粉煤灰摻量對(duì)旋噴樁結(jié)石體力學(xué)特性影響

黃紹芳

(江西省源河工程有限責(zé)任公司，江西 南昌 330025)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，用地需求逐漸增大，一些原本不宜修筑建筑物的不良地基經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)手段處理后也可以在上面修筑建筑物。通過(guò)置換法、樁基礎(chǔ)等地基處理手段，能改善原地基的力學(xué)性能，例如提高其承載力，改善其壓縮性及滲透性，以達(dá)到在其上修筑建筑物的目的[1- 3]。旋噴樁技術(shù)是20世紀(jì)70年代由日本引進(jìn)到我國(guó)，由于其處理地基后具有強(qiáng)度高，成樁的形體可控等特點(diǎn)，因此能夠在業(yè)界得到廣泛的推廣和應(yīng)用[4- 6]。

旋噴樁是高壓噴射注漿法的一種施工工藝之一，在高壓水流射流的作用下，原有地基土體被強(qiáng)制沖切、破壞，土體當(dāng)中的裂隙被擴(kuò)大，利用噴嘴噴射出粉煤灰水泥漿液、水泥漿液等膠結(jié)漿液，膠結(jié)漿液和地基土相互混合，地基處理后會(huì)形成一個(gè)近似圓柱狀的人工結(jié)石體，達(dá)到了加固地基的目的，研究表明，旋噴樁技術(shù)在處理淤泥質(zhì)土地基、軟土地基、砂土地基等多種不良地基上，加固效果很好[7- 9]。

粉煤灰是火電廠(chǎng)燃煤發(fā)電后產(chǎn)生的眾多工業(yè)固體廢棄物當(dāng)中的一種，由于其產(chǎn)量大，為了解決它的堆積問(wèn)題甚至不得不修筑尾礦庫(kù)來(lái)存放堆積粉煤灰。有學(xué)者的研究表明，粉煤灰與水泥混合后在一定的條件下其膠凝作用能夠被很好地激發(fā)出來(lái)，因此可以考慮在旋噴樁施工時(shí)利用粉煤灰替代部分的水泥，這樣在降低成本的同時(shí)減輕了環(huán)境污染[10- 11]。基于以上考慮，利用粉煤灰替代水泥時(shí)，研究粉煤灰摻量對(duì)旋噴樁結(jié)石體力學(xué)性質(zhì)的影響變得至關(guān)重要。

本文以某待處理地基為工程背景，從地基土中取得的土樣作為研究對(duì)象，通過(guò)開(kāi)展不同粉煤灰摻量的旋噴樁結(jié)石體單軸試驗(yàn)探討粉煤灰摻量對(duì)旋噴樁結(jié)石體力學(xué)性質(zhì)的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

某工地待處理地基，經(jīng)前期工程勘察發(fā)現(xiàn)，地表以下3.0～6.2m為淤泥層，6.0～9.0m為軟土層，9.0m以下為含礫石的砂土層。由于淤泥層以及軟土層較深，擬采用旋噴法對(duì)地基進(jìn)行處理，由鉆孔取得三個(gè)典型土層的土樣，圖1為淤泥質(zhì)土、軟土和含礫砂土的級(jí)配曲線(xiàn)圖。試驗(yàn)所用水泥為普通硅酸鹽水泥P.O32.5，試驗(yàn)所用粉煤灰為附近某燃煤發(fā)電廠(chǎng)產(chǎn)生的廢料。

圖1 不同土層土樣級(jí)配曲線(xiàn)圖

1.2 試驗(yàn)方法

為了盡可能模擬旋噴樁形成的結(jié)石體組分，結(jié)合實(shí)際工程資料并參考有關(guān)文獻(xiàn)，本次試驗(yàn)所用的地基土與膠凝材料質(zhì)量之比為4∶1，水和膠凝物質(zhì)的質(zhì)量之比為0.8∶1，本次試驗(yàn)粉煤灰摻量由0依次增加到30%，各組試驗(yàn)粉煤灰摻量差值為10%，試樣控制密度為2.0g/cm3，表1列出了本次試驗(yàn)各種材料的配比。

表1 試驗(yàn)材料配比 單位:kg

將由現(xiàn)場(chǎng)取得的三種地基土分別按照上述配合比配制單軸試驗(yàn)土料，試驗(yàn)材料配制好之后，利用三瓣模制作試樣，24h后脫模養(yǎng)護(hù)。本次無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器為應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀，試樣高8mm，直徑為3.91mm，儀器底座的上升速率為0.24mm/min。試樣開(kāi)始的時(shí)間分別為旋噴樁結(jié)石體試樣養(yǎng)護(hù)的第3d、7d、14d和28d，分別取淤泥質(zhì)土、軟土和含礫砂土旋噴樁結(jié)石體進(jìn)行單軸試驗(yàn)，旋噴樁結(jié)石體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)出現(xiàn)峰值時(shí)，取峰值強(qiáng)度；未出現(xiàn)峰值時(shí)，取結(jié)石體20%應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度作為其單軸抗壓強(qiáng)度值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 淤泥土加固效果

