碳化攪拌樁加固軟弱地基的理論與方法研究

針對(duì)全球環(huán)境保護(hù)和現(xiàn)代工程建設(shè)需要，本項(xiàng)目以江蘇典型粉土、粉質(zhì)粘土和軟土為對(duì)象，以活性MgO和CO2為固化劑代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅酸鹽水泥固化穩(wěn)定軟弱土為目標(biāo)，采用室內(nèi)試驗(yàn)、微觀分析、模型試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)路線，重點(diǎn)研究了下列內(nèi)容：（1）碳化攪拌法加固軟弱土機(jī)理；（2）碳化土基本工程性質(zhì)；（3）碳化土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律與耐久性；（4）碳化固化工藝等。完成了預(yù)計(jì)研究?jī)?nèi)容，取得了系列研究成果，為MgO碳化固化技術(shù)在地基處理中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，對(duì)土木工程行業(yè)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。主要成果包括： （1）碳化土化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和孔隙特征分析表明：碳化產(chǎn)物主要為棒狀三水碳鎂石、薄片或細(xì)絲狀球碳鎂石和水菱鎂石等；碳化時(shí)間、MgO活性指數(shù)和CO2通氣壓力的增加以及似水灰比和天然土液限的減小，均有利于碳化土孔隙體積的減小和CO2吸收量的增加。碳化土加固機(jī)理包括水化反應(yīng)、離子交換吸附、碳化反應(yīng)和填充作用，提出了粉土和粉質(zhì)黏土碳化加固的微觀結(jié)構(gòu)模型。 （2）MgO固化土碳化放出大量熱，MgO碳化土質(zhì)量、體積密度和電阻率較碳化前有不同程度增加，而含水率、比重、孔隙率、飽和度和pH值則明顯減小，且pH值遠(yuǎn)低于石灰和水泥固化土的pH值。這些指標(biāo)均可與似水灰比進(jìn)行冪函數(shù)擬合，且MgO固化土的碳化程度可通過電阻率法來評(píng)價(jià)。 （3）MgO碳化固化土強(qiáng)度隨碳化時(shí)間增長(zhǎng)而提高，一般碳化3～6小時(shí)可以達(dá)到水泥土28天的強(qiáng)度，提高CO2通氣壓力可加速碳化；建立了強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，總結(jié)出MgO碳化效果排序：粉土>粉質(zhì)黏土>黏土>淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土>淤泥質(zhì)黏土。碳化土的干濕循環(huán)、凍融循環(huán)和硫酸鹽侵蝕等耐久性試驗(yàn)結(jié)果表明：與水泥土相比，碳化土具有較差的抗干濕循環(huán)性能、良好的抗凍融循環(huán)性能和更強(qiáng)的抗硫酸鹽侵蝕能力。 （4）采用管注-覆蓋的攪拌樁或淺層整體碳化方法進(jìn)行CO2通氣碳化可有效控制通氣壓力和時(shí)間、提高碳化效果，距氣源越近，效果越好；粉土的碳化效果優(yōu)于粉質(zhì)黏土；提出了現(xiàn)場(chǎng)碳化固化土的施工工藝流程。 2100433B

針對(duì)全球環(huán)境保護(hù)和現(xiàn)代工程建設(shè)的需要，本項(xiàng)目以低碳、環(huán)保、高效的綠色地基加固技術(shù)為目標(biāo)，研究以活性氧化鎂固化劑代替硅酸鹽水泥加固軟弱地基的碳化攪拌樁技術(shù)機(jī)理和應(yīng)用方法。擬采用室內(nèi)試驗(yàn)、微觀分析、模型試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的技術(shù)路線，著重研究下列關(guān)鍵內(nèi)容：（1）碳化攪拌法加固軟弱土機(jī)理；（2）碳化攪拌加固后的碳化土基本工程性質(zhì)；（3）碳化土強(qiáng)度增長(zhǎng)規(guī)律與耐久性；（4）合理噴氣碳化方式與碳化攪拌樁工藝模擬研究等。通過研究，旨在揭示活性氧化鎂碳化加固軟弱土的物理化學(xué)和微觀機(jī)理，闡明碳化土的強(qiáng)度變化規(guī)律和耐久性規(guī)律，提出碳化攪拌樁的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，總結(jié)給出碳化攪拌樁最優(yōu)碳化方式和工藝技術(shù)參數(shù)。研究成果將為低碳型高效綠色攪拌樁加固軟弱地基技術(shù)的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，提升我國(guó)軟弱土地基處理技術(shù)水平，對(duì)我國(guó)土木水利工程行業(yè)的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

