濕陷性黃土地區劈裂注漿樁芯結石體強度試驗研究

2021-05-10 12:41:48周茗如李少飛

硅酸鹽通報 2021年4期

周茗如，李寧，鐘琳，李少飛

(1.蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050；2.西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，蘭州 730050)

0 引言

注漿技術是巖土工程學的一個分支，隨著社會的發展，注漿技術在土木工程各個領域的應用已經越來越廣泛[1-2]。簡單來說，注漿技術就是將已經調好的漿液通過特定的設備注入土體之中[3]。注漿技術有著操作簡便、設備精密度高的特點[4]，在各種復雜環境中都有著極高的適用性，因此被廣泛運用于地基加固工程當中[5]。劈裂注漿作為一種常見的注漿方式，在軟弱土層加固中應用較廣[6]，它既可應用于滲透性較好的砂層，又可應用于滲透性差的粘性土層。

我國西北部擁有大面積的黃土地區[7]，其中濕陷性黃土占黃土地區的一大部分。黃土自身的密度大且整體結構不穩定，在覆蓋土層自重應力作用下或自重應力和附加應力共同作用下，受到雨水等液體的浸濕后，土的結構被破壞，導致土體明顯下沉，形成了濕陷性黃土[8]。濕陷性黃土具有多裂隙性、崩解性和濕陷性等工程特性，黃土垂直節理發育，垂直方向滲透性強，地表水能很快滲透至地下，并使深部黃土處于飽水狀態，降低土體強度和承載力，從而完全喪失地基對原有結構的作用[9]。

由于濕陷性黃土的特殊性，選擇劈裂注漿的方式對濕陷性黃土地區的地基進行加固。但由于注漿加固工程屬于隱蔽性工程[10]，其理論的發展遠遠落后于實際工程的應用。對于地基注漿加固效果評價通常采用沉降觀測的方式，這種評價方式易操作、成本低且評價直觀，但是不能在工程施工前進行加固效果的預測。注漿漿液注入土體后，與土體共同形成的整體稱為結石體，結石體的強度是評價注漿效果的一個重要指標[11]。樁芯結石體是注漿孔處形成的結石體，本文基于蘭州新區某濕陷性黃土場地，對劈裂注漿樁芯結石體強度進行力學試驗研究，分析樁芯結石體力學性能的變化規律，不僅可以對地基加固的效果進行直觀評價，還能對濕陷性黃土地區注漿技術給予參考，并且可以更進一步完善濕陷性黃土地區注漿理論的研究。

1 實驗

1.1 原材料

水泥均采用甘肅祁連山牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，試驗之前對水泥的指標參數進行測試，結果如表1所示。礦渣粉采用鞏義市龍澤凈水材料有限公司生產的S95級礦渣粉，主要成分為SiO2、CaO、Al2O3、MgO、Fe2O3、TiO2等，其中SiO2和CaO的質量含量占到總質量的70%以上，具體成分含量如表2所示。粉煤灰采用河南省四通化建有限公司生產的一級粉煤灰，主要成分為SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、TiO2等，其中SiO2和Al2O3的質量含量占到總成分質量的80%以上，具體成分含量如表3所示。水選用符合JGJ 63—2006《混凝土用水標準》的自來水。

表1 水泥的主要技術指標

表2 S95級礦渣粉的主要化學成分

表3 一級粉煤灰的主要化學成分

1.2 注漿漿液配合比及漿液性能測定

注漿漿液按照水膠比(W/B)0.5、0.8、1.0、1.2、1.5進行配置，其中膠凝材料的質量比m(水泥) ∶m(粉煤灰) ∶m(礦渣粉)=60% ∶20% ∶20%，漿液配比如表4所示。

采用方瑞儀器有限公司生產的 NDJ-8S 型粘度計測量漿液的初始粘度，采用量杯測量漿液2 h析水率，采用“倒杯法”測定漿液初凝時間，測量數據如表5所示。

表4 注漿漿液配合比

表5 注漿漿液性能指標

1.3 注漿漿液試塊強度及樁芯結石體強度研究

對表4五種不同配合比下的注漿漿液試塊進行強度測試，將注漿漿液倒入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，振搗密實，標記好組號后放入養護室進行養護，24 h后拆除模具，并將試塊采用標準養護和同條件養護兩種方式進行養護。標準養護在溫度保持在(20±2) ℃，濕度在95%以上的養護室中進行，同條件養護在濕陷性黃土地基中深度分別為0.25 m、0.75 m、1.25 m、1.75 m的條件下進行。由于土體的密度和含水率對結石體強度有影響，故對本次試驗區域的土體進行密度和含水率的測定，測定結果如表6所示。待試塊養護結束，采用YA-3000型壓力試驗機測量其3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d的抗壓強度。

