張 瑋，趙 霞，李 燕

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校建筑工程學(xué)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(shù)語(yǔ)，近年來(lái)，地聚合物材料迅速發(fā)展，代替水泥，在許多工程項(xiàng)目中得到應(yīng)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(xué)性能等優(yōu)勢(shì)明顯。地聚合物屬于無(wú)害的綠色材料，材料成本、生產(chǎn)成本較低，并且抗腐蝕性、耐久性更高。在地聚合物的生產(chǎn)過(guò)程中，很少產(chǎn)生有害物質(zhì)，能耗低，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。在工程建設(shè)中，軟土地基是常見(jiàn)問(wèn)題，軟土地基承載力不足，無(wú)法用于工程建設(shè)，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(chǔ)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(jià)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(wèn)題。應(yīng)用地聚合物對(duì)軟土地基進(jìn)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(yàn)設(shè)計(jì)

1.1.1 試驗(yàn)原料及設(shè)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(shè)備包括應(yīng)變控制式直剪儀、數(shù)字式液壓測(cè)力儀、水泥凈漿攪拌機(jī)等。

1.1.2 試驗(yàn)流程

由于目前缺乏指標(biāo)規(guī)范作為地聚合物土的參考，因此本文參照水泥土標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)評(píng)地聚合物土的滲透性以及力學(xué)性能。

1.1.3 試件制作與試驗(yàn)檢測(cè)

設(shè)計(jì)地聚合物軟土配合比：依據(jù)相關(guān)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(yàn)結(jié)合工程實(shí)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(yīng)的水、土樣、地聚合物粉末。在攪拌鍋內(nèi)倒入地聚合物粉末、土樣,充分?jǐn)嚢?。稱量用水，符合計(jì)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?yàn)⑺甗1],均勻拌和,然后倒入特殊尺寸試模。在振動(dòng)臺(tái)上，振搗密實(shí)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(guò)快，在表面覆蓋一層塑料膜，放入恒溫養(yǎng)護(hù)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(guò)頂面，浸泡 24 h。

檢測(cè)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度：地聚合物土試件養(yǎng)護(hù)達(dá)到規(guī)定齡期。使用壓力機(jī)，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(jī)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算最大抗壓強(qiáng)度值。

檢測(cè)抗剪強(qiáng)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(nèi)加壓。根據(jù)工程實(shí)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(yàn)結(jié)果

1.2.1 地聚合物土的滲透性

水滲透穿過(guò)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(cè)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(fù)相關(guān)，齡期上升，滲透系數(shù)會(huì)下降。在相同的齡期下，滲透系數(shù)與地聚合物負(fù)相關(guān)，地聚合物摻量上升，滲透系數(shù)會(huì)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(dá)到9、10量級(jí)。地聚合物土可以顯著降低原狀土的滲透性，使土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。強(qiáng)度的增加也顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到填充。達(dá)到 90 d 齡期時(shí)，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(xué)性能

地聚合物土力學(xué)性能的主要反映指標(biāo)為抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度。軸向壓力的抵擋極限強(qiáng)度，為抗壓強(qiáng)度。顆粒間滑動(dòng)的抵抗極限能力，為抗剪強(qiáng)度[4]。本文試驗(yàn)主要分析地聚合物土齡期 90 d 的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。如表2所示。地聚合物土的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律一致。并且抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。隨著無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu上升，抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的比值下降。

表2 地聚合物土的抗剪強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度

表3 不同固化劑摻量的加固土抗壓強(qiáng)度

比較90 d地聚合物土、水泥土、原狀土的強(qiáng)度(表3)，在相同的室內(nèi)試驗(yàn)條件下，地聚合物摻量、固化劑水泥摻量與加固土強(qiáng)度正相關(guān)，隨著摻量增加，強(qiáng)度也會(huì)增加。相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)同樣90 d的地聚合物土養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行比較：固化劑摻量為14%，水泥土的抗壓強(qiáng)度相比原狀土提高了大約86倍，地聚合物土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)度也更高。固化劑摻量為10%，水泥土的抗壓強(qiáng)度相比原狀土提高了大約75倍，地聚合物土的抗壓強(qiáng)度相比原狀土提高了大約90倍。地聚合物土的抗壓強(qiáng)度比水泥土更高[5]。固化劑摻量為12%，水泥土的抗壓強(qiáng)度相比原狀土提高了大約81倍，地聚合物土的抗壓強(qiáng)度相比原狀土提高了大約101倍。相比水泥土的抗壓強(qiáng)度，地聚合物土大約高1.25倍。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，利用地聚合物、水泥，都可以提升軟土的強(qiáng)度；但養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度提升更高，相比水泥加固效果，地聚合物加固的強(qiáng)度、性能更優(yōu)。

