软基地层加固材料及应用性能分析

贺志刚 张晓明 张宝

摘 要：针对传统软基地层加固难题，提出一种新型浆液结石体的制备。研究了外加剂对结石体强度的影响，对其加固机理及加固效果进行分析。试验结果表明，水泥掺量为8%，适合的水胶比为1.25∶1，氧化镁掺量为4%时，浆液结石体7、14和28 d抗压强度分别为0.98、1.06和1.15 MPa。使用氧化镁浆液结石体对软基地层进行加固静载荷试验结果为，单桩最大加载值均高于设计值的2倍;在静载荷条件下，单桩竖向位移与荷载基本表现出线性关系，无陡降现象出现，桩基承载力特征值均高于200 kPa。当作用载荷达到400 kPa时，检测沉降值为2.5 mm，模拟沉降值为1.94 mm，二者差值为0.56 mm，该差值处于可接受范围内。

关键词：软基地层；加固效果；加固机理；静载荷试验

中图分类号：TQ172

文献标志码：A文章编号：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

隨着现代道路建设的发展，工程中软基问题也更加突出，如何对软基地层进行有效加固是道路建设亟待解决的问题。对此，部分学者也进行了很多研究，如刘生斌对公路路基注浆加固技术进行了研究。试验结果表明，注浆加固技术作为一种经济实用的施工工艺，能很好的解决公路路基开裂与沉降问题，具有较广阔的应用空间［1］。有研究选用超细硅酸盐水泥作为主体胶凝成分，纳米硅溶胶、粉煤灰和硫酸钙晶须作为辅料制备了一种新型注浆材料，并对其加固效果进行研究。试验结果表明，注浆材料可以有效改变固结体的密实性，明显增强土体的抗压强度［2］。优选MJS工法桩作为加固措施，并对其加固作用进行研究［3］。研究了CRD法扩挖盾构隧道地层加固措施及其对周边环境的影响［4］。以上学者的研究为软基地层加固提供了一些参考。基于此，本试验以文献［5］、文献［6］的方法作为参考，制备了一种新型软层地基加固材料，并对其加固效果进行了研究。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：P·O42.5 水泥，润合建材；粗骨料（Ⅰ级），宏乾环保工程；细骨料（Ⅰ级），康辉耐材；硫酸铝（AR），天润化工；氧化镁（AR），启仁化工。

主要设备：JJ-5型搅拌机，德翊机械；WDW型试验机，文腾仪器；SU3800型扫描电镜，上多川国际贸易。

1.2 试验方法

（1）在水泥搅拌机内依次放入水泥、水、粗细骨料和外加剂，充分搅拌使其混合混匀；

（2）将水泥浆液与原状土中进行混合，然后倒入提前准备好的模具中，在表面盖上保鲜膜后放入养护箱内进行标准养护；

（3）通过正交试验对试件的配比进行优化，其中外加剂为氧化镁（2%、3%、4%）和硫酸铝（3%、4%、5%）；正交试验设计如表1所示。

1.3 性能测试

1.3.1 抗压强度测试

参照JGJ/T 233—2011和JTG E40—2007测试材料抗压强度［7-8］。

抗压强度表达式为［9］：

P=Pc/S（1）

式中：P为抗压强度，MPa；Pc为试件破坏时荷载，N；S为样品受压面积，mm2。

1.3.2 微观形貌

扫描电镜可以对材料内部结构的变化进行观察，进而表征材料力学强度变化原因。

1.4 实际工程应用

选择昌邑至平度门村镇DK31+400～DK59+800段进行加固试验。加固方案选择 CFG 桩复合地基，对实际地质进行考察，设计桩长8～10 m，桩径（D）为400 mm，桩间距3D～5D［10-11］。由于以氧化镁为外加剂制备的浆液结石体早期强度较高，因此选择加固材料为氧化镁浆液结石体。

1.4.1 静载荷试验

采用油压千斤顶施压方法进行静载荷试验，通过在基准梁上放置两个沉降传感器测试沉降量数值［12］。采用慢速状态均载法对CFG桩进行施压，施压过程分为8次进行，然后对施压结束后的沉降量进行记录［13］。

