軟基地層加固材料及應(yīng)用性能分析

賀志剛 張曉明 張寶

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)軟基地層加固難題，提出一種新型漿液結(jié)石體的制備。研究了外加劑對(duì)結(jié)石體強(qiáng)度的影響，對(duì)其加固機(jī)理及加固效果進(jìn)行分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥摻量為8%，適合的水膠比為1.25∶1，氧化鎂摻量為4%時(shí)，漿液結(jié)石體7、14和28 d抗壓強(qiáng)度分別為0.98、1.06和1.15 MPa。使用氧化鎂漿液結(jié)石體對(duì)軟基地層進(jìn)行加固靜載荷試驗(yàn)結(jié)果為，單樁最大加載值均高于設(shè)計(jì)值的2倍;在靜載荷條件下，單樁豎向位移與荷載基本表現(xiàn)出線性關(guān)系，無陡降現(xiàn)象出現(xiàn)，樁基承載力特征值均高于200 kPa。當(dāng)作用載荷達(dá)到400 kPa時(shí)，檢測沉降值為2.5 mm，模擬沉降值為1.94 mm，二者差值為0.56 mm，該差值處于可接受范圍內(nèi)。

關(guān)鍵詞：軟基地層；加固效果；加固機(jī)理；靜載荷試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TQ172

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0109-05

Material reinforcement and application performance analysis of soft foundation strata

HE zhigang1，ZHANG Xiaoming1，ZHANG Bao1

（1.General Contracting Department of construction engineering of the Third Bureau of China Metallurgical Geology administration，Taiyuan 710003，Shanxi）

Abstract：Aiming at the difficult problem of traditional soft foundation reinforcement，a new type of slurry stone body preparation was proposed.We first studied the influence of admixtures on the strength of the stone body，and then analyzed its reinforcement mechanism and effect.The test results showed that when the cement content was 8%， the suitable water cement ratio was 1.25∶1，and the magnesium oxide content was 4%，the compressive strength of the slurry stone body at 7 d，14 d，and 28 d was 0.98 MPa， 1.06 MPa， and 1.15 MPa.The static load test results by using magnesium oxide slurry stone body to reinforce soft foundation stratum showed that the maximum loading value of a single pile was both higher than the design value by 2 times. Under static load conditions，the vertical displacement of a single pile basically exhibited a linear relationship with the load，without any steep drop phenomenon.The characteristic values of the bearing capacity of the pile foundationwere all higher than 200 kPa， showing a good reinforcement effect. When the applied load reached 400 kPa，the measured settlement value was 2.5?? mm，and the simulated settlement value was 1.94 mm，with a difference of 0.56 mm.This difference was within an acceptable range，which proved that in subsequent projects，the soil reinforcement effect could be evaluated by establishing a model.

Key words：

soft foundation strata;reinforcement effect;strengthening mechanism;static load test

隨著現(xiàn)代道路建設(shè)的發(fā)展，工程中軟基問題也更加突出，如何對(duì)軟基地層進(jìn)行有效加固是道路建設(shè)亟待解決的問題。對(duì)此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如劉生斌對(duì)公路路基注漿加固技術(shù)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，注漿加固技術(shù)作為一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的施工工藝，能很好的解決公路路基開裂與沉降問題，具有較廣闊的應(yīng)用空間［1］。有研究選用超細(xì)硅酸鹽水泥作為主體膠凝成分，納米硅溶膠、粉煤灰和硫酸鈣晶須作為輔料制備了一種新型注漿材料，并對(duì)其加固效果進(jìn)行研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，注漿材料可以有效改變固結(jié)體的密實(shí)性，明顯增強(qiáng)土體的抗壓強(qiáng)度［2］。優(yōu)選MJS工法樁作為加固措施，并對(duì)其加固作用進(jìn)行研究［3］。研究了CRD法擴(kuò)挖盾構(gòu)隧道地層加固措施及其對(duì)周邊環(huán)境的影響［4］。以上學(xué)者的研究為軟基地層加固提供了一些參考?；诖耍驹囼?yàn)以文獻(xiàn)［5］、文獻(xiàn)［6］的方法作為參考，制備了一種新型軟層地基加固材料，并對(duì)其加固效果進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：P·O42.5 水泥，潤合建材；粗骨料（Ⅰ級(jí)），宏乾環(huán)保工程；細(xì)骨料（Ⅰ級(jí)），康輝耐材；硫酸鋁（AR），天潤化工；氧化鎂（AR），啟仁化工。

