地聚合物在軟土地基處理中的性能及應用

張 瑋，趙 霞，李 燕

(昆明冶金高等專科學校建筑工程學院，云南 昆明 650033)

地聚合物的主要原材料有石灰、高鈣粉煤灰、礦渣、工業(yè)廢渣、偏高嶺土等。早在1979年，Joseph Davidovits教授首次提出地聚合物的術語，近年來，地聚合物材料迅速發(fā)展，代替水泥，在許多工程項目中得到應用。相比水泥，地聚合物的高溫性能、收縮性能、水化熱、物理力學性能等優(yōu)勢明顯。地聚合物屬于無害的綠色材料，材料成本、生產成本較低，并且抗腐蝕性、耐久性更高。在地聚合物的生產過程中，很少產生有害物質，能耗低，因此具有廣闊的應用前景。在工程建設中，軟土地基是常見問題，軟土地基承載力不足，無法用于工程建設，通常需要人工處理加固以滿足施工需求。處理軟土地基，其主要目的是降低基礎沉降，減小壓縮性，保證穩(wěn)定性，增加承載能力。水泥土攪拌法是常用的地基加固方法，主要使用水泥作為固化劑，加固深度大，工期短，造價低，可以有效提高軟土地基承載力，但存在混凝土收縮大、耐久性不足的問題。應用地聚合物對軟土地基進行加固，可以獲得良好的工程效果。

1 地聚合物的性能

1.1 試驗設計

1.1.1 試驗原料及設備

主要原料為工地軟土、DW型地聚合物材料。輔助原料為水、425水泥。

主要設備包括應變控制式直剪儀、數(shù)字式液壓測力儀、水泥凈漿攪拌機等。

1.1.2 試驗流程

由于目前缺乏指標規(guī)范作為地聚合物土的參考，因此本文參照水泥土標準，測評地聚合物土的滲透性以及力學性能。

1.1.3 試件制作與試驗檢測

設計地聚合物軟土配合比：依據(jù)相關公路規(guī)范，水灰比為0.4～0.5，固化劑摻入比為7%～20%。本文試驗結合工程實際，水灰比取0.5。地聚合物土的含水率大約為3%。擬采取地聚合物摻入比分別為14%、12%、10%。

制作試件：根據(jù)環(huán)刀大小、立方體試模以及配合比，選取相應的水、土樣、地聚合物粉末。在攪拌鍋內倒入地聚合物粉末、土樣,充分攪拌。稱量用水，符合計算好的地聚合物土含水率。使用小型噴水壺，在地聚合物土上均勻灑水[1],均勻拌和,然后倒入特殊尺寸試模。在振動臺上，振搗密實地聚合物土試樣,減少空隙，用刮刀刮平試件表面。為防止水分流失過快，在表面覆蓋一層塑料膜，放入恒溫養(yǎng)護箱。試件1、2 d 形成，拆模脫模，繼續(xù)將地聚合物土試件放入恒溫箱[2]。到規(guī)定的齡期后，移出,放入水中浸泡，水面超過頂面，浸泡 24 h。

檢測無側限抗壓強度：地聚合物土試件養(yǎng)護達到規(guī)定齡期。使用壓力機，上壓力板在地聚合物土試件表面 l cm 處，下壓力板正中間放置地聚合物土試件。開啟壓力機實驗，計算最大抗壓強度值。

檢測抗剪強度：在 90 d、28 d、7 d 齡期，分別取出地聚合物土試件，放入剪切盒內加壓。根據(jù)工程實際劃分垂直壓力，剪切速率 0.8 mm/min。讀取秒表，記錄破壞值。

表1 地聚合物土的滲透性數(shù)據(jù)

