約束固化土軸壓承載特性試驗(yàn)研究

劉金龍，吳帥帥，劉興華，李建平，高政國，黃新

（1.中巖大地科技股份有限公司，北京 100041；2.北京航空航天大學(xué)交通學(xué)院，北京 100191）

0 引言

在近海島礁的基本建設(shè)中，不可避免地會(huì)遇到軟土地基處理問題。例如：對(duì)海底沉積的淤泥類軟土場(chǎng)地或疏浚淤泥吹填的場(chǎng)地需要進(jìn)行地基處理。由于這些島礁砂石資源匱乏，且運(yùn)輸困難或成本較高，因此應(yīng)盡可能地利用原地資源、減少建筑材料的運(yùn)輸量。此外，由于海底淤泥或海水存在某些鹽類對(duì)水泥產(chǎn)生腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，因此必須考慮地基處理材料抵抗鹽類腐蝕的耐久性問題。同樣的問題也出現(xiàn)在內(nèi)陸一些鹽漬土地區(qū)，例如青海省格爾木鹽湖帶地區(qū)。將原位軟土與水泥等固化劑拌合形成具有一定強(qiáng)度的固化土的地基處理技術(shù)可以充分的利用原位軟土，從而可以減少材料運(yùn)輸量。但該技術(shù)所能提供的地基承載力較低，且在含鹽淤泥中不能保證耐久性。針對(duì)此類情況，提出了一種新的地基處理技術(shù)：將軟土與含高比例膨脹組分的固化劑拌和后密實(shí)填充在置于地基中的、具有足夠高拉伸模量和強(qiáng)度的約束體長(zhǎng)筒內(nèi)，形成約束固化土樁。

約束體和膨脹性固化劑的有機(jī)結(jié)合應(yīng)能產(chǎn)生以下效果：1）固化劑中膨脹組分的體積膨脹可以減少固化土中孔隙，提高其強(qiáng)度[1]。約束情況下，可加大膨脹組分的比例以提高孔隙填充率，進(jìn)一步提高固化土強(qiáng)度。2）對(duì)混凝土施加環(huán)向約束形成約束混凝土，可以明顯提高其承載力[2-5]。類比約束混凝土，對(duì)固化土施加環(huán)向約束形成約束固化土，也應(yīng)能明顯提高其承載力。3）對(duì)約束混凝土施加預(yù)應(yīng)力可以進(jìn)一步提高其承載力[6-7]。同理，約束情況下固化土的體積膨脹會(huì)對(duì)約束體施加預(yù)拉應(yīng)力，這將轉(zhuǎn)化為對(duì)核芯固化土的徑向預(yù)壓應(yīng)力，應(yīng)能進(jìn)一步提高其承載力。上述幾點(diǎn)效應(yīng)的共同作用有望使約束固化土樁獲得較高承載力，成為一種有效的地基處理方法。

關(guān)于約束固化土，除文獻(xiàn)[8-9]報(bào)道了初步的探索性試驗(yàn)結(jié)果外，尚未見有相關(guān)研究文獻(xiàn)報(bào)道。雖研究[2-7]證明在約束條件下混凝土的承載能力可得到大幅度提高，但由于約束固化土與約束混凝土的組成和結(jié)構(gòu)有顯著不同（如固化土與混凝土相比孔隙率大很多、且固化土中土的粒徑大多比孔隙孔徑小，而混凝土中砂石的粒徑通常比孔隙孔徑大），因此，約束固化土是否呈現(xiàn)與約束混凝土相似的破壞模式和承載特性有必要進(jìn)行研究。本文通過對(duì)約束固化土圓柱體試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，對(duì)其承載特性進(jìn)行初步探討，為約束固化土樁承載特性的研究打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)方案

本研究擬探討約束固化土的承載特性，以及約束剛度、固化劑摻量的影響。試驗(yàn)方案如表1所示。其中約束剛度指約束體的彈性模量與約束體厚的乘積，通過約束體管壁厚度調(diào)整。固化劑摻量指固化劑質(zhì)量與土質(zhì)量之比。試件均在約束條件下成型，軸壓試驗(yàn)時(shí)各組都分為約束固化土（保留約束體）和無約束固化土（去除約束體）兩類。觀測(cè)內(nèi)容包括：成型期間環(huán)向膨脹應(yīng)變，軸壓試驗(yàn)過程荷載-環(huán)向膨脹應(yīng)變曲線，荷載-核芯固化土位移曲線、破壞模式。