主要設(shè)備：JJ-5型攪拌機(jī)，德翊機(jī)械；WDW型試驗(yàn)機(jī)，文騰儀器；SU3800型掃描電鏡，上多川國際貿(mào)易。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）在水泥攪拌機(jī)內(nèi)依次放入水泥、水、粗細(xì)骨料和外加劑，充分?jǐn)嚢枋蛊浠旌匣靹颍?/p>

（2）將水泥漿液與原狀土中進(jìn)行混合，然后倒入提前準(zhǔn)備好的模具中，在表面蓋上保鮮膜后放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)；

（3）通過正交試驗(yàn)對(duì)試件的配比進(jìn)行優(yōu)化，其中外加劑為氧化鎂（2%、3%、4%）和硫酸鋁（3%、4%、5%）；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)如表1所示。

1.3 性能測試

1.3.1 抗壓強(qiáng)度測試

參照J(rèn)GJ/T 233—2011和JTG E40—2007測試材料抗壓強(qiáng)度［7-8］。

抗壓強(qiáng)度表達(dá)式為［9］：

P=Pc/S（1）

式中：P為抗壓強(qiáng)度，MPa；Pc為試件破壞時(shí)荷載，N；S為樣品受壓面積，mm2。

1.3.2 微觀形貌

掃描電鏡可以對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行觀察，進(jìn)而表征材料力學(xué)強(qiáng)度變化原因。

1.4 實(shí)際工程應(yīng)用

選擇昌邑至平度門村鎮(zhèn)DK31+400～DK59+800段進(jìn)行加固試驗(yàn)。加固方案選擇 CFG 樁復(fù)合地基，對(duì)實(shí)際地質(zhì)進(jìn)行考察，設(shè)計(jì)樁長8～10 m，樁徑（D）為400 mm，樁間距3D～5D［10-11］。由于以氧化鎂為外加劑制備的漿液結(jié)石體早期強(qiáng)度較高，因此選擇加固材料為氧化鎂漿液結(jié)石體。

1.4.1 靜載荷試驗(yàn)

采用油壓千斤頂施壓方法進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，通過在基準(zhǔn)梁上放置兩個(gè)沉降傳感器測試沉降量數(shù)值［12］。采用慢速狀態(tài)均載法對(duì)CFG樁進(jìn)行施壓，施壓過程分為8次進(jìn)行，然后對(duì)施壓結(jié)束后的沉降量進(jìn)行記錄［13］。

1.4.2 樁身完整性試驗(yàn)

將傳感器粘結(jié)在樁頂表面，然后用手錘在豎直方向?qū)扼w表面中心進(jìn)行擊打，通過傳感器接收信號(hào)，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，對(duì)樁身在豎直方向上不同位置信息進(jìn)行鑒別，通過標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樁身完整性進(jìn)行判斷［14-15］；檢測過程如圖1所示。

1.4.3 有限元分析

通過 MIDAS GTS NX 有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析。為了簡化試驗(yàn)過程，對(duì)模型進(jìn)行基本假設(shè)。不考慮地下水影響，力學(xué)性能相近土層間的差別不計(jì)。土體為理想彈塑性模型。

2 結(jié)果與討論

2.1 配比優(yōu)化

以氧化鎂和硫酸鋁為外加劑時(shí)，試件配比優(yōu)化結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1可以看出，以氧化鎂為外加劑時(shí)，5號(hào)樣品的強(qiáng)度最高，在7、14和28 d時(shí)分別為0.98、1.06 和1.15 MPa，滿足JTG D63—2007中規(guī)定［16-17］。同時(shí)，從圖1中還可觀察到，以氧化鎂為外加劑時(shí)，水泥摻入量超過3%時(shí)，漿液結(jié)石體快速凝結(jié)，早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度增長量較少。

從圖2可以看出，以硫酸鋁為外加劑時(shí)，仍舊是5號(hào)樣品的抗壓強(qiáng)度最高，其在7、14和28 d抗壓強(qiáng)度分別為0.91、1.01和1.38 MPa，滿足JTG D63—2007中規(guī)定。同時(shí)，在圖2中還可以觀察到，在水泥摻量為3%～5%時(shí)，漿液結(jié)石體增長平緩；當(dāng)水泥摻量達(dá)到8%時(shí)，強(qiáng)度發(fā)生了較大變化。由于2種外加劑均為5號(hào)樣品的抗壓強(qiáng)度最高，因此可認(rèn)定適宜的水泥摻量為8%、水膠比為1.25∶1、外加劑為4%氧化鎂或者5%硫酸鋁。

2.2 微觀形貌結(jié)構(gòu)

