基于模型试验的地聚物搅拌桩加固淤泥质土地基承载变形特征研究

胡 勇，王观次，王 倩

（1、岳阳市公路桥梁基建总公司 湖南 岳阳 414002；2、湘潭大学土木工程与力学学院 湖南 湘潭 411105）

0 引言

在我国沿海及内陆江、河流域均广泛分布着淤泥质软弱土［1］。随着经济发展和基础设施的大力建设，通常需要在这些淤泥质软土地基上施做建筑物。针对淤泥质软弱土地基，通常采用水泥土搅拌桩、水泥浆旋喷桩、水泥粉煤灰碎石桩等方法来对其进行加固处治，以上处理方法均以水泥作为固化剂，采用深层搅拌机械，在地表下形成更具完整性、水稳性和一定强度的圆柱体［2-3］。然而，水泥是一种高耗能、高污染产品，其生产过程引起的CO2排放是人类活动造成全球温室气体排放的第二大成因，且水泥早期水化不完全，易导致水泥搅拌桩早期强度偏低，难以快速提供支撑力［4］。

为推进落实“2030 年碳达峰、2060 年碳中和”计划，助力国家“双碳”目标，促进建筑业高质量绿色发展，亟待寻求一种低碳、节能、环保胶凝材料来替代水泥，对软弱土进行处治。地聚物材料被认为是一种最有可能代替水泥的新型绿色胶凝剂，同时还具有良好的力学性能［5-7］，地聚物胶凝材料主要由硅铝酸盐前驱体和碱激发剂组成，常用的硅铝酸盐前驱体大多采用工农业固废或建筑垃圾［8］。目前，针对地聚物在土木工程中的应用主要集中于地聚物混凝土材料的力学与微观结构方面［9］，关于在软土加固领域中的应用，何华等人［10］围绕地聚物加固软土的性能和可行性进行了研究，确定了地聚物掺入比、软土含水率和搅拌时间三要素对试件强度的影响，并得出了地聚物加固软土的最优配合比；ARULRAHAH 等人［11］研究发现，粉煤灰∕钢渣基地聚物搅拌桩加固软土地基具有更高的无侧限抗压强度值。目前关于地聚物加固处治海滨、湖滨、河流沿岸的淤泥质软弱土的研究甚少。

基于此，为研究地聚物搅拌桩加固淤泥质软弱土复合地基的单桩承载变形特性，拟通过地聚物替代水泥作为胶凝材料对淤泥质软弱土的加固处治进行研究，对地聚物土无侧限抗压强度（UCS）、加载变形特征、桩土应力比及桩顶应力等进行分析，以期为地聚物加固淤泥质软弱土地基提供理论依据和技术支撑。

1 试验材料

1.1 试验土

试验用土取自湘江边某施工现场，根据《土工试验方法标准：GB∕T 50123—2019》测得软土的物理力学性能指标如下：取样深度6 m，天然含水率51.8%，液限49.8%，塑限26.9%，孔隙率1.503，湿密度1.63 g∕cm3，有机质含量2.21%。

1.2 固化剂

地聚物固化剂主要成分包含硅铝原材料（矿渣、粉煤灰）和碱激发剂，对比试验中固化剂选用市售P.O.42.5 级普通硅酸盐水泥。地聚物中粉煤灰为F 类低钙粉煤灰，矿渣为S95级矿粉，矿渣和粉煤灰的化学成分如表1 所示，碱激发剂由硅酸钠溶液和市售固体氢氧化钠（NaOH）片剂混合搅拌而成。

表1 矿渣粉、粉煤灰和水泥的化学组成Tab.1 Chemical Components of Slag，Fly Ash and Cement

2 UCS试验过程及结果分析

2.1 UCS试验方案

采用地聚物作为固化剂对淤泥质土进行加固处理，矿渣粉煤灰比为80∶20，固化剂掺量均采用15%，碱含量分别为20%、30%、40%，水泥固化土作为对比组，UCS试验具体方案如表2所示。