1.4.2 桩身完整性试验

将传感器粘结在桩顶表面，然后用手锤在竖直方向对桩体表面中心进行击打，通过传感器接收信号，并通过计算机进行存储和分析，对桩身在竖直方向上不同位置信息进行鉴别，通过标准对桩身完整性进行判断［14-15］；检测过程如图1所示。

1.4.3 有限元分析

通过 MIDAS GTS NX 有限元分析软件进行有限元分析。为了简化试验过程，对模型进行基本假设。不考虑地下水影响，力学性能相近土层间的差别不计。土体为理想弹塑性模型。

2 结果与讨论

2.1 配比优化

以氧化镁和硫酸铝为外加剂时，试件配比优化结果如图1、图2所示。

从图1可以看出，以氧化镁为外加剂时，5号样品的强度最高，在7、14和28 d时分别为0.98、1.06 和1.15 MPa，满足JTG D63—2007中规定［16-17］。同时，从图1中还可观察到，以氧化镁为外加剂时，水泥掺入量超过3%时，浆液结石体快速凝结，早期强度较高，后期強度增长量较少。

从图2可以看出，以硫酸铝为外加剂时，仍旧是5号样品的抗压强度最高，其在7、14和28 d抗压强度分别为0.91、1.01和1.38 MPa，满足JTG D63—2007中规定。同时，在图2中还可以观察到，在水泥掺量为3%～5%时，浆液结石体增长平缓；当水泥掺量达到8%时，强度发生了较大变化。由于2种外加剂均为5号样品的抗压强度最高，因此可认定适宜的水泥掺量为8%、水胶比为1.25∶1、外加剂为4%氧化镁或者5%硫酸铝。

2.2 微观形貌结构

2.2.1 外加剂为氧化镁的微观形貌结构

以氧化镁为外加剂时，浆液结石体早期强度较高，后期强度增长较慢，因此以7 d养护龄期为对象，观察氧化镁用量对微观形貌影响，结果如图3所示。

从图3可以看出，随氧化镁掺量的增加，浆液结石体内部逐渐从疏松多孔状结构转换为致密的片状连续结构。出现这个变化的原因在于，反应产物随氧化镁用量的增加而增加，这些反应产物对结石体内部的孔隙有填充作用，这就增加了结石体内部结构的致密性，提升了结石体的抗压强度［18-19］。

2.2.2 外加剂为硫酸铝的微观形貌

以硫酸铝作为外加剂时，后期强度较高，因此以28 d养护龄期作为观察对象，结果如图4所示。

从图4可以看出，随硫酸铝掺入量的增加，浆液结石体内部的孔隙逐渐的减少。这是因为硫酸铝水解的离子与土颗粒中的离子交换，使部分小颗粒土体凝结，且凝结程度与硫酸铝用量呈正比。胶凝程度随硫酸铝用量的增加而增加。同时，硫酸铝用量较多的情况下，会析出一定的氢氧化铝，对颗粒间的孔隙有填充作用。再加上氢氧化铝自身具备一定强度，因此浆料结石体强度增加。

2.3 固化机理分析

2.3.1 氧化镁固化机理分析

氧化镁固化软基地层主要通过2方面进行，分别为氧化镁的水化及碳化加固。氧化镁可以与软土表面吸附的水分子发生水化反应，产物与土颗粒中的正离子发生离子交换，对土体从颗粒化到整体化的转换有积极作用，使得结石体强度增加。氢氧化镁溶解度相对较低，在形成饱和溶液后，表面有很多疏松多孔的氢氧化镁晶体析出，与二氧化碳发生碳化反应。碳化反应产物为碳酸镁和碱式碳酸镁，碳化产物对土颗粒有胶结作用，能有效减小土体孔隙，增强土体的密实度［20］。