表1 試驗(yàn)方案Table 1 Scheme of the experiment

1.2 試驗(yàn)材料

土的物理性能指標(biāo)如表2所示。

表2 土的物理性能指標(biāo)Table 2 Physical performance indexes of the experimental soil

固化劑包含膠結(jié)組分和膨脹組分兩類材料，前者與水泥類似主要產(chǎn)生水化硅酸鈣（CSH），后者主要產(chǎn)生水化硫鋁酸鈣（AFt），AFt形成過程固相體積增長(zhǎng)約120%。固化劑的組成如表3所示。試驗(yàn)所用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥、S85級(jí)粒化高爐礦渣和CA-70鋁酸鹽水泥，分別符合標(biāo)準(zhǔn)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》[10]，GB/T 18046—2017《用于水泥、砂漿和混凝土中的?；郀t礦渣粉》[11]和 GB/T 201—2015《鋁酸鹽水泥》[12]。Ca（OH）2、CaSO4·2H2O均為分析純。

表3 固化劑組分Table 3 Component of the curing agent

采用PVC管作為約束體，PVC管的外徑和長(zhǎng)度分別為11cm、20cm。通過軸壓10cm長(zhǎng)的PVC管，測(cè)得彈性模量和強(qiáng)度分別為3 663 MPa、31.89 MPa。

1.3 試驗(yàn)方法

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[13]進(jìn)行固化土的制備。將拌合好的固化土分10層依次手動(dòng)錘擊壓入PVC管中。為消除PVC管的豎向承載影響，在其內(nèi)壁涂油并覆蓋1層塑料薄膜。成型后用保鮮膜將試件裸露面封好，豎直放在水中，置于溫度約為20℃、濕度約為42%的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d；期間在每個(gè)試件頂面放置約10 kg重物，以阻止試件核心固化土豎向膨脹。在第28 d將無約束固化土試件的PVC管破除。

每組試件選取2個(gè)試件測(cè)試成型期間環(huán)向膨脹應(yīng)變；制作試件前在約束管的一半高度處對(duì)稱橫向粘貼2個(gè)3 mm×2 mm絲繞式應(yīng)變片，試件成型后采集其2周的膨脹應(yīng)變數(shù)據(jù)。進(jìn)行軸壓試驗(yàn)前分別在約束固化土試件和無約束固化土試件的一半高度處橫向?qū)ΨQ粘貼兩個(gè)60 mm×5 mm箔式應(yīng)變片。兩種應(yīng)變片的靈敏系數(shù)和電阻值分別是（2.08±1）%、（120±0.1）Ω。應(yīng)變數(shù)據(jù)用 JC-4A 靜態(tài)應(yīng)變儀采集。軸壓試驗(yàn)采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)以0.1 kN/s的速度加載。軸壓約束固化土試件時(shí)為保證只有核心固化土受壓，將2塊直徑略小于約束管內(nèi)徑的鐵塊分別放置于約束固化土試件的頂、底面。

2 結(jié)果與分析

各組試驗(yàn)結(jié)果分別見圖1～圖4、表4。

圖1 成型養(yǎng)生期間膨脹引發(fā)的環(huán)向應(yīng)變Fig.1 Expansion hoop strain of each group in forming process

圖 2 112、122、111 組的抗壓曲線Fig.2 Compressive curves of 112,122 and 111 groups

圖3 無約束固化土試件112組的破壞形態(tài)Fig.3 Failure modes of unconfined cylinder group 112

圖4 典型約束固化土試件的破壞形態(tài)及對(duì)應(yīng)的核芯固化土破壞形態(tài)Fig.4 Failure modes of typical confined cylinders and internal stabilized soil