2.2.1 外加劑為氧化鎂的微觀形貌結(jié)構(gòu)

以氧化鎂為外加劑時(shí)，漿液結(jié)石體早期強(qiáng)度較高，后期強(qiáng)度增長較慢，因此以7 d養(yǎng)護(hù)齡期為對(duì)象，觀察氧化鎂用量對(duì)微觀形貌影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨氧化鎂摻量的增加，漿液結(jié)石體內(nèi)部逐漸從疏松多孔狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為致密的片狀連續(xù)結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)這個(gè)變化的原因在于，反應(yīng)產(chǎn)物隨氧化鎂用量的增加而增加，這些反應(yīng)產(chǎn)物對(duì)結(jié)石體內(nèi)部的孔隙有填充作用，這就增加了結(jié)石體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，提升了結(jié)石體的抗壓強(qiáng)度［18-19］。

2.2.2 外加劑為硫酸鋁的微觀形貌

以硫酸鋁作為外加劑時(shí)，后期強(qiáng)度較高，因此以28 d養(yǎng)護(hù)齡期作為觀察對(duì)象，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨硫酸鋁摻入量的增加，漿液結(jié)石體內(nèi)部的孔隙逐漸的減少。這是因?yàn)榱蛩徜X水解的離子與土顆粒中的離子交換，使部分小顆粒土體凝結(jié)，且凝結(jié)程度與硫酸鋁用量呈正比。膠凝程度隨硫酸鋁用量的增加而增加。同時(shí)，硫酸鋁用量較多的情況下，會(huì)析出一定的氫氧化鋁，對(duì)顆粒間的孔隙有填充作用。再加上氫氧化鋁自身具備一定強(qiáng)度，因此漿料結(jié)石體強(qiáng)度增加。

2.3 固化機(jī)理分析

2.3.1 氧化鎂固化機(jī)理分析

氧化鎂固化軟基地層主要通過2方面進(jìn)行，分別為氧化鎂的水化及碳化加固。氧化鎂可以與軟土表面吸附的水分子發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)物與土顆粒中的正離子發(fā)生離子交換，對(duì)土體從顆?；秸w化的轉(zhuǎn)換有積極作用，使得結(jié)石體強(qiáng)度增加。氫氧化鎂溶解度相對(duì)較低，在形成飽和溶液后，表面有很多疏松多孔的氫氧化鎂晶體析出，與二氧化碳發(fā)生碳化反應(yīng)。碳化反應(yīng)產(chǎn)物為碳酸鎂和堿式碳酸鎂，碳化產(chǎn)物對(duì)土顆粒有膠結(jié)作用，能有效減小土體孔隙，增強(qiáng)土體的密實(shí)度［20］。

2.3.2 硫酸鋁固化機(jī)理

硫酸鋁在水中水解后，產(chǎn)物為溶解度較小的氫氧化鋁，飽和后析出的氫氧化鋁自身具備一定的強(qiáng)度，使得漿液結(jié)石體強(qiáng)度有一定增加；同時(shí)，離子交換反應(yīng)，對(duì)土顆粒聚集有促進(jìn)作用，提供了部分強(qiáng)度。再加上硫酸鋁水解會(huì)增強(qiáng)體系內(nèi)硫酸根離子濃度，可與溶液中的鋁離子、鈣離子和氫氧根產(chǎn)生反應(yīng)，生成針柱狀的鈣礬石，在內(nèi)部形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，促進(jìn)水泥水化反應(yīng)正向發(fā)展，對(duì)反應(yīng)有加速作用。隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，土顆粒慢慢的填充，晶體強(qiáng)度和水化產(chǎn)物增加，土體的內(nèi)部密實(shí)性增強(qiáng)，形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此漿液結(jié)石體后期強(qiáng)度提升明顯。

2.4 實(shí)際應(yīng)用

2.4.1 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

選擇CFG 樁加固軟基地層，并以靜載荷試驗(yàn)對(duì)加固效果進(jìn)行研究。隨機(jī)選擇3根單樁，通過Q-S曲線對(duì)其加固效果進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨機(jī)選擇的單樁最大加載值均高于設(shè)計(jì)值的2倍，在靜載荷條件下，單樁豎向位移與荷載基本表現(xiàn)出線性關(guān)系，無陡降現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)加載至最大荷載時(shí)，單樁仍舊處于規(guī)律性沉降的狀態(tài)，未出現(xiàn)破壞的情況。這就說明試驗(yàn)過程中加載的荷載沒有達(dá)到樁體所能承受的極限荷載。對(duì)卸載荷載后的樁體回彈率進(jìn)行測試，各樁回彈率均未超過70%，代表在加載過程中，樁身受力產(chǎn)生的為彈性沉降。但樁底端存在一定的持力層塑性變形，部分豎向位移無法恢復(fù)。對(duì)單樁抗壓承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，各樁強(qiáng)度均滿足具體要求，可以對(duì)軟基地層進(jìn)行有效加固。

