(fā)達國家興起，近些年來，國外的軟土加固技術(shù)發(fā)展十分迅速，先進的固化材料不斷涌現(xiàn)[3-4]。而我國對于新型軟土固化劑的研究起步較晚，國內(nèi)軟土固化劑產(chǎn)品多為引進歐美等國的技術(shù)加以改進而成，自主研發(fā)的水平較低[5-9]。

土體固結(jié)粉是以上海地區(qū)的工業(yè)廢渣(粉煤灰、鋼渣、脫硫石膏、再生骨料微粉等)、礦粉、水泥等為主要原材料，摻入適量堿性激發(fā)劑，混合配制而成的一種無機類粉末狀軟土固化材料，應(yīng)用對象主要是上海及周邊江浙地區(qū)的軟土地基，具有節(jié)能、環(huán)保的特點。

本文主要研究目的是通過分析室內(nèi)制樣的無側(cè)限抗壓強度試驗，檢驗土體固結(jié)粉加固土的強度性能能否達到現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的設(shè)計要求；再對試樣進行XRD試驗，研究其加固土的作用機理。最后通過室外原位攪拌樁施工及芯樣試驗，確定土體固結(jié)粉在實際軟土地基加固工程中取代傳統(tǒng)固化材料的可行性，并為相關(guān)工程設(shè)計、施工提供參考意見，提出進一步研究的方向。

1 室內(nèi)試驗材料及方法

根據(jù)上海地區(qū)一般場地地基土的分布特點，選用三種典型地基土(第②層褐黃色粉質(zhì)黏土、第③1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及第③2層砂質(zhì)粉土)為加固對象，土樣經(jīng)風(fēng)干后，分別與土體固結(jié)粉及P.O 42.5水泥進行攪拌制樣，進行以下試驗。

1.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

參考《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》[10](JGJ/T233—2011)，試樣采用邊長70.7 mm的立方體試模制樣。每組試件為6個，JJ-5水泥膠砂攪拌機攪拌，機械振搗，48 h后拆模，標準條件下養(yǎng)護至齡期。采用DYE-2000型數(shù)顯混凝土壓力試驗機，加荷速率取0.08 kN/s，加荷至試件破壞，得出加固土試樣的無側(cè)限抗壓強度值。

1.2 XRD試驗

在XRD試驗前需對加固土試樣進行前期處理，具體過程如下：

(1) 取樣：取無側(cè)限抗壓強度試驗后的加固土試樣中心部位碎片；

(2) 干燥：將試樣置于35℃烘箱中低溫風(fēng)干48 h至干；

(3) 粉磨：取1 g左右的風(fēng)干加固土試樣，在瑪瑙研缽中仔細粉磨后，過200目(0.074 mm)篩，取約20 mg的試樣微粉進行XRD試驗。

試驗設(shè)備采用日本理學(xué)株式會社(Rigaku Corporation)生產(chǎn)的D/Max-Ⅲa型固定靶X射線粉末衍射儀。采用美國國家標準局(NBC)推薦的側(cè)裝樣法，其衍射儀的工作條件為：管電流20 mA，管電壓40 kV。采用步進式掃描的方式，定性分析的起始角為5°，終止角為85°，步寬為0.02°。試驗得出的試樣物相采用JADE 6.0軟件進行數(shù)據(jù)分析。

2 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果分析

通過室內(nèi)制樣的無側(cè)限抗壓強度試驗，得出加固土試樣在不同齡期下強度值結(jié)果見表1。

表1 加固土不同齡期的無側(cè)限抗壓強度值

注：(1) 兩種材料的水灰比均為0.5(質(zhì)量比)，摻量的質(zhì)量分數(shù)均為12%；(2) 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、褐黃色粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土的含水率分別為45%、35%、35%。

對比兩種土體固化材料在各土樣中的加固效果，可以看出：

(1) 土體固結(jié)粉加固土的無側(cè)限抗壓強度受土質(zhì)影響較大，加固粉性土的強度較高，而加固淤泥質(zhì)土的強度較低。

(2) 相同條件下，7 d齡期之后，土體固結(jié)粉加固土的無側(cè)限抗壓強度略低于P.O 42.5水泥加固土，二者比率大致為0.8～1.0；但土體固結(jié)粉加固土3 d齡期的強度略高于P.O 42.5水泥加固土，這說明土體固結(jié)粉的初凝時間相對較短，初期強度增長較快。