圖2繪出了淤泥質(zhì)土中不同粉煤灰摻量的旋噴樁結(jié)石體在不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度。由圖2可知，盡管粉煤灰摻量不一樣，但是其單軸抗壓強(qiáng)度值均表現(xiàn)出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而逐漸增加。比較不同摻量的結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度值可以發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)護(hù)齡期在3～14d內(nèi)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)值的斜率比較大，14～28d內(nèi)其強(qiáng)度增長(zhǎng)值得斜率趨于平緩。由粉煤灰摻量為0%的對(duì)照組試驗(yàn)結(jié)果可知，結(jié)石體在不同的齡期強(qiáng)度值均最大，這是因?yàn)樗喟l(fā)生水化反應(yīng)，生成了水化硅酸鈣凝膠和鈣礬石，凝膠的生成能夠把淤泥質(zhì)土膠結(jié)在一起，形成一個(gè)整體，而鈣礬石的生成無(wú)疑為提高結(jié)石體的強(qiáng)度起到了重要作用。粉煤灰的摻量與結(jié)石體的強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的的負(fù)相關(guān)關(guān)系；對(duì)于粉煤灰摻量為10%和20%的兩組試驗(yàn)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期在0～14d時(shí)，其早期值比未摻入粉煤灰時(shí)要低很多，當(dāng)結(jié)石體養(yǎng)護(hù)至第28d時(shí)，其強(qiáng)度值和純水泥結(jié)石體的強(qiáng)度值大致相當(dāng)；粉煤灰摻量由10%增加至30%時(shí)，其早期強(qiáng)度值相差并不大，然而后期強(qiáng)度值相差較大，特別是粉煤灰摻量為30%時(shí)，差異最明顯。

圖2 不同粉煤灰摻量旋噴樁加固淤泥土強(qiáng)度

2.2 軟土加固效果

圖3繪出了軟土中不同粉煤灰摻量的旋噴樁結(jié)石體在不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度。由圖2可知，盡管粉煤灰摻量不一，但是其單軸抗壓強(qiáng)度值都表現(xiàn)出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增加。比較不同摻量的結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度值可以發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)護(hù)齡期在3～14d內(nèi)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)值的斜率比較大，14～28d內(nèi)其強(qiáng)度增長(zhǎng)值得斜率趨于平緩。由粉煤灰摻量為0%的對(duì)照組試驗(yàn)結(jié)果可知，結(jié)石體在不同的齡期強(qiáng)度值均最大，粉煤灰的摻量與結(jié)石體的強(qiáng)度呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；對(duì)于粉煤灰摻量為10%和20%的兩組試驗(yàn)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期在0～14d時(shí)，其早期值比未摻入粉煤灰時(shí)要低很多，當(dāng)結(jié)石體養(yǎng)護(hù)至第28d時(shí)，其強(qiáng)度值和純水泥結(jié)石體的強(qiáng)度值大致相當(dāng)；粉煤灰摻量由10%增加至30%時(shí)，其早期強(qiáng)度值相差并不大，然而后期強(qiáng)度值相差較大，特別是粉煤灰摻量為30%時(shí)，差異最明顯。

圖3 不同粉煤灰摻量旋噴樁加固軟土強(qiáng)度

2.3 含礫砂土加固效果

圖4繪出了含礫砂土中不同粉煤灰摻量的旋噴樁結(jié)石體在不同養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度。由圖2可知，盡管粉煤灰摻量不一，但是其單軸抗壓強(qiáng)度值都表現(xiàn)出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)而增加。比較不同摻量的結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度值可以發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)護(hù)齡期在3～14d內(nèi)，其強(qiáng)度增長(zhǎng)值的斜率比較大，14～28d內(nèi)其強(qiáng)度增長(zhǎng)值得斜率趨于平緩。由粉煤灰摻量為0%的對(duì)照組試驗(yàn)結(jié)果可知，結(jié)石體在不同的齡期強(qiáng)度值均最大，粉煤灰的摻量與結(jié)石體的強(qiáng)度呈現(xiàn)較為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系；對(duì)于粉煤灰摻量為10%和20%的兩組試驗(yàn)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期在0～14d時(shí)，其早期值比未摻入粉煤灰時(shí)要低很多，當(dāng)結(jié)石體養(yǎng)護(hù)至第28d時(shí)，其強(qiáng)度值和純水泥結(jié)石體的強(qiáng)度值大致相當(dāng)；粉煤灰摻量由10%增加至30%時(shí)，其早期強(qiáng)度值相差并不大，然而后期強(qiáng)度值相差較大，特別是粉煤灰摻量為30%時(shí)，差異最明顯。