砂樁加固軟基，是一種造價(jià)相對(duì)較低、效果顯著的軟土地基處理方法，在國(guó)內(nèi)外被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、碼頭、工業(yè)及民用建筑等行業(yè)。砂樁加固軟弱地基是通過擠密或振動(dòng)使深層土密實(shí)，并在振動(dòng)擠密過程中，回填砂形成密實(shí)樁體，與樁間土一起組成復(fù)合地基，從而提高地基承載力，減少沉降量，消除或部分消除土的濕陷性或液化性。砂樁是由中粗砂組成的柱體，中粗砂為散體材料，所以砂樁發(fā)揮作用，主要取決于側(cè)向約束的大小。在地基中，砂樁主要靠樁周土側(cè)向約束使樁傳遞垂直荷載，增加重負(fù)，提高抗剪能力。砂樁對(duì)軟土地基的加固機(jī)理，對(duì)于砂性土與粘性土各不相同。

對(duì)松散砂土和粉土的加固機(jī)理

對(duì)松散砂土和粉土而言，砂樁加固地基的主要目的是提高地基土承載力、減少變形和增強(qiáng)抗液化性，砂樁利用振動(dòng)或沖擊荷載在軟基中壓入砂石而減小土的孔隙比，提高其相對(duì)密度。砂樁加固砂土地基抗液化的機(jī)理主要有下列四方面作用：

①擠密作用

砂土和粉土屬于單粒結(jié)構(gòu)，其組成單元為松散粒狀體，滲透系數(shù)一般大于少。在松散狀態(tài)時(shí)，顆粒的排列很不穩(wěn)定，在動(dòng)力和靜力作用下會(huì)重新排列，趨于較穩(wěn)定的狀態(tài)即使顆粒的排列接近較穩(wěn)定的密實(shí)狀態(tài)，在動(dòng)力和靜力作用下也將發(fā)生位移，改變其原來的位置。松散砂土在振動(dòng)力的作用下，其體積縮小可達(dá)。由于水沖使松散砂土處于飽和狀態(tài)，砂土在強(qiáng)烈的高頻強(qiáng)迫振動(dòng)下產(chǎn)生液化并重新排列致密，趨于較穩(wěn)定的密實(shí)狀態(tài)。在成樁過程中，無論采用錘擊法還是振動(dòng)法在砂土中沉入樁管時(shí)，樁孔中填入的砂，被強(qiáng)大的水平振動(dòng)力擠入周圍土中，樁管對(duì)周圍砂層產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，樁管將地基中等于樁管體積的砂擠向樁管周圍的砂層，這種強(qiáng)制擠密使砂土的孔隙比減小，密實(shí)度增大，從而抗液化性能得到改善。

②振密作用

砂樁施工時(shí)，樁管四周的土體受到擠壓，同時(shí)樁管的振動(dòng)能量以波的形式在土體中傳播，引起四周土體的振動(dòng)。在擠壓和振動(dòng)的作用下土的結(jié)構(gòu)逐漸破壞，孔隙水壓力逐漸增大，由于土結(jié)構(gòu)的破壞，土顆粒重新進(jìn)行排列向具有較低勢(shì)能的位置移動(dòng)，從而使土由較松散狀態(tài)變?yōu)槊軐?shí)狀態(tài)隨著孔隙水壓力的進(jìn)一步增大，達(dá)到大于主應(yīng)力數(shù)值時(shí)，土體開始液化成流體狀態(tài)，如果有排水通道，土體中的水此時(shí)就沿著樁體排出地面。

③排水減壓作用

對(duì)砂土液化機(jī)理的研究證明，在地震作用或振動(dòng)作用下，當(dāng)飽和松散砂土受到剪切循環(huán)荷載作用時(shí)，將發(fā)生體積的收縮和趨于密實(shí)，在砂土無排水條件時(shí)體積的快速收縮將導(dǎo)致超靜孔隙水壓力來不及消散而急劇上升，從而使土的抗剪強(qiáng)度降低，當(dāng)砂土中抗剪強(qiáng)度完全喪失，或者土的抗剪強(qiáng)度降低，使土不再能抵抗它原來所能安全承受的作用剪應(yīng)力時(shí)，土體就發(fā)生液化流動(dòng)破壞，即砂土或粉土地基發(fā)生振動(dòng)液化破壞。由于砂土、粉土本身的特性，這種破壞宏觀表現(xiàn)為土體噴水冒砂、土體長(zhǎng)距離的滑流、土體中建筑物上浮和地表建筑物的下陷等現(xiàn)象。砂樁加固砂土?xí)r，樁孔內(nèi)充填反濾性好的粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超靜孔隙水壓力的增高和砂土產(chǎn)生液化，并可加快地基的排水固結(jié)，從而提高樁間土的抗液化能力。

④砂基預(yù)震效應(yīng)