2 地聚合物處理軟土地基的應(yīng)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(yīng)用地聚合物注漿料。該工程項(xiàng)目的路線全長(zhǎng)為 18.125 km，線路路段為典型的軟土，下部是淤泥質(zhì)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(jié)系數(shù)小，擾動(dòng)性大，抗剪強(qiáng)度低。公路路面經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，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(yán)重，承載力低，已經(jīng)不能適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，不能滿足交通運(yùn)輸?shù)囊?。因此，現(xiàn)有道路需要進(jìn)行拓寬改造，以方便沿線群眾出行，改善道路交通擁擠問(wèn)題，促進(jìn)區(qū)域間的經(jīng)濟(jì)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(yīng)用地聚合物/7 K 泥攪拌樁，處理橋頭路段;應(yīng)用塑料排水板、超載預(yù)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(xiàng)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(yàn)結(jié)果顯示，有機(jī)質(zhì)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(nèi),但本次研究項(xiàng)目設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為 16 m,因此優(yōu)先考慮采取漿噴法進(jìn)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(chǎng)軟土含水率的實(shí)際情況為基礎(chǔ)，合理調(diào)整拌合用水量。地聚合物與水的配合比，應(yīng)用1∶0.5。必須采用工業(yè)用水，pH值超過(guò)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(xiàng)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(chǎng)地應(yīng)用挖機(jī)進(jìn)行平整，將地表、地下的所有障礙物完全清除;同時(shí)對(duì)周圍埋藏物、鄰近建筑物等資料進(jìn)行收集整理。

樁位放樣每個(gè)樁位坐標(biāo)明確計(jì)算。使用全站儀標(biāo)識(shí)每根樁的中央位置。在塑料管標(biāo)記并打入樁位，保證位置準(zhǔn)確[7]。為及時(shí)檢測(cè)樁位，應(yīng)建立控制樁：從兩個(gè)方向使用油漆連接中心樁，防止漏樁，同時(shí)控制樁機(jī)行走，確定并保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)樁位。

樁機(jī)就位調(diào)平使用深層攪拌樁機(jī)，進(jìn)行攪拌樁施工。攪拌樁機(jī)在指定樁位并對(duì)中，合理組裝架立，使用定位卡，最大化減少對(duì)中誤差，保持誤差在 10 cm 內(nèi)，保證樁位的準(zhǔn)確性[8]。攪拌軸、導(dǎo)向架垂直于地面，保證誤差在1.5%內(nèi)。

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

鉆進(jìn)噴漿攪拌先對(duì)管道進(jìn)行檢查，觀察是否堵塞。用水沖洗整個(gè)管道,然后排干水，開始操作使用。雙向攪拌樁機(jī)啟動(dòng),鉆桿沿導(dǎo)向架向下切土。送漿泵打開,向土體噴地聚合物漿,攪拌轉(zhuǎn)速為50～70 r/min,鉆進(jìn)速度0.5～0.8 m/min。達(dá)到設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)后，保持 30 s 原地噴漿。反向提升灌漿，彌補(bǔ)局部位置不足的現(xiàn)象。

提升攪拌與設(shè)計(jì)要求的深度相符合。鉆頭達(dá)到位置，進(jìn)行反轉(zhuǎn)提升。同時(shí)勻速攪拌。旋轉(zhuǎn)葉片繼續(xù)對(duì)地聚合物土進(jìn)行攪拌。

成樁、移位達(dá)到設(shè)計(jì)要求的標(biāo)高，提升鉆頭到地面?？諌簷C(jī)、主電機(jī)停止。移動(dòng)樁機(jī)到下一個(gè)樁位，繼續(xù)施工，同時(shí)作好施工記錄。

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

2.4 應(yīng)用效果

本工程項(xiàng)目通過(guò)土壤無(wú)核濕密度儀法檢測(cè)路基的壓實(shí)度，明確地聚合物處理軟土地基的應(yīng)用效果。結(jié)果顯示：測(cè)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(shí)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(jié) 語(yǔ)

本研究顯示：地聚合物在軟土地基加固中有明顯的優(yōu)勢(shì)，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(qiáng)度也會(huì)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(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性的要求。相同摻量下，地聚合物土的強(qiáng)度高于水泥土。隨著抗壓強(qiáng)度增大，地聚合物土的內(nèi)摩擦角、黏聚力也會(huì)提升。地聚合物土的抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。地聚合物是軟土地基處理的合理選擇，對(duì)提升軟土地基的強(qiáng)度和承載力有重要的價(jià)值。