圖4 不同粉煤灰摻量旋噴樁加固含礫砂土強(qiáng)度

2.4 不同級(jí)配地基土加固效果對(duì)比分析

對(duì)比分析圖2～4的試驗(yàn)結(jié)果可以得知，粉煤灰摻量和結(jié)石體在不同齡期時(shí)的單軸抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)負(fù)的相關(guān)關(guān)系；當(dāng)粉煤灰摻量為0～20%的范圍內(nèi)，結(jié)石體早期強(qiáng)度不高，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14～28d時(shí)，結(jié)石體強(qiáng)度值是未摻粉煤灰時(shí)的86.0%～95.6%，這可能是由于水泥及其水化過(guò)程中生成的某些物質(zhì)激發(fā)了粉煤灰的膠凝作用，這樣就造成了在一定粉煤灰摻量的情況下，結(jié)石體的膠凝作用并未大幅度地降低的現(xiàn)象；由粉煤灰摻量為30%的試驗(yàn)結(jié)果可知，到后期其強(qiáng)度值有大幅度的降低，這說(shuō)明水泥的膠結(jié)作用在結(jié)石體的強(qiáng)度中起著決定性作用；對(duì)比不同級(jí)配的地基土加固效果可以發(fā)現(xiàn)，旋噴樁加固淤泥質(zhì)土和加固軟土的效果相當(dāng)，旋噴樁在加固含礫砂土的效果相比于加固淤泥質(zhì)土和軟土的好，這可能是由于含礫砂土孔隙較大，粉煤灰水泥漿液能夠很好地填充其孔隙，因此能夠形成比較密實(shí)的結(jié)石體，所以強(qiáng)度比較大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以某待處理地基為工程背景，以地基土中取得的土樣和不同粉煤灰摻量的混合物為研究對(duì)象，開(kāi)展了不同級(jí)配的地基土在不同齡期的單軸試驗(yàn)，結(jié)果表明：

(1)旋噴樁結(jié)石體單軸抗壓強(qiáng)度值會(huì)隨著粉煤灰摻量的增加而下降；

(2)粉煤灰摻量在20%左右時(shí)，結(jié)石體早期強(qiáng)度較低，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較多和純水泥結(jié)石體相當(dāng)，粉煤灰替換水泥的最佳替換率范圍在20%左右；

(3)摻粉煤灰的旋噴樁在加固不同級(jí)配的地基土?xí)r效果不一樣，加固淤泥質(zhì)圖和加固軟土效果相當(dāng)，加固含礫砂土效果在三者之中最好。

[1] 林志文. 高壓旋噴樁在海堤達(dá)標(biāo)加固設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計(jì), 2006(06): 45- 49.

[2] 孟小鳴. 高壓旋噴樁復(fù)合地基在德陽(yáng)地區(qū)高層建筑中的應(yīng)用[D]. 重慶大學(xué), 2007.

[3] 楊鳳靈. 高壓旋噴樁復(fù)合地基在高層住宅樓中的應(yīng)用[D]. 浙江大學(xué), 2004.

[4] 王延寧, 蔣斌松, 于健, 等. 港珠澳大橋島隧結(jié)合段高壓旋噴樁地基沉降試驗(yàn)及研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2017, 36(06): 1514- 1521.

[5] 陳國(guó)棟, 梁永輝, 詹金林. 高壓旋噴樁復(fù)合地基在世博項(xiàng)目中的應(yīng)用[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2010, 32(S2): 414- 417.

[6] 曾克強(qiáng). 旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)研究及其工程應(yīng)用[D]. 湖南大學(xué), 2006.

[7] 黃澤斌. 高壓旋噴樁復(fù)合地基加固設(shè)計(jì)與施工[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版), 2017, 13(04): 149- 151.

[8] 曾克強(qiáng). 旋噴樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)理論與施工技術(shù)研究及其工程應(yīng)用[D]. 湖南大學(xué), 2006.

[9] 楊鳳靈. 高壓旋噴樁復(fù)合地基在高層住宅樓中的應(yīng)用[D]. 浙江大學(xué), 2004.

[10] 楊陸海, 周旭, 林強(qiáng). 鋅冶煉廢渣在膠結(jié)充填技術(shù)中的應(yīng)用研究[J]. 中國(guó)礦山工程, 2014, 43(05): 11- 13+16.

[11] 魏衛(wèi)東, 王革陳. 堿激發(fā)礦渣-粉煤灰膠凝材料研究進(jìn)展[J]. 粉煤灰綜合利用, 2008(03): 52- 54.