施工過程使填入料和地基土在擠密的同時(shí)獲得強(qiáng)烈的預(yù)震，有利于增強(qiáng)砂土的抗液化能力。國(guó)內(nèi)外大量的不排水循環(huán)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果表明，預(yù)先受過適度水平的循環(huán)應(yīng)力即預(yù)振的試樣，將具有較大的抗液化強(qiáng)度，由于在振動(dòng)成樁過程中，樁間土受到了多次預(yù)振作用，因此使地基土的抗液化能力得到提高。

對(duì)粘性土加固機(jī)理

砂樁軟基處理在軟弱粘性土地基中有置換、排水固結(jié)及墊層作用。

①置換作用

粘性土地基中砂樁的作用不是使地基擠密，而是置換。砂樁在軟粘土中形成一定密度和直徑的大樁體，與原粘性土構(gòu)成復(fù)合地基，提高地基的承載力和整體穩(wěn)定性，防止地基產(chǎn)生滑動(dòng)破壞。由于復(fù)合地基中樁體的剛度較周圍土體大，在剛性基礎(chǔ)等量變形時(shí)，地基中應(yīng)力將按材料的變形模量隨著地基的變形進(jìn)行重新分布，樁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，大部分荷載由樁體承擔(dān)，樁間土上應(yīng)力相應(yīng)減小。

②排水固結(jié)作用

砂樁在粘土地基中是良好的排水通道，在上方荷載的作用下，它起到排水砂井的效能，且大大縮短了孔隙水的水平滲透途徑，加速軟土地基的沉降排水及固結(jié)速度，使沉降穩(wěn)定加快。砂樁能夠改變樁間土的物理性質(zhì)，提高復(fù)合地基承載力。

③墊層作用

用砂樁加固軟弱土層時(shí)，如果軟弱土層較厚、則樁體可不貫穿整個(gè)軟弱土層，此時(shí)復(fù)合地基主耍起墊層作用。通過墊層作用來減小地基的沉降并將基底壓力向深部擴(kuò)散而提高地基的整體承載力。總之，不論對(duì)疏松砂性土或軟弱粘性土，砂樁都有較強(qiáng)的加固作用。在松散砂土中可以用于增大相對(duì)密度，防止振動(dòng)液化在軟弱粘性土中可用于提高地基承載力，加速固結(jié)沉降，改善地基的整體穩(wěn)定性。

砂樁的擠密置換作用

由于砂樁在成樁的過程中樁管對(duì)周圍土層產(chǎn)生很大的橫向擠壓力，砂樁的打入會(huì)擠密原地基的軟弱部位，樁管體積的土體擠向樁管周圍的土層，使樁管周圍的土層孔隙比減小，密實(shí)度增大。密實(shí)的砂樁在軟弱粘性土中取代了同樣體積的軟弱粘性土置換作用，形成復(fù)合地基，提高土體的密度和強(qiáng)度，使地基承載力有所提高，地基沉降也變小。

砂樁的排水固結(jié)作用

砂樁加固砂土?xí)r樁孔內(nèi)充填砂料碎石等反濾性好的粗顆粒料，在地基中形成滲透性能良好的人工豎向排水減壓通道，可有效地消散和防止超靜孔隙水壓力的增加和砂土產(chǎn)生液化，并加快地基的排水固結(jié)。在軟弱粘性土地基中，打入軟土中的砂樁，在施工時(shí)因有高壓氣體的作用會(huì)有大量水從砂樁中排出，有利于高含水量的軟土快速排水固結(jié)。在上方荷載的作用下，能夠加快地基沉降排水及固結(jié)速度，改變樁間土的物理性質(zhì)，提高復(fù)合地基承載力，為此，在施工中從成樁的投料量、樁管提升高度、擠壓時(shí)間、加水量和工作電流入手進(jìn)成樁質(zhì)量控制。砂樁也可以像砂井一樣起排水作用，作為排水通道在上部建筑施工和使用后長(zhǎng)期存在，有利于加快地基的固結(jié)沉降速率。

砂樁的振密作用

砂樁作為復(fù)合地基的振密作用，一方面在成樁過程中，激振器產(chǎn)生的強(qiáng)力振動(dòng)通過導(dǎo)管傳遞給土層使其附近的飽和土地基產(chǎn)生振動(dòng)孔隙水壓力，導(dǎo)致部分土體液化，土顆粒重新排列，孔隙減少，趨向密實(shí)另一方面依靠振沖器的振力將補(bǔ)充的砂擠壓加密，還可以提高地基的承載力，減小地基的沉降量和差異沉降量，提高土體的抗剪強(qiáng)度，增大土體的抗滑穩(wěn)定性，消除地震時(shí)地基可能產(chǎn)生的液化現(xiàn)象 。