(3) 12%摻量的土體固結(jié)粉加固土7 d強度均達到2 MPa，滿足上海地區(qū)基坑圍護的工程要求，說明從強度方面來看，土體固結(jié)粉可以用于軟土加固。

3 XRD試驗結(jié)果分析

選用固化劑摻入量為12%、水灰比0.5、標準養(yǎng)護條件下28 d齡期的加固粉質(zhì)黏土試樣，通過XRD試驗分析得出原狀土和加固土的礦物組成如表2所示。

普通硅酸鹽水泥加固軟土的主要作用機理有水泥的水解和水化反應(yīng)、黏土顆粒與水泥水化物的作用(包括離子交換和團?；饔?、凝硬反應(yīng))和碳酸化作用等幾個方面[11]。總的來看，土體固結(jié)粉加固土的礦物種類及比例變化與水泥加固土大體相似，說明二者的主要作用機理基本相同。

表2 XRD全礦物分析結(jié)果 單位：%

但從加固土礦物的量化角度來對比分析，可以看出：

(1) 土體固結(jié)粉加固土中的石英、氫氧鈣石及方解石含量較水泥加固土少，說明土體固結(jié)粉的水解及水化反應(yīng)不及等量的普通硅酸鹽水泥充分。

(2) 土體固結(jié)粉加固土中角閃石和白云石含量較高，這是由于土體固結(jié)粉原料中含有一定量的鋼渣所致。

(3) 土體固結(jié)粉加固土中生成了鈣礬石，這在原狀軟土及水泥加固土中都未發(fā)現(xiàn)。鈣礬石作為膨脹性水化產(chǎn)物，可以在加固土的顆?？紫吨行纬梢环N網(wǎng)架狀的空間支撐結(jié)構(gòu)體系，使加固土的固相體積增長1.2倍, 很大程度上填充了固化土顆粒中的孔隙，從而達到提高固化土強度的效果。

4 工程實例

由于實際工程現(xiàn)場的條件遠比實驗室復(fù)雜、難以控制，所以對于土體固結(jié)粉這一新型土體固結(jié)材料，還需要通過室外的原位攪拌樁施工以及相應(yīng)的試驗，來對其工程特性進行檢驗。

本次工程試驗采用攪拌樁的施工方式，這是因為攪拌樁在地基處理及基坑圍護等工程領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，且施工工藝相對簡單、成熟。

4.1 工程地質(zhì)條件

此次試驗場地位于上海市虹口區(qū)的涼城地區(qū)，該地區(qū)地基土屬于濱海平原地貌類型。試驗場地淺部土層的主要物理力學(xué)性質(zhì)如表3所示。

表3 試驗場地淺部土層土樣的物理力學(xué)性質(zhì)

4.2 攪拌樁的施工技術(shù)要求

施工機械采用SJB-2型雙軸攪拌樁機，攪拌樁施工的主要技術(shù)要求為：

(1) 固化材料的水灰比應(yīng)控制在0.5～0.55范圍內(nèi)；

(2) 樁位的垂直度應(yīng)控制在1%以內(nèi)；

(3) 樁體采用兩噴三攪的施工工藝；

(4) 鉆頭每轉(zhuǎn)一圈提升或下沉量為1.0 cm～1.5 cm，鉆頭提升、下沉速度不宜大于0.5 m/min。

4.3 鉆探取芯及無側(cè)限抗壓強度試驗

本工程無側(cè)限抗壓強度試驗的芯樣通過XY-1B型鉆機連續(xù)取芯制得，使用STYE-2000B型壓力試驗機對芯樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。通過現(xiàn)場鉆探鉆取的攪拌樁芯樣，對兩個不同的養(yǎng)護齡期(21 d和40 d)均進行了無側(cè)限抗壓強度試驗，并與P.O 32.5水泥土攪拌樁的芯樣強度作對比，芯樣無側(cè)限試驗結(jié)果如表4所示。

表4 土體固結(jié)粉攪拌樁芯樣無側(cè)限抗壓強度值

根據(jù)芯樣的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果可以看出：

(1) 同摻量下，土體固結(jié)粉攪拌樁芯樣的無側(cè)限抗壓強度要明顯要高出P.O 32.5水泥攪拌樁，其中在同為13%摻量下，土體固結(jié)粉攪拌樁的40 d強度約高出P.O 32.5水泥攪拌樁強度20%。

