基于模型試驗的地聚物攪拌樁加固淤泥質土地基承載變形特征研究

胡 勇，王觀次，王 倩

（1、岳陽市公路橋梁基建總公司 湖南 岳陽 414002；2、湘潭大學土木工程與力學學院 湖南 湘潭 411105）

0 引言

在我國沿海及內陸江、河流域均廣泛分布著淤泥質軟弱土［1］。隨著經(jīng)濟發(fā)展和基礎設施的大力建設，通常需要在這些淤泥質軟土地基上施做建筑物。針對淤泥質軟弱土地基，通常采用水泥土攪拌樁、水泥漿旋噴樁、水泥粉煤灰碎石樁等方法來對其進行加固處治，以上處理方法均以水泥作為固化劑，采用深層攪拌機械，在地表下形成更具完整性、水穩(wěn)性和一定強度的圓柱體［2-3］。然而，水泥是一種高耗能、高污染產(chǎn)品，其生產(chǎn)過程引起的CO2排放是人類活動造成全球溫室氣體排放的第二大成因，且水泥早期水化不完全，易導致水泥攪拌樁早期強度偏低，難以快速提供支撐力［4］。

為推進落實“2030 年碳達峰、2060 年碳中和”計劃，助力國家“雙碳”目標，促進建筑業(yè)高質量綠色發(fā)展，亟待尋求一種低碳、節(jié)能、環(huán)保膠凝材料來替代水泥，對軟弱土進行處治。地聚物材料被認為是一種最有可能代替水泥的新型綠色膠凝劑，同時還具有良好的力學性能［5-7］，地聚物膠凝材料主要由硅鋁酸鹽前驅體和堿激發(fā)劑組成，常用的硅鋁酸鹽前驅體大多采用工農(nóng)業(yè)固廢或建筑垃圾［8］。目前，針對地聚物在土木工程中的應用主要集中于地聚物混凝土材料的力學與微觀結構方面［9］，關于在軟土加固領域中的應用，何華等人［10］圍繞地聚物加固軟土的性能和可行性進行了研究，確定了地聚物摻入比、軟土含水率和攪拌時間三要素對試件強度的影響，并得出了地聚物加固軟土的最優(yōu)配合比；ARULRAHAH 等人［11］研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰∕鋼渣基地聚物攪拌樁加固軟土地基具有更高的無側限抗壓強度值。目前關于地聚物加固處治海濱、湖濱、河流沿岸的淤泥質軟弱土的研究甚少。

基于此，為研究地聚物攪拌樁加固淤泥質軟弱土復合地基的單樁承載變形特性，擬通過地聚物替代水泥作為膠凝材料對淤泥質軟弱土的加固處治進行研究，對地聚物土無側限抗壓強度（UCS）、加載變形特征、樁土應力比及樁頂應力等進行分析，以期為地聚物加固淤泥質軟弱土地基提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 試驗材料

1.1 試驗土

試驗用土取自湘江邊某施工現(xiàn)場，根據(jù)《土工試驗方法標準：GB∕T 50123—2019》測得軟土的物理力學性能指標如下：取樣深度6 m，天然含水率51.8%，液限49.8%，塑限26.9%，孔隙率1.503，濕密度1.63 g∕cm3，有機質含量2.21%。

1.2 固化劑

地聚物固化劑主要成分包含硅鋁原材料（礦渣、粉煤灰）和堿激發(fā)劑，對比試驗中固化劑選用市售P.O.42.5 級普通硅酸鹽水泥。地聚物中粉煤灰為F 類低鈣粉煤灰，礦渣為S95級礦粉，礦渣和粉煤灰的化學成分如表1 所示，堿激發(fā)劑由硅酸鈉溶液和市售固體氫氧化鈉（NaOH）片劑混合攪拌而成。

表1 礦渣粉、粉煤灰和水泥的化學組成Tab.1 Chemical Components of Slag，F(xiàn)ly Ash and Cement

2 UCS試驗過程及結果分析

2.1 UCS試驗方案

采用地聚物作為固化劑對淤泥質土進行加固處理，礦渣粉煤灰比為80∶20，固化劑摻量均采用15%，堿含量分別為20%、30%、40%，水泥固化土作為對比組，UCS試驗具體方案如表2所示。

