胡 勇，王觀次，王 倩

（1、岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司 湖南 岳陽(yáng) 414002；2、湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院 湖南 湘潭 411105）

0 引言

在我國(guó)沿海及內(nèi)陸江、河流域均廣泛分布著淤泥質(zhì)軟弱土［1］。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的大力建設(shè)，通常需要在這些淤泥質(zhì)軟土地基上施做建筑物。針對(duì)淤泥質(zhì)軟弱土地基，通常采用水泥土攪拌樁、水泥漿旋噴樁、水泥粉煤灰碎石樁等方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行加固處治，以上處理方法均以水泥作為固化劑，采用深層攪拌機(jī)械，在地表下形成更具完整性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的圓柱體［2-3］。然而，水泥是一種高耗能、高污染產(chǎn)品，其生產(chǎn)過程引起的CO2排放是人類活動(dòng)造成全球溫室氣體排放的第二大成因，且水泥早期水化不完全，易導(dǎo)致水泥攪拌樁早期強(qiáng)度偏低，難以快速提供支撐力［4］。

為推進(jìn)落實(shí)“2030 年碳達(dá)峰、2060 年碳中和”計(jì)劃，助力國(guó)家“雙碳”目標(biāo)，促進(jìn)建筑業(yè)高質(zhì)量綠色發(fā)展，亟待尋求一種低碳、節(jié)能、環(huán)保膠凝材料來(lái)替代水泥，對(duì)軟弱土進(jìn)行處治。地聚物材料被認(rèn)為是一種最有可能代替水泥的新型綠色膠凝劑，同時(shí)還具有良好的力學(xué)性能［5-7］，地聚物膠凝材料主要由硅鋁酸鹽前驅(qū)體和堿激發(fā)劑組成，常用的硅鋁酸鹽前驅(qū)體大多采用工農(nóng)業(yè)固廢或建筑垃圾［8］。目前，針對(duì)地聚物在土木工程中的應(yīng)用主要集中于地聚物混凝土材料的力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)方面［9］，關(guān)于在軟土加固領(lǐng)域中的應(yīng)用，何華等人［10］圍繞地聚物加固軟土的性能和可行性進(jìn)行了研究，確定了地聚物摻入比、軟土含水率和攪拌時(shí)間三要素對(duì)試件強(qiáng)度的影響，并得出了地聚物加固軟土的最優(yōu)配合比；ARULRAHAH 等人［11］研究發(fā)現(xiàn)，粉煤灰∕鋼渣基地聚物攪拌樁加固軟土地基具有更高的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。目前關(guān)于地聚物加固處治海濱、湖濱、河流沿岸的淤泥質(zhì)軟弱土的研究甚少。

基于此，為研究地聚物攪拌樁加固淤泥質(zhì)軟弱土復(fù)合地基的單樁承載變形特性，擬通過地聚物替代水泥作為膠凝材料對(duì)淤泥質(zhì)軟弱土的加固處治進(jìn)行研究，對(duì)地聚物土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度（UCS）、加載變形特征、樁土應(yīng)力比及樁頂應(yīng)力等進(jìn)行分析，以期為地聚物加固淤泥質(zhì)軟弱土地基提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)土

試驗(yàn)用土取自湘江邊某施工現(xiàn)場(chǎng)，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB∕T 50123—2019》測(cè)得軟土的物理力學(xué)性能指標(biāo)如下：取樣深度6 m，天然含水率51.8%，液限49.8%，塑限26.9%，孔隙率1.503，濕密度1.63 g∕cm3，有機(jī)質(zhì)含量2.21%。

1.2 固化劑

地聚物固化劑主要成分包含硅鋁原材料（礦渣、粉煤灰）和堿激發(fā)劑，對(duì)比試驗(yàn)中固化劑選用市售P.O.42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥。地聚物中粉煤灰為F 類低鈣粉煤灰，礦渣為S95級(jí)礦粉，礦渣和粉煤灰的化學(xué)成分如表1 所示，堿激發(fā)劑由硅酸鈉溶液和市售固體氫氧化鈉（NaOH）片劑混合攪拌而成。

表1 礦渣粉、粉煤灰和水泥的化學(xué)組成Tab.1 Chemical Components of Slag，F(xiàn)ly Ash and Cement

2 UCS試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

2.1 UCS試驗(yàn)方案

采用地聚物作為固化劑對(duì)淤泥質(zhì)土進(jìn)行加固處理，礦渣粉煤灰比為80∶20，固化劑摻量均采用15%，堿含量分別為20%、30%、40%，水泥固化土作為對(duì)比組，UCS試驗(yàn)具體方案如表2所示。