表4 試件的峰值荷載和比例極限荷載Table 4 Peak load and proportional limit load of the cylinders

2.1 固化土承載性能

與無約束固化土相比，約束固化土的承載力大幅度提高，兩者的破壞模式也完全不同。由圖2～圖4可見：無約束固化土呈現(xiàn)脆性破壞的模式，從荷載-位移曲線可以看出，變形隨著荷載增加線性增長(zhǎng)，隨后在沒有明顯變形的情況下突然破壞，其破壞模式是由于橫向拉應(yīng)變超過極限拉應(yīng)變而在短柱中部產(chǎn)生張拉裂縫。而約束固化土呈現(xiàn)塑性破壞的模式，其荷載-位移曲線則呈現(xiàn)3個(gè)階段：斜率較大的線性階段1，近似線性、斜率較小的階段2，斜率很小、幾乎水平的階段3。約束固化土在線性階段1終點(diǎn)（比例極限荷載）處的變形與無約束固化土的極限變形大體相當(dāng)，而其極限荷載處的應(yīng)變大約為10%。112和122組約束固化土破壞時(shí)中部明顯外鼓，且122組的約束管中部還出現(xiàn)了明顯張拉裂縫，其核芯固化土都出現(xiàn)了±45°斜向交叉裂痕。111組破壞時(shí)未見明顯外鼓，約束管沿豎向張拉斷裂，其核芯固化土部分沿斜向破碎，出現(xiàn)明顯裂縫。

由表4可知：約束固化土的極限承載力大體是無約束固化土的3倍，112、122、111三組分別是3.23、3.28、2.76倍。約束固化土比例極限荷載也顯著高于無約束短柱的比例極限荷載；112、122、111三組的比例極限荷載，約束固化土的分別為無約束固化土的1.96、1.79、1.90倍。112、122、111三組約束固化土的極限荷載大約為其比例極限荷載的1.83、1.99、1.64倍。

2.2 約束剛度的影響

約束體的約束剛度對(duì)約束固化土的承載特性有顯著影響。112組的固化劑摻量與111組相同，但112組約束體的約束剛度提高了31.3%。對(duì)比兩者無約束固化土的承載力，112組固化土比111組固化土高約6.29 kN、提高22%。對(duì)比兩者約束固化土的承載力，112組固化土比例極限荷載比111組固化土高約13.70 kN、提高28%；112組固化土極限承載力比111組固化土高約33.98 kN、提高43%。從圖4可見：112組約束固化土試件的核芯固化土，其破壞模式為±45°斜向交叉裂痕；111組的核芯固化土雖也產(chǎn)生部分沿斜向破碎，但較接近圖3所示的無約束固化土的破壞模式。

相同的固化劑膨脹組分應(yīng)該產(chǎn)生的相同的體積膨脹效應(yīng)。由圖1可知，固化土成型期間，約束剛度大的112組固化土試件約束體的實(shí)際環(huán)向膨脹應(yīng)變小于約束剛度小的111組試件。這表明在同樣膨脹壓力下，112組固化土體積增大量比111組固化土的小。這就意味著水化物產(chǎn)生的同量體積膨脹，在112組固化土中更多比例的體積膨脹用于填充固化土的孔隙、使固化土密實(shí)度更高，從而帶來更多的固化土強(qiáng)度增量。

從圖1成型期間約束體環(huán)向張拉應(yīng)變數(shù)據(jù)可以推知，約束固化土試件的核芯固化土在承受軸壓荷載之前已經(jīng)受到徑向預(yù)壓應(yīng)力。根據(jù)各約束體成型期間的最大應(yīng)變和約束剛度，可以計(jì)算得出112組約束固化土試件的核芯固化土所受到的徑向預(yù)壓應(yīng)力大于111組約束固化土試件的核芯固化土所受到的徑向預(yù)壓應(yīng)力。

約束固化土承受豎向荷載時(shí)，隨著核芯固化土橫向變形的增長(zhǎng)，約束體產(chǎn)生的徑向約束力也隨之增長(zhǎng)，使核芯固化土處于三向受壓狀態(tài)，這種受力狀態(tài)將提高固化土的承載能力。約束剛度越大，所提供的徑向約束力越高、徑向力/軸向力比值越高，核芯固化土的承載能力越高。

與111組約束固化土相比，112組約束固化土的約束體約束剛度大，所提供的預(yù)壓應(yīng)力和約束力大，其核芯固化土所受力系的徑向力/軸向力比值高，從而使112組試件的核芯固化土的受力狀態(tài)更有利、承載力顯著提高。

2.3 固化劑摻量的影響

固化劑摻量對(duì)約束固化土的承載力有一定影響。122組固化土約束體的約束剛度與112組相同，但122組固化土的固化劑摻量高50%。從表4可見，無約束固化土的承載力，122組比112組提高17%；約束固化土122組與112組相比，比例極限提高了9%，極限承載力提高了約19%。