2.4.2 樁身破壞情況

圖6為樁身破壞情況的P-S曲線。

從圖6可以看出，單樁P-S曲線與靜載荷試驗(yàn)Q-S曲線的變化趨勢基本一致，各級(jí)荷載所產(chǎn)生的豎直位移關(guān)系曲線表現(xiàn)出線性關(guān)系，并不發(fā)生陡降的現(xiàn)象，證明單樁地基承載力滿足要求，繼續(xù)增加一些荷載，單樁樁體也不會(huì)發(fā)生破壞。取最大加載壓力的一半作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，樁基承載力特征值均高于200 kPa，滿足要求。

2.4.3 沉降分析

通過P-S曲線進(jìn)行沉降分析，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，檢測沉降與模擬沉降的P-S曲線總體表現(xiàn)出線性關(guān)系，且檢測沉降值始終小于模擬沉降值。前兩級(jí)載荷的沉降值只有較小的差距，這種差距隨荷載加載值的增加而增加。當(dāng)作用荷載未超過268 kPa時(shí)，檢測沉降曲線與模擬沉降曲線基本保持平行狀態(tài)，而荷載超過268 kPa后，沉降曲線差異開始變大。出現(xiàn)這個(gè)變化的主要原因在于，過大的加載荷載對(duì)建模時(shí)基本假設(shè)所產(chǎn)生的誤差有放大作用。再加上各土層物理參數(shù)取值與現(xiàn)場土層參數(shù)具有一定差異，因此在大載荷條件下，檢測沉降值與模擬沉降值具備一定差異。當(dāng)作用載荷達(dá)到400 kPa時(shí)，檢測沉降值為2.5 mm，模擬沉降值為1.94 mm，兩者差值為0.56 mm，該差值處于可接受范圍內(nèi)。綜上，本試驗(yàn)建立的軟基地層加固樁在400 kPa載荷條件下沉降僅為2.5 mm，表現(xiàn)出良好的加固效果。而數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場檢測沉降差值僅為0.56 mm，結(jié)果吻合度較高，說明在該條件下數(shù)值模擬的有效性，在后續(xù)工程應(yīng)用時(shí)作用較好。

3 結(jié)語

試驗(yàn)制備的漿液結(jié)石體可以對(duì)軟基地層進(jìn)行有效加固，加固效果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

（1）當(dāng)水泥摻量為8%，適合的水膠比為1.25∶1，氧化鎂摻量為4%時(shí)，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度滿足JTG D63—2007規(guī)定。其強(qiáng)度特征為早強(qiáng)較高，后期強(qiáng)度基本不變；

（2）當(dāng)水泥摻量為8%，適合的水膠比為1.25∶1，硫酸鋁摻量為5%時(shí)，漿液結(jié)石體抗壓強(qiáng)度滿足JTG D63—2007中規(guī)定。其強(qiáng)度增長規(guī)律為，早期強(qiáng)度不高，強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加；

（3）微觀形貌結(jié)果表明，摻入2種外加劑后，土體疏松多孔的結(jié)構(gòu)被填充，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得密實(shí)，使得漿液結(jié)石體的強(qiáng)度明顯增加；

（4）對(duì)其加固機(jī)理進(jìn)行分析，氧化鎂加固是通過其水化及碳化對(duì)土體進(jìn)行加固；硫酸鋁加固是通過水解產(chǎn)物生成針柱狀的鈣礬石和析出氫氧化鋁對(duì)土體進(jìn)行加固；

（5）選擇氧化鎂漿液結(jié)石體對(duì)軟基地層進(jìn)行加固靜載荷試驗(yàn)結(jié)果為，單樁最大加載值均高于設(shè)計(jì)值的2倍，在靜載荷條件下，單樁豎向位移與荷載基本表現(xiàn)出線性關(guān)系，無陡降現(xiàn)象出現(xiàn)，樁基承載力特征值均高于200 kPa，表現(xiàn)出良好的加固效果；

（6）沉降分析結(jié)果：當(dāng)作用載荷達(dá)到400 kPa時(shí)，檢測沉降值為2.5 mm，模擬沉降值為1.94 mm，二者差值為0.56 mm，該差值處于可接受范圍內(nèi)。

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