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：對海底沉積的淤泥類軟土場地或疏浚淤泥吹填的場地需要進(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)對約束體施加預(yù)拉應(yīng)力，這將轉(zhuǎn)化為對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。本文通過對約束固化土圓柱體試件進(jìn)行軸壓試驗(yàn)，對其承載特性進(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?；郀t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管的外徑和長度分別為11cm、20cm。通過軸壓10cm長的PVC管，測得彈性模量和強(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，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，約束體產(chǎn)生的徑向約束力也隨之增長，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。