固化劑中含有膠結(jié)和膨脹兩種組分，因而固化劑摻量的提高其作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：固化劑總量提高，膠結(jié)組分含量相應(yīng)提高。與一般固化劑的固化土相同，膠結(jié)組分含量提高將使膠結(jié)形成的固化土結(jié)構(gòu)更堅(jiān)實(shí)，相應(yīng)的固化土強(qiáng)度更高。同時(shí)，固化劑總量提高也提高了膨脹組分含量。固化土成型過程中，水化產(chǎn)物產(chǎn)生更多的體積膨脹，由于約束體限制了體積向外的擴(kuò)張，因此，水化物的膨脹將擠壓填充更多的內(nèi)部孔隙，使固化土更密實(shí)、強(qiáng)度更高。如圖1中所示，122組試件的環(huán)向膨脹應(yīng)變明顯高于同時(shí)期112組的值，說明122組試件在成型期間，核心固化土的膨脹受到了更高的約束力限制、致使膨脹對(duì)固化土的擠壓力更大，使固化土更密實(shí)。根據(jù)圖1數(shù)據(jù)可以推知：122組約束固化土試件的核芯固化土受到的預(yù)壓應(yīng)力也高于112組約束固化土試件。在核芯固化土強(qiáng)度提高和預(yù)壓應(yīng)力提高雙重作用下，提高了122組約束固化土的承載力。

3 約束固化土的應(yīng)用前景

前期試驗(yàn)證明約束成型的固化土比無約束成型的固化土強(qiáng)度高50%左右[8]；本文試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明，同在約束成型的條件下，約束固化土比無約束固化土承載力高1.69～2.60倍，也就是說約束固化土強(qiáng)度比普通固化土可提高3倍左右。根據(jù)本文約束固化土承載力試驗(yàn)數(shù)據(jù)和核芯固化土截面積換算得到固化土視強(qiáng)度相當(dāng)于18 MPa。采用本文類似的材料，通過改進(jìn)成型工藝，固化劑摻量15%，目前本課題組已得到視強(qiáng)度相當(dāng)于25 MPa約束固化土。在充分掌握約束固化土承載機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步優(yōu)化固化劑的組成、優(yōu)選約束體材料、改進(jìn)成型工藝，有望使約束固化土強(qiáng)度進(jìn)一步提高、使約束固化土承載性能進(jìn)一步改善。

CFG樁是一種低強(qiáng)度素混凝土樁，廣泛用于30層以內(nèi)高層建筑的地基處理[14-15]，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]要求的CFG樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)在C15～C25之間。本試驗(yàn)結(jié)果表明，約束固化土的視強(qiáng)度可以達(dá)到CFG樁的強(qiáng)度要求。此外，約束固化土技術(shù)可以充分利用原位軟土，減少了材料運(yùn)輸量。選擇適當(dāng)?shù)募s束體可以隔絕外界環(huán)境對(duì)樁身材料的腐蝕。因此約束固化土樁有望成為適于島礁建設(shè)、鹽漬土地區(qū)建設(shè)應(yīng)用的具有較高承載力、高耐腐蝕性的地基處理方法。

4 結(jié)語

通過對(duì)固化土圓柱體試件在成型過程中的約束體應(yīng)變、在軸壓過程中的荷載-核心固化土位移曲線和荷載-約束體應(yīng)變曲線、以及約束固化土試件破壞形態(tài)的分析，得出以下結(jié)論：

1）約束固化土呈現(xiàn)塑性破壞模式，其荷載位移曲線呈現(xiàn)3個(gè)階段：斜率較大的線性階段1，近似線性、斜率較小的階段2，斜率幾乎為0的階段3。在線性階段1終點(diǎn)處的變形與無約束固化土的極限變形大體相當(dāng)，約束固化土極限荷載處的應(yīng)變約為10%。

2）在固化土強(qiáng)度相等時(shí)，約束固化土的極限承載力是無約束固化土的2.72～3.39倍。約束固化土在線性階段1終點(diǎn)的荷載為無約束短柱的1.70～2.00倍。約束固化土的極限荷載為其比例極限荷載的1.56～2.08倍。

3）提高固化劑摻量和約束體的約束剛度，可以顯著提高約束固化土的比例極限荷載和承載力，約束剛度的提高可以顯著改善約束固化土的變形性能。