表6 濕陷性黃土地區土體性質

將表4五種不同配合比下的注漿漿液進行配置，以劈裂注漿的形式在濕陷性黃土區域試驗場地進行注漿，并進行齡期為3 d、7 d、14 d、28 d、56 d、90 d的養護。達到養護齡期時，以鉆芯法的方式進行取樣，并將深度為0.25 m、0.75 m、1.25 m、1.75 m處的樁芯結石體切為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的形狀，進行抗壓強度試驗研究。

圖1 標準養護試塊抗壓強度

2 結果與討論

2.1 標準養護試塊強度及相關性分析

圖1為五種不同水膠比下標準養護試塊的抗壓強度隨養護齡期變化的曲線，根據圖1的數據以及曲線變化規律，標準養護下試塊的抗壓強度會隨齡期的增加而呈對數增大。根據這一特點，利用一元非線性回歸分析方法，通過Minitab軟件進行不同配合比下試塊強度與齡期的相關性分析，相關性分析如表7所示。

表7 標準養護試塊抗壓強度相關性分析

為了研究任意配合比下試塊標準養護的抗壓強度，將3 d抗壓強度設為自變量，進行標準養護抗壓強度與3 d抗壓強度和齡期多元非線性相關性分析，分析結果如下：

σb=-3.099+0.456σs-0.060 6t+1.689lnt+0.681 6σst

(1)

2.2 同條件養護強度及其與標準養護試塊強度相關性分析

圖2 同條件養護水膠比為0.5試塊抗壓強度

為了研究濕陷性黃土地區的土的密度、含水率、埋置深度對劈裂注漿樁芯結石體強度的影響，本次試驗將試塊進行同條件養護。圖2～6為五種不同水膠比下，同條件養護試塊抗壓強度在不同深度下隨齡期變化的曲線，根據圖2～6中的曲線可以得出：同條件養護試塊的強度與標準養護變化規律相同，隨齡期的增加而呈對數增大；同條件養護試塊的強度隨著土中埋置深度的增大而略微增大。這說明土的密度、含水率以及埋置深度對同條件養護試塊強度略有影響。根據這一特點，利用多元線性回歸分析方法，通過Minitab軟件進行同條件養護試塊強度與標準養護試塊強度、土的密度、含水率、埋置深度的相關性分析，結果如式(2)所示。

σn=-87.9+0.943 67σb+0.652h+63.6ρ-2.35ω

(2)

圖3 同條件養護水膠比為0.8試塊抗壓強度

圖4 同條件養護水膠比為1.0試塊抗壓強度

圖5 同條件養護水膠比為1.2試塊抗壓強度

圖6 同條件養護水膠比為1.5試塊抗壓強度

2.3 樁芯結石體強度及其與試塊強度相關性分析

圖7～11為五種不同水膠比下，樁芯結石體抗壓強度在不同深度下隨齡期變化的曲線。根據圖7～11中的曲線可以得出，樁芯結石體的抗壓強度與同條件養護試塊強度的變化規律相同，隨齡期的增加而呈對數增大，隨著土中埋置深度的增大而略微增大。由此可以得出樁芯結實體的抗壓強度與同條件養護試塊的抗壓強度具有一定的相關關系，對其相關關系通過Minitab軟件進行一元線性回歸分析，結果如表8所示。

圖7 水膠比為0.5樁芯結石體抗壓強度

圖8 水膠比為0.8樁芯結石體抗壓強度

圖9 水膠比為1.0樁芯結石體抗壓強度

圖10 水膠比為1.2樁芯結石體抗壓強度

圖11 水膠比為1.5樁芯結石體抗壓強度

為研究任意配合比劈裂注漿樁芯結石體強度與同養護條件下試塊強度的相關關系，對90 d齡期樁芯結石體與同養護條件試塊抗壓強度對比如表9所示，結果表明：樁芯結石體的抗壓強度隨水膠比的增大而降低；樁芯結石體與同養護條件試塊抗壓強度的比值隨水膠比的增大而增大。分析認為：在注漿過程中，漿液一部分水分會析出進出土中，導致漿液的實際水膠比比配置的漿液低一些，所以樁芯結石體的強度比試塊高；隨著水膠比的增大，注漿漿液的析水率增大，使注漿過程中漿液的失水量增大，漿液的實際水膠比降低幅度增大，導致樁芯結石體與同養護條件試塊抗壓強度的比值隨水膠比的增大而增大，但注漿漿液有一定的保水性，所以樁芯結石體強度仍然隨水膠比增大而降低。