表2 UCS試驗(yàn)方案Tab.2 Test Plan of UCS

2.2 UCS試驗(yàn)試樣制備

試樣制作及養(yǎng)護(hù)過程的具體步驟為：①原狀土樣經(jīng)高溫（105 ℃）烘干，通過碎土機(jī)粉碎，根據(jù)上述試驗(yàn)方案，稱量相應(yīng)干土粉及水，用室內(nèi)攪拌機(jī)攪拌2 min，制成含水率為52%的重塑土，裝入密封袋中備用；②堿激發(fā)劑采用氫氧化鈉和硅酸鈉溶液混合（堿激發(fā)劑模數(shù)為1.2），硅鋁原料與堿激發(fā)溶液按照質(zhì)量比混合攪拌形成地聚物漿料；③分別將地聚物膠凝材料和重塑土進(jìn)行攪拌，直至混合物達(dá)到均勻狀態(tài)；④依據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程：JGJ∕T 233—2011》、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ 79—2012》，分層裝入300 mm 高PVC 模具管及70.7 mm 立方體模具，每組土樣均制作3個(gè)平行試樣；⑤制備完成后，將試樣用保鮮膜密封放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，然后繼續(xù)置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期。

2.3 UCS試驗(yàn)結(jié)果分析

UCS 試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示，從表3 可以發(fā)現(xiàn)，固化劑摻量均為15%時(shí)，地聚物固化土強(qiáng)度均高于水泥固化土；堿含量為30%的地聚物固化土強(qiáng)度最高，其7 d強(qiáng)度是同樣摻量水泥固化土的1.494 倍，而28 d 強(qiáng)度是同樣摻量水泥固化土的1.388 倍，因此，地聚物可替代水泥作為淤泥質(zhì)土的固化膠凝材料，且具有理想的固化效果［12］。

表3 UCS試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test Results of UCS

堿摻量對(duì)地聚物固化土的強(qiáng)度也有較大影響，當(dāng)堿含量（堿性活化劑）從20%增加到30%時(shí)，7 d的UCS從1.05 MPa 提高到1.21 MPa，28 d 的USC 從1.45 MPa提高到1.68 MPa。這是因?yàn)閴A性活化劑的加入提高了地聚物土壤中OH-和SiO32-離子的含量，導(dǎo)致地聚物前體快速分解，形成凝膠狀水化產(chǎn)物，當(dāng)堿性活化劑含量較低（20%）時(shí)，礦渣和粉煤灰中的硅酸鋁不能完全被激發(fā)，從而限制了土壤強(qiáng)度的增長(zhǎng)。

然而，當(dāng)堿性活化劑含量從30%增加到40%時(shí)，地聚物土的強(qiáng)度反而有所下降，7 d的UCS 從1.21 MPa下降至1.19MPa，28d的UCS 從1.68MPa下降至1.60MPa，這說明隨著堿性活化劑含量的提升，固化土的力學(xué)性能不能一直增加，甚至?xí)?duì)固化土的UCS 產(chǎn)生輕微劣化效應(yīng)，影響地聚物固化土的強(qiáng)度。這是因?yàn)閴A含量過高阻礙凝膠產(chǎn)物的生成和低聚態(tài)四面體的總體聚合，從而造成固化土的強(qiáng)度降低［13］。因此，可以推斷地聚物固化土中堿性活化劑的理想用量為30%。

3 復(fù)合地基模型試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

依據(jù)相似理論及《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范：JGJ 79—2012》、《建筑地基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范：JGJ 340—2015》，地聚物攪拌樁復(fù)合地基室內(nèi)模型試驗(yàn)樁長(zhǎng)取30 cm，樁徑取10 cm，堿含量（硅鋁原料與堿激發(fā)溶液質(zhì)量比）取20%和30%，試驗(yàn)具體分組如表4所示。

表4 地聚物攪拌樁復(fù)合地基試驗(yàn)方案Tab.4 Test Scheme of Geopolymer Mixing Pile Composite Foundation

3.2 試驗(yàn)方法

復(fù)合地基室內(nèi)模型試驗(yàn)具體步驟為：①填土成孔：在模型箱內(nèi)填筑軟土，將兩頭開口的PVC 管（內(nèi)外涂抹凡士林）緩慢壓入土層中央，保證壓入PVC 管的垂直度；②埋樁：將樁慢慢垂直放入成型的孔中，保證樁身不歪斜并減少對(duì)周圍土體擾動(dòng)，安裝完成后，灌入土漿消除孔隙；③埋設(shè)土壓力盒及孔隙水壓力傳感器：分別在樁頂樁側(cè)設(shè)置土壓力盒，在土壓力盒上蓋土填平，最后鋪上砂墊層；④加載：施加5 kPa 的預(yù)壓荷載，并記錄預(yù)壓過程中的沉降和孔隙水壓力變化，待土中孔隙水壓力消散后進(jìn)行加載，逐級(jí)加載，每級(jí)5 kPa，記錄各級(jí)荷載作用下復(fù)合地基的沉降、應(yīng)力、孔隙水壓力的變化規(guī)律。