1.2 試驗結果

1.2.1 地聚合物土的滲透性

水滲透穿過土孔隙，就是滲透性。通常用Darcy定律表示滲透系數(shù)。本文研究檢測地聚合物土的滲透性數(shù)據(jù)，如表1所示。原狀土滲透系數(shù)為1.58×10-7cm·s-1。在相同摻入比下，齡期與滲透系數(shù)負相關，齡期上升，滲透系數(shù)會下降。在相同的齡期下，滲透系數(shù)與地聚合物負相關，地聚合物摻量上升，滲透系數(shù)會下降[3]。地聚合物土的滲透系數(shù)相比原狀土，顯示明顯的變化，能夠達到9、10量級。地聚合物土可以顯著降低原狀土的滲透性，使土體內部的結構更加密實。強度的增加也顯示內部結構得到填充。達到 90 d 齡期時，滲透系數(shù)趨近于一定值，降幅逐漸平緩。

1.2.2地聚合物土的力學性能

地聚合物土力學性能的主要反映指標為抗壓強度、抗剪強度。軸向壓力的抵擋極限強度，為抗壓強度。顆粒間滑動的抵抗極限能力，為抗剪強度[4]。本文試驗主要分析地聚合物土齡期 90 d 的抗剪強度和抗壓強度。如表2所示。地聚合物土的抗剪強度、抗壓強度增長規(guī)律一致。并且抗剪強度、抗壓強度呈現(xiàn)正相關關系。隨著無側限抗壓強度fcu上升，抗壓強度與抗剪強度的比值下降。

表2 地聚合物土的抗剪強度與抗壓強度

表3 不同固化劑摻量的加固土抗壓強度

比較90 d地聚合物土、水泥土、原狀土的強度(表3)，在相同的室內試驗條件下，地聚合物摻量、固化劑水泥摻量與加固土強度正相關，隨著摻量增加，強度也會增加。相同的試驗條件下，對同樣90 d的地聚合物土養(yǎng)護齡期進行比較：固化劑摻量為14%，水泥土的抗壓強度相比原狀土提高了大約86倍，地聚合物土的抗壓強度相比原狀土提高了大約112倍。相比水泥土，地聚合物土的抗壓強度也更高。固化劑摻量為10%，水泥土的抗壓強度相比原狀土提高了大約75倍，地聚合物土的抗壓強度相比原狀土提高了大約90倍。地聚合物土的抗壓強度比水泥土更高[5]。固化劑摻量為12%，水泥土的抗壓強度相比原狀土提高了大約81倍，地聚合物土的抗壓強度相比原狀土提高了大約101倍。相比水泥土的抗壓強度，地聚合物土大約高1.25倍。以上數(shù)據(jù)說明，利用地聚合物、水泥，都可以提升軟土的強度；但養(yǎng)護條件相同，并且固化劑摻量水平相同的情況下，地聚合物的抗壓強度提升更高，相比水泥加固效果，地聚合物加固的強度、性能更優(yōu)。

2 地聚合物處理軟土地基的應用

2.1 工程概況

本文研究選取的工程為公路軟土地基處理，充分應用地聚合物注漿料。該工程項目的路線全長為 18.125 km，線路路段為典型的軟土，下部是淤泥質土，較厚，表面為黏土。該路段大部分為軟土路基，含水率高，透水性差，固結系數(shù)小，擾動性大，抗剪強度低。公路路面經過多年運營，行駛車輛多，道路水穩(wěn)層薄，路面磨損大，存在麻面、泛油、裂痕等病害，混合交通非常嚴重，承載力低，已經不能適應區(qū)域經濟發(fā)展的需求，不能滿足交通運輸?shù)囊蟆Ｒ虼?，現(xiàn)有道路需要進行拓寬改造，以方便沿線群眾出行，改善道路交通擁擠問題，促進區(qū)域間的經濟聯(lián)系。橋頭路段填高2.0～3.0 m,路基填高1.5～2.5 m,軟土層厚度大約8.5～19.5 m。應用地聚合物/7 K 泥攪拌樁，處理橋頭路段;應用塑料排水板、超載預壓處理一般路段;軟土地基采用地聚合物攪拌樁處理，保證地基的穩(wěn)定性，提高地基的承載力。