2.3.2 硫酸铝固化机理

硫酸铝在水中水解后，产物为溶解度较小的氢氧化铝，饱和后析出的氢氧化铝自身具备一定的强度，使得浆液结石体强度有一定增加；同时，离子交换反应，对土颗粒聚集有促进作用，提供了部分强度。再加上硫酸铝水解会增强体系内硫酸根离子浓度，可与溶液中的铝离子、钙离子和氢氧根产生反应，生成针柱状的钙矾石，在内部形成网状结构，促进水泥水化反应正向发展，对反应有加速作用。随养护龄期的增加，土颗粒慢慢的填充，晶体强度和水化产物增加，土体的内部密实性增强，形成更稳定的结构，因此浆液结石体后期强度提升明显。

2.4 实际应用

2.4.1 静载荷试验结果

选择CFG 桩加固软基地层，并以静载荷试验对加固效果进行研究。随机选择3根单桩，通过Q-S曲线对其加固效果进行分析，结果如图5所示。

从图5可以看出，随机选择的单桩最大加载值均高于设计值的2倍，在静载荷条件下，单桩竖向位移与荷载基本表现出线性关系，无陡降现象出现。当加载至最大荷载时，单桩仍旧处于规律性沉降的状态，未出现破坏的情况。这就说明试验过程中加载的荷载没有达到桩体所能承受的极限荷载。对卸载荷载后的桩体回弹率进行测试，各桩回弹率均未超过70%，代表在加载过程中，桩身受力产生的为弹性沉降。但桩底端存在一定的持力层塑性变形，部分竖向位移无法恢复。对单桩抗压承载力进行综合评价，各桩强度均满足具体要求，可以对软基地层进行有效加固。

2.4.2 桩身破坏情况

图6为桩身破坏情况的P-S曲线。

从图6可以看出，单桩P-S曲线与静载荷试验Q-S曲线的变化趋势基本一致，各级荷载所产生的竖直位移关系曲线表现出线性关系，并不发生陡降的现象，证明单桩地基承载力满足要求，继续增加一些荷载，单桩桩体也不会发生破坏。取最大加载压力的一半作为判断标准，桩基承载力特征值均高于200 kPa，满足要求。

2.4.3 沉降分析

通过P-S曲线进行沉降分析，结果如图7所示。

从图7可以看出，检测沉降与模拟沉降的P-S曲线总体表现出线性关系，且检测沉降值始终小于模拟沉降值。前两级载荷的沉降值只有较小的差距，这种差距随荷载加载值的增加而增加。当作用荷载未超过268 kPa时，检测沉降曲线与模拟沉降曲线基本保持平行状态，而荷载超过268 kPa后，沉降曲线差异开始变大。出现这个变化的主要原因在于，过大的加载荷载对建模时基本假设所产生的误差有放大作用。再加上各土层物理参数取值与现场土层参数具有一定差异，因此在大载荷条件下，检测沉降值与模拟沉降值具备一定差异。当作用载荷达到400 kPa时，检测沉降值为2.5 mm，模拟沉降值为1.94 mm，两者差值为0.56 mm，该差值处于可接受范围内。综上，本试验建立的软基地层加固桩在400 kPa载荷条件下沉降仅为2.5 mm，表现出良好的加固效果。而数值模拟结果与现场检测沉降差值仅为0.56 mm，结果吻合度较高，说明在该条件下数值模拟的有效性，在后续工程应用时作用较好。

3 结语

试验制备的浆液结石体可以对软基地层进行有效加固，加固效果符合相关标准要求。

（1）当水泥掺量为8%，适合的水胶比为1.25∶1，氧化镁掺量为4%时，浆液结石体抗压强度满足JTG D63—2007规定。其强度特征为早强较高，后期强度基本不变；

（2）当水泥掺量为8%，适合的水胶比为1.25∶1，硫酸铝掺量为5%时，浆液结石体抗压强度满足JTG D63—2007中规定。其强度增长规律为，早期强度不高，强度随养护龄期的增加而增加；