3.3 加載變形特性

復(fù)合地基荷載-沉降（P-s）曲線如圖1 所示，可以發(fā)現(xiàn)，素土地基承載力約為10 kPa，水泥攪拌樁復(fù)合地基承載力約為55 kPa，20%堿含量的地聚物攪拌樁復(fù)合地基承載力約為60 kPa，30%堿含量的地聚物攪拌樁復(fù)合地基承載力約為70 kPa，說明地聚物攪拌樁能顯著提高淤泥質(zhì)軟弱土地基的承載力，且地聚物攪拌樁加固效果優(yōu)于普通硅酸鹽水泥攪拌樁。相近置換率下，30%堿含量大于20%堿含量地聚物復(fù)合地基的承載力，因此，適當(dāng)?shù)膲A含量能夠提高地聚物固化土的承載能力。

圖1 荷載-沉降曲線Fig.1 Curves of Load-settlement

3.4 樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比n反映了樁和土對(duì)荷載的分擔(dān)情況，同時(shí)它也是復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算的一個(gè)重要參數(shù)［14］。地聚物樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比隨荷載的變化關(guān)系如圖2所示，由圖2可知，在加載之初，3種工況下樁土應(yīng)力比均不穩(wěn)定，這是因?yàn)楫?dāng)荷載不大時(shí)，荷載通過樁體直接傳至樁底，導(dǎo)致樁土應(yīng)力比的增加。當(dāng)荷載施加到一定程度時(shí)，即發(fā)生一定位移時(shí)，復(fù)合地基被壓密，均勻性提高，樁土應(yīng)力比趨于穩(wěn)定。然而隨著荷載的繼續(xù)施加，地聚物樁體的承載力達(dá)到峰值，樁體開始產(chǎn)生裂縫，弱化了樁的承載能力，上部荷載部分由樁周土來(lái)承擔(dān)，從而降低了樁土應(yīng)力比。

圖2 樁土應(yīng)力比曲線Fig.2 Curves of Pile-soil Stress Ratio

在試驗(yàn)加載過程中，30%堿含量的地聚物攪拌樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比最大，樁頂最大樁土應(yīng)力比為11.28，水泥樁最大樁土應(yīng)力比為8.4，地聚物樁樁頂平面處最大樁土應(yīng)力比是水泥樁的1.34 倍。結(jié)果表明，采用地聚物攪拌樁固化淤泥質(zhì)軟弱土，由于樁體自身的剛度遠(yuǎn)大于周圍土體，從而使得應(yīng)力分布呈現(xiàn)在樁上集中的趨勢(shì)，產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，樁土應(yīng)力比顯著增大［15］。

逐級(jí)加載時(shí)復(fù)合地基樁頂土應(yīng)力變化如圖3 所示，隨著荷載的增大，復(fù)合地基樁頂應(yīng)力均逐漸增加。這是由于當(dāng)復(fù)合地基受到靜載作用時(shí)，樁間土的沉降量明顯大于樁頂?shù)某两盗浚瑯扼w與樁間土的變形不協(xié)調(diào)，使得樁間土產(chǎn)生了土拱效應(yīng)，部分荷載轉(zhuǎn)移到樁頂，但隨著荷載的繼續(xù)增加，地聚物樁體的承載力達(dá)到峰值，樁產(chǎn)生一定裂縫等損傷，樁的承載能力逐漸降低，此時(shí)的外部荷載由樁體和土體共同承擔(dān)，從而使得樁頂土應(yīng)力呈現(xiàn)逐級(jí)降低的趨勢(shì)。

圖3 荷載-樁頂應(yīng)力曲線Fig.3 Curves of Load-pile Top Stress

4 結(jié)論

⑴當(dāng)固化劑摻量為15%時(shí)，地聚物固化土強(qiáng)度均高于水泥固化土，堿含量為30%的地聚物固化土強(qiáng)度最高，其7 d 強(qiáng)度是水泥固化土的1.494 倍，而28 d強(qiáng)度是水泥固化土的1.388 倍，就力學(xué)性能而言，地聚物可以替代水泥作為淤泥質(zhì)土的固化膠凝材料。

⑵地聚物攪拌樁能顯著提高淤泥質(zhì)軟弱土地基的承載力，相近置換率下，30%堿含量大于20%堿含量地聚物復(fù)合地基的承載力，且地聚物攪拌樁加固效果優(yōu)于普通硅酸鹽水泥攪拌樁。

⑶地聚物攪拌樁能提高樁土應(yīng)力比，且30%堿含量的地聚物攪拌樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比最大，最大樁土應(yīng)力比為11.28，且是水泥攪拌樁的1.34倍。

地質(zhì)聚合物作為膠凝材料不僅能極大改善淤泥質(zhì)軟弱土的不良工程特性，實(shí)現(xiàn)固廢再利用，而且工程造價(jià)低，對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的可持續(xù)及綠色發(fā)展具有重要的工程與實(shí)踐意義。