賀志剛 張曉明 張寶

摘 要：針對傳統(tǒng)軟基地層加固難題，提出一種新型漿液結石體的制備。研究了外加劑對結石體強度的影響，對其加固機理及加固效果進行分析。試驗結果表明，水泥摻量為8%，適合的水膠比為1.25∶1，氧化鎂摻量為4%時，漿液結石體7、14和28 d抗壓強度分別為0.98、1.06和1.15 MPa。使用氧化鎂漿液結石體對軟基地層進行加固靜載荷試驗結果為，單樁最大加載值均高于設計值的2倍;在靜載荷條件下，單樁豎向位移與荷載基本表現(xiàn)出線性關系，無陡降現(xiàn)象出現(xiàn)，樁基承載力特征值均高于200 kPa。當作用載荷達到400 kPa時，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)。

關鍵詞：軟基地層；加固效果；加固機理；靜載荷試驗

中圖分類號：TQ172

文獻標志碼：A文章編號：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)代道路建設的發(fā)展，工程中軟基問題也更加突出，如何對軟基地層進行有效加固是道路建設亟待解決的問題。對此，部分學者也進行了很多研究，如劉生斌對公路路基注漿加固技術進行了研究。試驗結果表明，注漿加固技術作為一種經(jīng)濟實用的施工工藝，能很好的解決公路路基開裂與沉降問題，具有較廣闊的應用空間［1］。有研究選用超細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，并對其加固效果進行研究。試驗結果表明，注漿材料可以有效改變固結體的密實性，明顯增強土體的抗壓強度［2］。優(yōu)選MJS工法樁作為加固措施，并對其加固作用進行研究［3］。研究了CRD法擴挖盾構隧道地層加固措施及其對周邊環(huán)境的影響［4］。以上學者的研究為軟基地層加固提供了一些參考?；诖?，本試驗以文獻［5］、文獻［6］的方法作為參考，制備了一種新型軟層地基加固材料，并對其加固效果進行了研究。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

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

主要設備：JJ-5型攪拌機，德翊機械；WDW型試驗機，文騰儀器；SU3800型掃描電鏡，上多川國際貿(mào)易。

1.2 試驗方法

（1）在水泥攪拌機內(nèi)依次放入水泥、水、粗細骨料和外加劑，充分攪拌使其混合混勻；

（2）將水泥漿液與原狀土中進行混合，然后倒入提前準備好的模具中，在表面蓋上保鮮膜后放入養(yǎng)護箱內(nèi)進行標準養(yǎng)護；

（3）通過正交試驗對試件的配比進行優(yōu)化，其中外加劑為氧化鎂（2%、3%、4%）和硫酸鋁（3%、4%、5%）；正交試驗設計如表1所示。

1.3 性能測試

1.3.1 抗壓強度測試

參照JGJ/T 233—2011和JTG E40—2007測試材料抗壓強度［7-8］。

抗壓強度表達式為［9］：

P=Pc/S（1）

式中：P為抗壓強度，MPa；Pc為試件破壞時荷載，N；S為樣品受壓面積，mm2。

1.3.2 微觀形貌

掃描電鏡可以對材料內(nèi)部結構的變化進行觀察，進而表征材料力學強度變化原因。

1.4 實際工程應用

選擇昌邑至平度門村鎮(zhèn)DK31+400～DK59+800段進行加固試驗。加固方案選擇 CFG 樁復合地基，對實際地質進行考察，設計樁長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石體早期強度較高，因此選擇加固材料為氧化鎂漿液結石體。

1.4.1 靜載荷試驗

采用油壓千斤頂施壓方法進行靜載荷試驗，通過在基準梁上放置兩個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CFG樁進行施壓，施壓過程分為8次進行，然后對施壓結束后的沉降量進行記錄［13］。

1.4.2 樁身完整性試驗

將傳感器粘結在樁頂表面，然后用手錘在豎直方向對樁體表面中心進行擊打，通過傳感器接收信號，并通過計算機進行存儲和分析，對樁身在豎直方向上不同位置信息進行鑒別，通過標準對樁身完整性進行判斷［14-15］；檢測過程如圖1所示。

1.4.3 有限元分析

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

2 結果與討論

2.1 配比優(yōu)化

以氧化鎂和硫酸鋁為外加劑時，試件配比優(yōu)化結果如圖1、圖2所示。

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

從圖2可以看出，以硫酸鋁為外加劑時，仍舊是5號樣品的抗壓強度最高，其在7、14和28 d抗壓強度分別為0.91、1.01和1.38 MPa，滿足JTG D63—2007中規(guī)定。同時，在圖2中還可以觀察到，在水泥摻量為3%～5%時，漿液結石體增長平緩；當水泥摻量達到8%時，強度發(fā)生了較大變化。由于2種外加劑均為5號樣品的抗壓強度最高，因此可認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 微觀形貌結構

