约束固化土轴压承载特性试验研究

刘金龙，吴帅帅，刘兴华，李建平，高政国，黄新

（1.中岩大地科技股份有限公司，北京 100041；2.北京航空航天大学交通学院，北京 100191）

0 引言

在近海岛礁的基本建设中，不可避免地会遇到软土地基处理问题。例如：对海底沉积的淤泥类软土场地或疏浚淤泥吹填的场地需要进行地基处理。由于这些岛礁砂石资源匮乏，且运输困难或成本较高，因此应尽可能地利用原地资源、减少建筑材料的运输量。此外，由于海底淤泥或海水存在某些盐类对水泥产生腐蚀的风险，因此必须考虑地基处理材料抵抗盐类腐蚀的耐久性问题。同样的问题也出现在内陆一些盐渍土地区，例如青海省格尔木盐湖带地区。将原位软土与水泥等固化剂拌合形成具有一定强度的固化土的地基处理技术可以充分的利用原位软土，从而可以减少材料运输量。但该技术所能提供的地基承载力较低，且在含盐淤泥中不能保证耐久性。针对此类情况，提出了一种新的地基处理技术：将软土与含高比例膨胀组分的固化剂拌和后密实填充在置于地基中的、具有足够高拉伸模量和强度的约束体长筒内，形成约束固化土桩。

约束体和膨胀性固化剂的有机结合应能产生以下效果：1）固化剂中膨胀组分的体积膨胀可以减少固化土中孔隙，提高其强度[1]。约束情况下，可加大膨胀组分的比例以提高孔隙填充率，进一步提高固化土强度。2）对混凝土施加环向约束形成约束混凝土，可以明显提高其承载力[2-5]。类比约束混凝土，对固化土施加环向约束形成约束固化土，也应能明显提高其承载力。3）对约束混凝土施加预应力可以进一步提高其承载力[6-7]。同理，约束情况下固化土的体积膨胀会对约束体施加预拉应力，这将转化为对核芯固化土的径向预压应力，应能进一步提高其承载力。上述几点效应的共同作用有望使约束固化土桩获得较高承载力，成为一种有效的地基处理方法。

关于约束固化土，除文献[8-9]报道了初步的探索性试验结果外，尚未见有相关研究文献报道。虽研究[2-7]证明在约束条件下混凝土的承载能力可得到大幅度提高，但由于约束固化土与约束混凝土的组成和结构有显著不同（如固化土与混凝土相比孔隙率大很多、且固化土中土的粒径大多比孔隙孔径小，而混凝土中砂石的粒径通常比孔隙孔径大），因此，约束固化土是否呈现与约束混凝土相似的破坏模式和承载特性有必要进行研究。本文通过对约束固化土圆柱体试件进行轴压试验，对其承载特性进行初步探讨，为约束固化土桩承载特性的研究打下基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验方案

本研究拟探讨约束固化土的承载特性，以及约束刚度、固化剂掺量的影响。试验方案如表1所示。其中约束刚度指约束体的弹性模量与约束体厚的乘积，通过约束体管壁厚度调整。固化剂掺量指固化剂质量与土质量之比。试件均在约束条件下成型，轴压试验时各组都分为约束固化土（保留约束体）和无约束固化土（去除约束体）两类。观测内容包括：成型期间环向膨胀应变，轴压试验过程荷载-环向膨胀应变曲线，荷载-核芯固化土位移曲线、破坏模式。

表1 试验方案Table 1 Scheme of the experiment

1.2 试验材料

土的物理性能指标如表2所示。

表2 土的物理性能指标Table 2 Physical performance indexes of the experimental soil

固化剂包含胶结组分和膨胀组分两类材料，前者与水泥类似主要产生水化硅酸钙（CSH），后者主要产生水化硫铝酸钙（AFt），AFt形成过程固相体积增长约120%。固化剂的组成如表3所示。试验所用P·O 42.5普通硅酸盐水泥、S85级粒化高炉矿渣和CA-70铝酸盐水泥，分别符合标准GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》[10]，GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》[11]和 GB/T 201—2015《铝酸盐水泥》[12]。Ca（OH）2、CaSO4·2H2O均为分析纯。

表3 固化剂组分Table 3 Component of the curing agent

采用PVC管作为约束体，PVC管的外径和长度分别为11cm、20cm。通过轴压10cm长的PVC管，测得弹性模量和强度分别为3 663 MPa、31.89 MPa。