表2 UCS试验方案Tab.2 Test Plan of UCS

2.2 UCS试验试样制备

试样制作及养护过程的具体步骤为：①原状土样经高温（105 ℃）烘干，通过碎土机粉碎，根据上述试验方案，称量相应干土粉及水，用室内搅拌机搅拌2 min，制成含水率为52%的重塑土，装入密封袋中备用；②碱激发剂采用氢氧化钠和硅酸钠溶液混合（碱激发剂模数为1.2），硅铝原料与碱激发溶液按照质量比混合搅拌形成地聚物浆料；③分别将地聚物胶凝材料和重塑土进行搅拌，直至混合物达到均匀状态；④依据《水泥土配合比设计规程：JGJ∕T 233—2011》、《建筑地基处理技术规范：JGJ 79—2012》，分层装入300 mm 高PVC 模具管及70.7 mm 立方体模具，每组土样均制作3个平行试样；⑤制备完成后，将试样用保鲜膜密封放置在标准养护室内养护24 h后脱模，然后继续置于标准养护箱中养护至目标龄期。

2.3 UCS试验结果分析

UCS 试验结果如表3 所示，从表3 可以发现，固化剂掺量均为15%时，地聚物固化土强度均高于水泥固化土；碱含量为30%的地聚物固化土强度最高，其7 d强度是同样掺量水泥固化土的1.494 倍，而28 d 强度是同样掺量水泥固化土的1.388 倍，因此，地聚物可替代水泥作为淤泥质土的固化胶凝材料，且具有理想的固化效果［12］。

表3 UCS试验结果Tab.3 Test Results of UCS

碱掺量对地聚物固化土的强度也有较大影响，当碱含量（碱性活化剂）从20%增加到30%时，7 d的UCS从1.05 MPa 提高到1.21 MPa，28 d 的USC 从1.45 MPa提高到1.68 MPa。这是因为碱性活化剂的加入提高了地聚物土壤中OH-和SiO32-离子的含量，导致地聚物前体快速分解，形成凝胶状水化产物，当碱性活化剂含量较低（20%）时，矿渣和粉煤灰中的硅酸铝不能完全被激发，从而限制了土壤强度的增长。

然而，当碱性活化剂含量从30%增加到40%时，地聚物土的强度反而有所下降，7 d的UCS 从1.21 MPa下降至1.19MPa，28d的UCS 从1.68MPa下降至1.60MPa，这说明随着碱性活化剂含量的提升，固化土的力学性能不能一直增加，甚至会对固化土的UCS 产生轻微劣化效应，影响地聚物固化土的强度。这是因为碱含量过高阻碍凝胶产物的生成和低聚态四面体的总体聚合，从而造成固化土的强度降低［13］。因此，可以推断地聚物固化土中碱性活化剂的理想用量为30%。

3 复合地基模型试验及结果分析

3.1 试验方案

依据相似理论及《建筑地基处理技术规范：JGJ 79—2012》、《建筑地基检测技术规范：JGJ 340—2015》，地聚物搅拌桩复合地基室内模型试验桩长取30 cm，桩径取10 cm，碱含量（硅铝原料与碱激发溶液质量比）取20%和30%，试验具体分组如表4所示。

表4 地聚物搅拌桩复合地基试验方案Tab.4 Test Scheme of Geopolymer Mixing Pile Composite Foundation

3.2 试验方法

复合地基室内模型试验具体步骤为：①填土成孔：在模型箱内填筑软土，将两头开口的PVC 管（内外涂抹凡士林）缓慢压入土层中央，保证压入PVC 管的垂直度；②埋桩：将桩慢慢垂直放入成型的孔中，保证桩身不歪斜并减少对周围土体扰动，安装完成后，灌入土浆消除孔隙；③埋设土压力盒及孔隙水压力传感器：分别在桩顶桩侧设置土压力盒，在土压力盒上盖土填平，最后铺上砂垫层；④加载：施加5 kPa 的预压荷载，并记录预压过程中的沉降和孔隙水压力变化，待土中孔隙水压力消散后进行加载，逐级加载，每级5 kPa，记录各级荷载作用下复合地基的沉降、应力、孔隙水压力的变化规律。