(2) 土體固結(jié)粉的摻量對于攪拌樁強度有較為明顯的影響，其中13%摻量的土體固結(jié)粉攪拌樁芯樣強度約比10%摻量的攪拌樁高出1.2倍。

因此，從原位施工、取芯試驗的結(jié)果來看，在相同摻量下，土體固結(jié)粉攪拌樁芯樣的無側(cè)限抗壓強度要明顯高于P.O 32.5水泥攪拌樁，故從強度性能角度來說，土體固結(jié)粉可以替代普通硅酸鹽水泥應(yīng)用于攪拌樁工程。

4.4 工程中的問題探討

(1) 同摻量下土體固結(jié)粉攪拌樁芯樣的40 d強度相比21 d強度并無明顯增長，這一現(xiàn)象違背了常規(guī)的工程經(jīng)驗，分析其原因可能有：

① 由于該現(xiàn)場試驗是在夏季進行的，當(dāng)?shù)厥彝鉁囟雀哌_35℃，而攪拌樁的深度不大，故高溫加速了攪拌樁的早期強度發(fā)展，使其后期強度發(fā)展緩慢。

② 該現(xiàn)象從一定程度上反映出了土體固結(jié)粉加固土具有早期強度增長快的特性，這一點與室內(nèi)試驗的分析結(jié)果是相吻合。

(2) 攪拌樁原位施工的芯樣強度遠遠低于室內(nèi)試驗值，造成該結(jié)果的原因是：同室內(nèi)試驗相比，現(xiàn)場原位試驗的試驗條件難以控制，如振搗效果、養(yǎng)護環(huán)境、外界施工擾動等等因素，導(dǎo)致現(xiàn)場原位試驗的攪拌樁強度難以達到預(yù)期效果。這也是基坑圍護工程中普遍存在的問題，需要更先進的施工工藝或高性能的軟土固化劑來平衡這種缺陷。

5 結(jié) 論

根據(jù)上述室內(nèi)及現(xiàn)場的試驗結(jié)果，綜合分析得出結(jié)論如下：

(1) 從室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗來看，土體固結(jié)粉加固褐黃色粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土均具有較好的效果，其強度可達同摻量P.O 42.5水泥加固土的80%以上。

(2) 土體固結(jié)粉加固土的作用機理與水泥加固土基本相同。土體固結(jié)粉加固土中生成的膨脹性水化物——鈣礬石，通過填充、擠壓加固土的孔隙提高了加固土的強度，彌補了其水化產(chǎn)物的不足。

(3) 從現(xiàn)場原位試驗來看，土體固結(jié)粉攪拌樁強度性能優(yōu)于P.O 32.5水泥攪拌樁，從強度性能方面來說，土體固結(jié)粉完全可以取代水泥作為軟土固化劑應(yīng)用于上海地區(qū)軟土地基加固工程。

(4) 由于現(xiàn)場原位試驗的振搗效果、養(yǎng)護環(huán)境、外界施工擾動等不利因素的影響，導(dǎo)致攪拌樁原位施工的芯樣強度遠遠低于室內(nèi)試驗值，建議在今后的研究中采用施工質(zhì)量更好工藝，如三軸攪拌樁等。

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The Application of Soil Consolidation Powder in Soft Soil Foundation Consolidation

CHEN Chong, LIU Weidong, YAN Xueming

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai, 200093,China)

According to the characteristics of soft soil foundation in Shanghai, a new soil consolidation material-soil consolidation powder was prepared by using industrial waste residue as the main raw material. Through unconfined compressive strength and XRD test, the strength and properties of the cured soils were obtained. The applicability of soil consolidation powder in the actual engineering of soft soil foundation was analyzed by outdoor in-situ mixing pile construction and core sample test.

soil consolidation powder; industrial waste; soft soil reinforcement; reinforcement mechanism

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.035

201I7-02-19

2017-03-15

陳 沖(1994—)，男，安徽合肥人，碩士研究生，研究方向為無機非金屬建筑材料。E-mail:824871316@qq.com

TU411.6

A

1672—1144(2017)03—0169—04