表2 UCS試驗方案Tab.2 Test Plan of UCS

2.2 UCS試驗試樣制備

試樣制作及養(yǎng)護過程的具體步驟為：①原狀土樣經(jīng)高溫（105 ℃）烘干，通過碎土機粉碎，根據(jù)上述試驗方案，稱量相應干土粉及水，用室內攪拌機攪拌2 min，制成含水率為52%的重塑土，裝入密封袋中備用；②堿激發(fā)劑采用氫氧化鈉和硅酸鈉溶液混合（堿激發(fā)劑模數(shù)為1.2），硅鋁原料與堿激發(fā)溶液按照質量比混合攪拌形成地聚物漿料；③分別將地聚物膠凝材料和重塑土進行攪拌，直至混合物達到均勻狀態(tài)；④依據(jù)《水泥土配合比設計規(guī)程：JGJ∕T 233—2011》、《建筑地基處理技術規(guī)范：JGJ 79—2012》，分層裝入300 mm 高PVC 模具管及70.7 mm 立方體模具，每組土樣均制作3個平行試樣；⑤制備完成后，將試樣用保鮮膜密封放置在標準養(yǎng)護室內養(yǎng)護24 h后脫模，然后繼續(xù)置于標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護至目標齡期。

2.3 UCS試驗結果分析

UCS 試驗結果如表3 所示，從表3 可以發(fā)現(xiàn)，固化劑摻量均為15%時，地聚物固化土強度均高于水泥固化土；堿含量為30%的地聚物固化土強度最高，其7 d強度是同樣摻量水泥固化土的1.494 倍，而28 d 強度是同樣摻量水泥固化土的1.388 倍，因此，地聚物可替代水泥作為淤泥質土的固化膠凝材料，且具有理想的固化效果［12］。

表3 UCS試驗結果Tab.3 Test Results of UCS

堿摻量對地聚物固化土的強度也有較大影響，當堿含量（堿性活化劑）從20%增加到30%時，7 d的UCS從1.05 MPa 提高到1.21 MPa，28 d 的USC 從1.45 MPa提高到1.68 MPa。這是因為堿性活化劑的加入提高了地聚物土壤中OH-和SiO32-離子的含量，導致地聚物前體快速分解，形成凝膠狀水化產(chǎn)物，當堿性活化劑含量較低（20%）時，礦渣和粉煤灰中的硅酸鋁不能完全被激發(fā)，從而限制了土壤強度的增長。

然而，當堿性活化劑含量從30%增加到40%時，地聚物土的強度反而有所下降，7 d的UCS 從1.21 MPa下降至1.19MPa，28d的UCS 從1.68MPa下降至1.60MPa，這說明隨著堿性活化劑含量的提升，固化土的力學性能不能一直增加，甚至會對固化土的UCS 產(chǎn)生輕微劣化效應，影響地聚物固化土的強度。這是因為堿含量過高阻礙凝膠產(chǎn)物的生成和低聚態(tài)四面體的總體聚合，從而造成固化土的強度降低［13］。因此，可以推斷地聚物固化土中堿性活化劑的理想用量為30%。

3 復合地基模型試驗及結果分析

3.1 試驗方案

依據(jù)相似理論及《建筑地基處理技術規(guī)范：JGJ 79—2012》、《建筑地基檢測技術規(guī)范：JGJ 340—2015》，地聚物攪拌樁復合地基室內模型試驗樁長取30 cm，樁徑取10 cm，堿含量（硅鋁原料與堿激發(fā)溶液質量比）取20%和30%，試驗具體分組如表4所示。

表4 地聚物攪拌樁復合地基試驗方案Tab.4 Test Scheme of Geopolymer Mixing Pile Composite Foundation

3.2 試驗方法

復合地基室內模型試驗具體步驟為：①填土成孔：在模型箱內填筑軟土，將兩頭開口的PVC 管（內外涂抹凡士林）緩慢壓入土層中央，保證壓入PVC 管的垂直度；②埋樁：將樁慢慢垂直放入成型的孔中，保證樁身不歪斜并減少對周圍土體擾動，安裝完成后，灌入土漿消除孔隙；③埋設土壓力盒及孔隙水壓力傳感器：分別在樁頂樁側設置土壓力盒，在土壓力盒上蓋土填平，最后鋪上砂墊層；④加載：施加5 kPa 的預壓荷載，并記錄預壓過程中的沉降和孔隙水壓力變化，待土中孔隙水壓力消散后進行加載，逐級加載，每級5 kPa，記錄各級荷載作用下復合地基的沉降、應力、孔隙水壓力的變化規(guī)律。