3.3 加载变形特性

复合地基荷载-沉降（P-s）曲线如图1 所示，可以发现，素土地基承载力约为10 kPa，水泥搅拌桩复合地基承载力约为55 kPa，20%碱含量的地聚物搅拌桩复合地基承载力约为60 kPa，30%碱含量的地聚物搅拌桩复合地基承载力约为70 kPa，说明地聚物搅拌桩能显著提高淤泥质软弱土地基的承载力，且地聚物搅拌桩加固效果优于普通硅酸盐水泥搅拌桩。相近置换率下，30%碱含量大于20%碱含量地聚物复合地基的承载力，因此，适当的碱含量能够提高地聚物固化土的承载能力。

图1 荷载-沉降曲线Fig.1 Curves of Load-settlement

3.4 桩土应力比

桩土应力比n反映了桩和土对荷载的分担情况，同时它也是复合地基设计计算的一个重要参数［14］。地聚物桩复合地基的桩土应力比随荷载的变化关系如图2所示，由图2可知，在加载之初，3种工况下桩土应力比均不稳定，这是因为当荷载不大时，荷载通过桩体直接传至桩底，导致桩土应力比的增加。当荷载施加到一定程度时，即发生一定位移时，复合地基被压密，均匀性提高，桩土应力比趋于稳定。然而随着荷载的继续施加，地聚物桩体的承载力达到峰值，桩体开始产生裂缝，弱化了桩的承载能力，上部荷载部分由桩周土来承担，从而降低了桩土应力比。

图2 桩土应力比曲线Fig.2 Curves of Pile-soil Stress Ratio

在试验加载过程中，30%碱含量的地聚物搅拌桩复合地基的桩土应力比最大，桩顶最大桩土应力比为11.28，水泥桩最大桩土应力比为8.4，地聚物桩桩顶平面处最大桩土应力比是水泥桩的1.34 倍。结果表明，采用地聚物搅拌桩固化淤泥质软弱土，由于桩体自身的刚度远大于周围土体，从而使得应力分布呈现在桩上集中的趋势，产生了应力集中现象，桩土应力比显著增大［15］。

逐级加载时复合地基桩顶土应力变化如图3 所示，随着荷载的增大，复合地基桩顶应力均逐渐增加。这是由于当复合地基受到静载作用时，桩间土的沉降量明显大于桩顶的沉降量，桩体与桩间土的变形不协调，使得桩间土产生了土拱效应，部分荷载转移到桩顶，但随着荷载的继续增加，地聚物桩体的承载力达到峰值，桩产生一定裂缝等损伤，桩的承载能力逐渐降低，此时的外部荷载由桩体和土体共同承担，从而使得桩顶土应力呈现逐级降低的趋势。

图3 荷载-桩顶应力曲线Fig.3 Curves of Load-pile Top Stress

4 结论

⑴当固化剂掺量为15%时，地聚物固化土强度均高于水泥固化土，碱含量为30%的地聚物固化土强度最高，其7 d 强度是水泥固化土的1.494 倍，而28 d强度是水泥固化土的1.388 倍，就力学性能而言，地聚物可以替代水泥作为淤泥质土的固化胶凝材料。

⑵地聚物搅拌桩能显著提高淤泥质软弱土地基的承载力，相近置换率下，30%碱含量大于20%碱含量地聚物复合地基的承载力，且地聚物搅拌桩加固效果优于普通硅酸盐水泥搅拌桩。

⑶地聚物搅拌桩能提高桩土应力比，且30%碱含量的地聚物搅拌桩复合地基的桩土应力比最大，最大桩土应力比为11.28，且是水泥搅拌桩的1.34倍。

地质聚合物作为胶凝材料不仅能极大改善淤泥质软弱土的不良工程特性，实现固废再利用，而且工程造价低，对我国基础设施建设的可持续及绿色发展具有重要的工程与实践意义。