1.3 试验方法

根据标准JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》[13]进行固化土的制备。将拌合好的固化土分10层依次手动锤击压入PVC管中。为消除PVC管的竖向承载影响，在其内壁涂油并覆盖1层塑料薄膜。成型后用保鲜膜将试件裸露面封好，竖直放在水中，置于温度约为20℃、湿度约为42%的室内养护28 d；期间在每个试件顶面放置约10 kg重物，以阻止试件核心固化土竖向膨胀。在第28 d将无约束固化土试件的PVC管破除。

每组试件选取2个试件测试成型期间环向膨胀应变；制作试件前在约束管的一半高度处对称横向粘贴2个3 mm×2 mm丝绕式应变片，试件成型后采集其2周的膨胀应变数据。进行轴压试验前分别在约束固化土试件和无约束固化土试件的一半高度处横向对称粘贴两个60 mm×5 mm箔式应变片。两种应变片的灵敏系数和电阻值分别是（2.08±1）%、（120±0.1）Ω。应变数据用 JC-4A 静态应变仪采集。轴压试验采用电液伺服万能试验机以0.1 kN/s的速度加载。轴压约束固化土试件时为保证只有核心固化土受压，将2块直径略小于约束管内径的铁块分别放置于约束固化土试件的顶、底面。

2 结果与分析

各组试验结果分别见图1～图4、表4。

图1 成型养生期间膨胀引发的环向应变Fig.1 Expansion hoop strain of each group in forming process

图 2 112、122、111 组的抗压曲线Fig.2 Compressive curves of 112,122 and 111 groups

图3 无约束固化土试件112组的破坏形态Fig.3 Failure modes of unconfined cylinder group 112

图4 典型约束固化土试件的破坏形态及对应的核芯固化土破坏形态Fig.4 Failure modes of typical confined cylinders and internal stabilized soil

表4 试件的峰值荷载和比例极限荷载Table 4 Peak load and proportional limit load of the cylinders

2.1 固化土承载性能

与无约束固化土相比，约束固化土的承载力大幅度提高，两者的破坏模式也完全不同。由图2～图4可见：无约束固化土呈现脆性破坏的模式，从荷载-位移曲线可以看出，变形随着荷载增加线性增长，随后在没有明显变形的情况下突然破坏，其破坏模式是由于横向拉应变超过极限拉应变而在短柱中部产生张拉裂缝。而约束固化土呈现塑性破坏的模式，其荷载-位移曲线则呈现3个阶段：斜率较大的线性阶段1，近似线性、斜率较小的阶段2，斜率很小、几乎水平的阶段3。约束固化土在线性阶段1终点（比例极限荷载）处的变形与无约束固化土的极限变形大体相当，而其极限荷载处的应变大约为10%。112和122组约束固化土破坏时中部明显外鼓，且122组的约束管中部还出现了明显张拉裂缝，其核芯固化土都出现了±45°斜向交叉裂痕。111组破坏时未见明显外鼓，约束管沿竖向张拉断裂，其核芯固化土部分沿斜向破碎，出现明显裂缝。

由表4可知：约束固化土的极限承载力大体是无约束固化土的3倍，112、122、111三组分别是3.23、3.28、2.76倍。约束固化土比例极限荷载也显著高于无约束短柱的比例极限荷载；112、122、111三组的比例极限荷载，约束固化土的分别为无约束固化土的1.96、1.79、1.90倍。112、122、111三组约束固化土的极限荷载大约为其比例极限荷载的1.83、1.99、1.64倍。

2.2 约束刚度的影响

约束体的约束刚度对约束固化土的承载特性有显著影响。112组的固化剂掺量与111组相同，但112组约束体的约束刚度提高了31.3%。对比两者无约束固化土的承载力，112组固化土比111组固化土高约6.29 kN、提高22%。对比两者约束固化土的承载力，112组固化土比例极限荷载比111组固化土高约13.70 kN、提高28%；112组固化土极限承载力比111组固化土高约33.98 kN、提高43%。从图4可见：112组约束固化土试件的核芯固化土，其破坏模式为±45°斜向交叉裂痕；111组的核芯固化土虽也产生部分沿斜向破碎，但较接近图3所示的无约束固化土的破坏模式。

相同的固化剂膨胀组分应该产生的相同的体积膨胀效应。由图1可知，固化土成型期间，约束刚度大的112组固化土试件约束体的实际环向膨胀应变小于约束刚度小的111组试件。这表明在同样膨胀压力下，112组固化土体积增大量比111组固化土的小。这就意味着水化物产生的同量体积膨胀，在112组固化土中更多比例的体积膨胀用于填充固化土的孔隙、使固化土密实度更高，从而带来更多的固化土强度增量。