3.3 加載變形特性

復合地基荷載-沉降（P-s）曲線如圖1 所示，可以發(fā)現(xiàn)，素土地基承載力約為10 kPa，水泥攪拌樁復合地基承載力約為55 kPa，20%堿含量的地聚物攪拌樁復合地基承載力約為60 kPa，30%堿含量的地聚物攪拌樁復合地基承載力約為70 kPa，說明地聚物攪拌樁能顯著提高淤泥質軟弱土地基的承載力，且地聚物攪拌樁加固效果優(yōu)于普通硅酸鹽水泥攪拌樁。相近置換率下，30%堿含量大于20%堿含量地聚物復合地基的承載力，因此，適當?shù)膲A含量能夠提高地聚物固化土的承載能力。

圖1 荷載-沉降曲線Fig.1 Curves of Load-settlement

3.4 樁土應力比

樁土應力比n反映了樁和土對荷載的分擔情況，同時它也是復合地基設計計算的一個重要參數(shù)［14］。地聚物樁復合地基的樁土應力比隨荷載的變化關系如圖2所示，由圖2可知，在加載之初，3種工況下樁土應力比均不穩(wěn)定，這是因為當荷載不大時，荷載通過樁體直接傳至樁底，導致樁土應力比的增加。當荷載施加到一定程度時，即發(fā)生一定位移時，復合地基被壓密，均勻性提高，樁土應力比趨于穩(wěn)定。然而隨著荷載的繼續(xù)施加，地聚物樁體的承載力達到峰值，樁體開始產(chǎn)生裂縫，弱化了樁的承載能力，上部荷載部分由樁周土來承擔，從而降低了樁土應力比。

圖2 樁土應力比曲線Fig.2 Curves of Pile-soil Stress Ratio

在試驗加載過程中，30%堿含量的地聚物攪拌樁復合地基的樁土應力比最大，樁頂最大樁土應力比為11.28，水泥樁最大樁土應力比為8.4，地聚物樁樁頂平面處最大樁土應力比是水泥樁的1.34 倍。結果表明，采用地聚物攪拌樁固化淤泥質軟弱土，由于樁體自身的剛度遠大于周圍土體，從而使得應力分布呈現(xiàn)在樁上集中的趨勢，產(chǎn)生了應力集中現(xiàn)象，樁土應力比顯著增大［15］。

逐級加載時復合地基樁頂土應力變化如圖3 所示，隨著荷載的增大，復合地基樁頂應力均逐漸增加。這是由于當復合地基受到靜載作用時，樁間土的沉降量明顯大于樁頂?shù)某两盗浚瑯扼w與樁間土的變形不協(xié)調，使得樁間土產(chǎn)生了土拱效應，部分荷載轉移到樁頂，但隨著荷載的繼續(xù)增加，地聚物樁體的承載力達到峰值，樁產(chǎn)生一定裂縫等損傷，樁的承載能力逐漸降低，此時的外部荷載由樁體和土體共同承擔，從而使得樁頂土應力呈現(xiàn)逐級降低的趨勢。

圖3 荷載-樁頂應力曲線Fig.3 Curves of Load-pile Top Stress

4 結論

⑴當固化劑摻量為15%時，地聚物固化土強度均高于水泥固化土，堿含量為30%的地聚物固化土強度最高，其7 d 強度是水泥固化土的1.494 倍，而28 d強度是水泥固化土的1.388 倍，就力學性能而言，地聚物可以替代水泥作為淤泥質土的固化膠凝材料。

⑵地聚物攪拌樁能顯著提高淤泥質軟弱土地基的承載力，相近置換率下，30%堿含量大于20%堿含量地聚物復合地基的承載力，且地聚物攪拌樁加固效果優(yōu)于普通硅酸鹽水泥攪拌樁。

⑶地聚物攪拌樁能提高樁土應力比，且30%堿含量的地聚物攪拌樁復合地基的樁土應力比最大，最大樁土應力比為11.28，且是水泥攪拌樁的1.34倍。

地質聚合物作為膠凝材料不僅能極大改善淤泥質軟弱土的不良工程特性，實現(xiàn)固廢再利用，而且工程造價低，對我國基礎設施建設的可持續(xù)及綠色發(fā)展具有重要的工程與實踐意義。