2.2 施工材料

本項目路段屬于典型的軟土路基。軟土土樣采樣深度為 9 m，試驗結果顯示，有機質為2.15%，壓縮系數(shù)為 1.42 MPa，孔隙比為1.451，濕密度為 1.62 g/cm3，含水率為49.5%。相比攪拌，粉噴法、漿噴法可以充分水化，混合更加均勻。粉噴法施工限制在 10 m 內,但本次研究項目設計樁長為 16 m,因此優(yōu)先考慮采取漿噴法進行施工。

由水、地聚合物材料組成地聚合物混合料。以施工現(xiàn)場軟土含水率的實際情況為基礎，合理調整拌合用水量。地聚合物與水的配合比，應用1∶0.5。必須采用工業(yè)用水，pH值超過6.5[6]。地聚合物混合料要注意防滲漏、防潮、防雨。

2.3 地聚合物土攪拌樁施工工藝與施工方法

圖1 施工工藝流程Fig.1 Construction process flow

本項目施工工藝流程如圖1所示。

具體施工方法：在施工前，施工場地應用挖機進行平整，將地表、地下的所有障礙物完全清除;同時對周圍埋藏物、鄰近建筑物等資料進行收集整理。

樁位放樣每個樁位坐標明確計算。使用全站儀標識每根樁的中央位置。在塑料管標記并打入樁位，保證位置準確[7]。為及時檢測樁位，應建立控制樁：從兩個方向使用油漆連接中心樁，防止漏樁，同時控制樁機行走，確定并保護現(xiàn)場樁位。

樁機就位調平使用深層攪拌樁機，進行攪拌樁施工。攪拌樁機在指定樁位并對中，合理組裝架立，使用定位卡，最大化減少對中誤差，保持誤差在 10 cm 內，保證樁位的準確性[8]。攪拌軸、導向架垂直于地面，保證誤差在1.5%內。

配制地聚合物漿液根據(jù)樁長16 m，聚合物漿料水灰比0.5，按照14%的設計比確定使用量。漿料混合后，篩選進入集料斗，泵送攪拌樁機中攪拌。

鉆進噴漿攪拌先對管道進行檢查，觀察是否堵塞。用水沖洗整個管道,然后排干水，開始操作使用。雙向攪拌樁機啟動,鉆桿沿導向架向下切土。送漿泵打開,向土體噴地聚合物漿,攪拌轉速為50～70 r/min,鉆進速度0.5～0.8 m/min。達到設計樁長后，保持 30 s 原地噴漿。反向提升灌漿，彌補局部位置不足的現(xiàn)象。

提升攪拌與設計要求的深度相符合。鉆頭達到位置，進行反轉提升。同時勻速攪拌。旋轉葉片繼續(xù)對地聚合物土進行攪拌。

成樁、移位達到設計要求的標高，提升鉆頭到地面?？諌簷C、主電機停止。移動樁機到下一個樁位，繼續(xù)施工，同時作好施工記錄。

在施工中要注意，對于不同的固化劑種類、不同的土質，每個攪拌樁施工現(xiàn)場的攪拌加固質量也有差異。試樁工作十分重要，在正式施工前試樁，核實樁徑、均勻程度等，確定各種操作參數(shù)。

2.4 應用效果

本工程項目通過土壤無核濕密度儀法檢測路基的壓實度，明確地聚合物處理軟土地基的應用效果。結果顯示：測試濕密度為 2.246 g/cm3，含水量為2.06%，干密度為2.205 g/cm3，壓實度為98.5，地聚合物使軟土地基有效加固，滿足工程需求。

3 結 語

本研究顯示：地聚合物在軟土地基加固中有明顯的優(yōu)勢，地聚合物土能夠有效降低原狀土的滲透性，提高承載力。增加地聚合物摻入量及齡期，地聚合物土強度也會隨之增加，并且含水率不斷下降。地聚合物摻入量為14%，可以滿足強度和經濟性的要求。相同摻量下，地聚合物土的強度高于水泥土。隨著抗壓強度增大，地聚合物土的內摩擦角、黏聚力也會提升。地聚合物土的抗壓強度與抗剪強度呈正相關關系。地聚合物是軟土地基處理的合理選擇，對提升軟土地基的強度和承載力有重要的價值。