2.2.1 外加劑為氧化鎂的微觀形貌結構

以氧化鎂為外加劑時，漿液結石體早期強度較高，后期強度增長較慢，因此以7 d養(yǎng)護齡期為對象，觀察氧化鎂用量對微觀形貌影響，結果如圖3所示。

從圖3可以看出，隨氧化鎂摻量的增加，漿液結石體內(nèi)部逐漸從疏松多孔狀結構轉換為致密的片狀連續(xù)結構。出現(xiàn)這個變化的原因在于，反應產(chǎn)物隨氧化鎂用量的增加而增加，這些反應產(chǎn)物對結石體內(nèi)部的孔隙有填充作用，這就增加了結石體內(nèi)部結構的致密性，提升了結石體的抗壓強度［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，后期強度較高，因此以28 d養(yǎng)護齡期作為觀察對象，結果如圖4所示。

從圖4可以看出，隨硫酸鋁摻入量的增加，漿液結石體內(nèi)部的孔隙逐漸的減少。這是因為硫酸鋁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，且凝結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，硫酸鋁用量較多的情況下，會析出一定的氫氧化鋁，對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度，因此漿料結石體強度增加。

2.3 固化機理分析

2.3.1 氧化鎂固化機理分析

氧化鎂固化軟基地層主要通過2方面進行，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，產(chǎn)物與土顆粒中的正離子發(fā)生離子交換，對土體從顆?；秸w化的轉換有積極作用，使得結石體強度增加。氫氧化鎂溶解度相對較低，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。碳化反應產(chǎn)物為碳酸鎂和堿式碳酸鎂，碳化產(chǎn)物對土顆粒有膠結作用，能有效減小土體孔隙，增強土體的密實度［20］。

2.3.2 硫酸鋁固化機理

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度，使得漿液結石體強度有一定增加；同時，離子交換反應，對土顆粒聚集有促進作用，提供了部分強度。再加上硫酸鋁水解會增強體系內(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，生成針柱狀的鈣礬石，在內(nèi)部形成網(wǎng)狀結構，促進水泥水化反應正向發(fā)展，對反應有加速作用。隨養(yǎng)護齡期的增加，土顆粒慢慢的填充，晶體強度和水化產(chǎn)物增加，土體的內(nèi)部密實性增強，形成更穩(wěn)定的結構，因此漿液結石體后期強度提升明顯。

2.4 實際應用

2.4.1 靜載荷試驗結果

選擇CFG 樁加固軟基地層，并以靜載荷試驗對加固效果進行研究。隨機選擇3根單樁，通過Q-S曲線對其加固效果進行分析，結果如圖5所示。

從圖5可以看出，隨機選擇的單樁最大加載值均高于設計值的2倍，在靜載荷條件下，單樁豎向位移與荷載基本表現(xiàn)出線性關系，無陡降現(xiàn)象出現(xiàn)。當加載至最大荷載時，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。這就說明試驗過程中加載的荷載沒有達到樁體所能承受的極限荷載。對卸載荷載后的樁體回彈率進行測試，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。對單樁抗壓承載力進行綜合評價，各樁強度均滿足具體要求，可以對軟基地層進行有效加固。

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Q-S曲線的變化趨勢基本一致，各級荷載所產(chǎn)生的豎直位移關系曲線表現(xiàn)出線性關系，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，單樁樁體也不會發(fā)生破壞。取最大加載壓力的一半作為判斷標準，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曲線進行沉降分析，結果如圖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)出線性關系，且檢測沉降值始終小于模擬沉降值。前兩級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。當作用荷載未超過268 kPa時，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)這個變化的主要原因在于，過大的加載荷載對建模時基本假設所產(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。當作用載荷達到400 kPa時，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)值模擬結果與現(xiàn)場檢測沉降差值僅為0.56 mm，結果吻合度較高，說明在該條件下數(shù)值模擬的有效性，在后續(xù)工程應用時作用較好。

3 結語

試驗制備的漿液結石體可以對軟基地層進行有效加固，加固效果符合相關標準要求。

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

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

（3）微觀形貌結果表明，摻入2種外加劑后，土體疏松多孔的結構被填充，內(nèi)部結構變得密實，使得漿液結石體的強度明顯增加；

（4）對其加固機理進行分析，氧化鎂加固是通過其水化及碳化對土體進行加固；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土體進行加固；

（5）選擇氧化鎂漿液結石體對軟基地層進行加固靜載荷試驗結果為，單樁最大加載值均高于設計值的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）沉降分析結果：當作用載荷達到400 kPa時，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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