从图1成型期间约束体环向张拉应变数据可以推知，约束固化土试件的核芯固化土在承受轴压荷载之前已经受到径向预压应力。根据各约束体成型期间的最大应变和约束刚度，可以计算得出112组约束固化土试件的核芯固化土所受到的径向预压应力大于111组约束固化土试件的核芯固化土所受到的径向预压应力。

约束固化土承受竖向荷载时，随着核芯固化土横向变形的增长，约束体产生的径向约束力也随之增长，使核芯固化土处于三向受压状态，这种受力状态将提高固化土的承载能力。约束刚度越大，所提供的径向约束力越高、径向力/轴向力比值越高，核芯固化土的承载能力越高。

与111组约束固化土相比，112组约束固化土的约束体约束刚度大，所提供的预压应力和约束力大，其核芯固化土所受力系的径向力/轴向力比值高，从而使112组试件的核芯固化土的受力状态更有利、承载力显著提高。

2.3 固化剂掺量的影响

固化剂掺量对约束固化土的承载力有一定影响。122组固化土约束体的约束刚度与112组相同，但122组固化土的固化剂掺量高50%。从表4可见，无约束固化土的承载力，122组比112组提高17%；约束固化土122组与112组相比，比例极限提高了9%，极限承载力提高了约19%。

固化剂中含有胶结和膨胀两种组分，因而固化剂掺量的提高其作用体现在两个方面：固化剂总量提高，胶结组分含量相应提高。与一般固化剂的固化土相同，胶结组分含量提高将使胶结形成的固化土结构更坚实，相应的固化土强度更高。同时，固化剂总量提高也提高了膨胀组分含量。固化土成型过程中，水化产物产生更多的体积膨胀，由于约束体限制了体积向外的扩张，因此，水化物的膨胀将挤压填充更多的内部孔隙，使固化土更密实、强度更高。如图1中所示，122组试件的环向膨胀应变明显高于同时期112组的值，说明122组试件在成型期间，核心固化土的膨胀受到了更高的约束力限制、致使膨胀对固化土的挤压力更大，使固化土更密实。根据图1数据可以推知：122组约束固化土试件的核芯固化土受到的预压应力也高于112组约束固化土试件。在核芯固化土强度提高和预压应力提高双重作用下，提高了122组约束固化土的承载力。

3 约束固化土的应用前景

前期试验证明约束成型的固化土比无约束成型的固化土强度高50%左右[8]；本文试验结果进一步表明，同在约束成型的条件下，约束固化土比无约束固化土承载力高1.69～2.60倍，也就是说约束固化土强度比普通固化土可提高3倍左右。根据本文约束固化土承载力试验数据和核芯固化土截面积换算得到固化土视强度相当于18 MPa。采用本文类似的材料，通过改进成型工艺，固化剂掺量15%，目前本课题组已得到视强度相当于25 MPa约束固化土。在充分掌握约束固化土承载机理的基础上，通过进一步优化固化剂的组成、优选约束体材料、改进成型工艺，有望使约束固化土强度进一步提高、使约束固化土承载性能进一步改善。

CFG桩是一种低强度素混凝土桩，广泛用于30层以内高层建筑的地基处理[14-15]，国家标准GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》[16]要求的CFG桩身混凝土强度等级在C15～C25之间。本试验结果表明，约束固化土的视强度可以达到CFG桩的强度要求。此外，约束固化土技术可以充分利用原位软土，减少了材料运输量。选择适当的约束体可以隔绝外界环境对桩身材料的腐蚀。因此约束固化土桩有望成为适于岛礁建设、盐渍土地区建设应用的具有较高承载力、高耐腐蚀性的地基处理方法。

4 结语

通过对固化土圆柱体试件在成型过程中的约束体应变、在轴压过程中的荷载-核心固化土位移曲线和荷载-约束体应变曲线、以及约束固化土试件破坏形态的分析，得出以下结论：

1）约束固化土呈现塑性破坏模式，其荷载位移曲线呈现3个阶段：斜率较大的线性阶段1，近似线性、斜率较小的阶段2，斜率几乎为0的阶段3。在线性阶段1终点处的变形与无约束固化土的极限变形大体相当，约束固化土极限荷载处的应变约为10%。

2）在固化土强度相等时，约束固化土的极限承载力是无约束固化土的2.72～3.39倍。约束固化土在线性阶段1终点的荷载为无约束短柱的1.70～2.00倍。约束固化土的极限荷载为其比例极限荷载的1.56～2.08倍。

3）提高固化剂掺量和约束体的约束刚度，可以显著提高约束固化土的比例极限荷载和承载力，约束刚度的提高可以显著改善约束固化土的变形性能。