（3）微观形貌结果表明，掺入2种外加剂后，土体疏松多孔的结构被填充，内部结构变得密实，使得浆液结石体的强度明显增加；

（4）对其加固机理进行分析，氧化镁加固是通过其水化及碳化对土体进行加固；硫酸铝加固是通过水解产物生成针柱状的钙矾石和析出氢氧化铝对土体进行加固；

（5）选择氧化镁浆液结石体对软基地层进行加固静载荷试验结果为，单桩最大加载值均高于设计值的2倍，在静载荷条件下，单桩竖向位移与荷载基本表现出线性关系，无陡降现象出现，桩基承载力特征值均高于200 kPa，表现出良好的加固效果；

（6）沉降分析结果：当作用载荷达到400 kPa时，检测沉降值为2.5 mm，模拟沉降值为1.94 mm，二者差值为0.56 mm，该差值处于可接受范围内。

【参考文献】

［1］ 刘生斌.公路路基注浆加固技术浅析［J］.建筑工人，2023，44（3）：25-28.

［2］ 张涛麟，耿汉生，许宏发，等.钙质砂注浆加固材料制备及固结体性能试验研究［J］.岩土力学，2022，43（S2）：327-336.

［3］ 周贤培，周冬辉，李秀奎，等.高富水地层新老混凝土接口处MJS工法桩加固应用研究［J］.西部探矿工程，2022，34（3）：43-46.

［4］ 冯敬辉，朱颖.CRD法扩挖盾构隧道地层加固措施及周边环境变形影响分析［J］.现代隧道技术，2021，58（5）：204-212.

［5］ 叶振沛.不同活性掺加剂固化软基的效果与性能分析［D］.宜昌：三峡大学，2020.

［6］ 葛建东.CFG桩在高速铁路软土地基处理中的应用研究［D］.济南：山东建筑大学，2021.

［7］ 杨腾添，李恒，周冠南，等.软弱地层敞开式TBM超前注浆加固技术研究［J］.隧道建设（中英文），2021，41（5）：858-864.

［8］ 张文利.冷冻法地层加固施工技术在地铁区间联络通道工程中的应用［J］.广东水利电力职业技术学院学报，2021，19（3）：5-8.

［9］ 刘孝孔，绪瑞华，赵艳鹏，等.邻近厚松散层既有立井井筒地面注浆地层加固技术［J］.煤炭科学技术，2022，50（7）：127-134.

［10］ 刘雷.滨海地区软弱地层盾构始发加固技术［J］.建筑技术开发，2022，49（5）：136-139.

［11］ 薛小攀，韩福，冯秋丰，等.软弱地层小断面引水隧洞超前小导管加固效果分析［J］.水利水电快报，2022，43（7）：50-56.

［12］ 胡荡.注浆加固后岩体力学性质及渗流-变形耦合特性研究［J］.水利技术监督，2022（8）：202-205.

［13］ 张涛麟，耿汉生，许宏发，等.钙质砂注浆加固材料制备及固结体性能试验研究［J］.岩土力学，2022，43（S2）：327-336.

［14］ 严红，王永斌.双粒径填石路基空隙注浆加固结构特征分析［J］.路基工程，2022（4）：102-106.

［15］ 李天保.岩溶富水区注浆加固方案研究［J］.辽宁省交通高等专科学校学报，2022，24（5）：15-19.

［16］ 黃子俨.不同配置的UHPC粘接加固钢纤维复合混凝土板性能测试研究［J］.粘接，2023，50（3）：105-109.

［17］ 邵宇.高粘接力防水胶在软土地基加固中的应用［J］.粘接，2023，50（1）：24-28.

［18］ 聂峥，刘星，向慧君，等.双液袖阀管灌浆法注浆加固在地铁区间段中的影响分析［J］.湖南文理学院学报（自然科学版），2023，35（1）：61-66.

［19］ 王晓婵，高胜雷.新型改性水泥-水玻璃复合注浆材料加固砂卵石地层研究［J］.新型建筑材料，2023，50（1）：133-136.

［20］ 李志才.耐久性建筑结构胶在建筑工程中的应用研究［J］.粘接，2020，41（4）：11-15.