地聚合物在软土地基处理中的性能及应用

张 玮，赵 霞，李 燕

(昆明冶金高等专科学校建筑工程学院，云南 昆明 650033)

地聚合物的主要原材料有石灰、高钙粉煤灰、矿渣、工业废渣、偏高岭土等。早在1979年，Joseph Davidovits教授首次提出地聚合物的术语，近年来，地聚合物材料迅速发展，代替水泥，在许多工程项目中得到应用。相比水泥，地聚合物的高温性能、收缩性能、水化热、物理力学性能等优势明显。地聚合物属于无害的绿色材料，材料成本、生产成本较低，并且抗腐蚀性、耐久性更高。在地聚合物的生产过程中，很少产生有害物质，能耗低，因此具有广阔的应用前景。在工程建设中，软土地基是常见问题，软土地基承载力不足，无法用于工程建设，通常需要人工处理加固以满足施工需求。处理软土地基，其主要目的是降低基础沉降，减小压缩性，保证稳定性，增加承载能力。水泥土搅拌法是常用的地基加固方法，主要使用水泥作为固化剂，加固深度大，工期短，造价低，可以有效提高软土地基承载力，但存在混凝土收缩大、耐久性不足的问题。应用地聚合物对软土地基进行加固，可以获得良好的工程效果。

1 地聚合物的性能

1.1 试验设计

1.1.1 试验原料及设备

主要原料为工地软土、DW型地聚合物材料。辅助原料为水、425水泥。

主要设备包括应变控制式直剪仪、数字式液压测力仪、水泥净浆搅拌机等。

1.1.2 试验流程

由于目前缺乏指标规范作为地聚合物土的参考，因此本文参照水泥土标准，测评地聚合物土的渗透性以及力学性能。

1.1.3 试件制作与试验检测

设计地聚合物软土配合比：依据相关公路规范，水灰比为0.4～0.5，固化剂掺入比为7%～20%。本文试验结合工程实际，水灰比取0.5。地聚合物土的含水率大约为3%。拟采取地聚合物掺入比分别为14%、12%、10%。

制作试件：根据环刀大小、立方体试模以及配合比，选取相应的水、土样、地聚合物粉末。在搅拌锅内倒入地聚合物粉末、土样,充分搅拌。称量用水，符合计算好的地聚合物土含水率。使用小型喷水壶，在地聚合物土上均匀洒水[1],均匀拌和,然后倒入特殊尺寸试模。在振动台上，振捣密实地聚合物土试样,减少空隙，用刮刀刮平试件表面。为防止水分流失过快，在表面覆盖一层塑料膜，放入恒温养护箱。试件1、2 d 形成，拆模脱模，继续将地聚合物土试件放入恒温箱[2]。到规定的龄期后，移出,放入水中浸泡，水面超过顶面，浸泡 24 h。

检测无侧限抗压强度：地聚合物土试件养护达到规定龄期。使用压力机，上压力板在地聚合物土试件表面 l cm 处，下压力板正中间放置地聚合物土试件。开启压力机实验，计算最大抗压强度值。

检测抗剪强度：在 90 d、28 d、7 d 龄期，分别取出地聚合物土试件，放入剪切盒内加压。根据工程实际划分垂直压力，剪切速率 0.8 mm/min。读取秒表，记录破坏值。

表1 地聚合物土的渗透性数据

1.2 试验结果

1.2.1 地聚合物土的渗透性

水渗透穿过土孔隙，就是渗透性。通常用Darcy定律表示渗透系数。本文研究检测地聚合物土的渗透性数据，如表1所示。原状土渗透系数为1.58×10-7cm·s-1。在相同掺入比下，龄期与渗透系数负相关，龄期上升，渗透系数会下降。在相同的龄期下，渗透系数与地聚合物负相关，地聚合物掺量上升，渗透系数会下降[3]。地聚合物土的渗透系数相比原状土，显示明显的变化，能够达到9、10量级。地聚合物土可以显著降低原状土的渗透性，使土体内部的结构更加密实。强度的增加也显示内部结构得到填充。达到 90 d 龄期时，渗透系数趋近于一定值，降幅逐渐平缓。

1.2.2地聚合物土的力学性能

地聚合物土力学性能的主要反映指标为抗压强度、抗剪强度。轴向压力的抵挡极限强度，为抗压强度。颗粒间滑动的抵抗极限能力，为抗剪强度[4]。本文试验主要分析地聚合物土龄期 90 d 的抗剪强度和抗压强度。如表2所示。地聚合物土的抗剪强度、抗压强度增长规律一致。并且抗剪强度、抗压强度呈现正相关关系。随着无侧限抗压强度fcu上升，抗压强度与抗剪强度的比值下降。

表2 地聚合物土的抗剪强度与抗压强度

表3 不同固化剂掺量的加固土抗压强度

比较90 d地聚合物土、水泥土、原状土的强度(表3)，在相同的室内试验条件下，地聚合物掺量、固化剂水泥掺量与加固土强度正相关，随着掺量增加，强度也会增加。相同的试验条件下，对同样90 d的地聚合物土养护龄期进行比较：固化剂掺量为14%，水泥土的抗压强度相比原状土提高了大约86倍，地聚合物土的抗压强度相比原状土提高了大约112倍。相比水泥土，地聚合物土的抗压强度也更高。固化剂掺量为10%，水泥土的抗压强度相比原状土提高了大约75倍，地聚合物土的抗压强度相比原状土提高了大约90倍。地聚合物土的抗压强度比水泥土更高[5]。固化剂掺量为12%，水泥土的抗压强度相比原状土提高了大约81倍，地聚合物土的抗压强度相比原状土提高了大约101倍。相比水泥土的抗压强度，地聚合物土大约高1.25倍。以上数据说明，利用地聚合物、水泥，都可以提升软土的强度；但养护条件相同，并且固化剂掺量水平相同的情况下，地聚合物的抗压强度提升更高，相比水泥加固效果，地聚合物加固的强度、性能更优。

2 地聚合物处理软土地基的应用

2.1 工程概况

本文研究选取的工程为公路软土地基处理，充分应用地聚合物注浆料。该工程项目的路线全长为 18.125 km，线路路段为典型的软土，下部是淤泥质土，较厚，表面为黏土。该路段大部分为软土路基，含水率高，透水性差，固结系数小，扰动性大，抗剪强度低。公路路面经过多年运营，行驶车辆多，道路水稳层薄，路面磨损大，存在麻面、泛油、裂痕等病害，混合交通非常严重，承载力低，已经不能适应区域经济发展的需求，不能满足交通运输的要求。因此，现有道路需要进行拓宽改造，以方便沿线群众出行，改善道路交通拥挤问题，促进区域间的经济联系。桥头路段填高2.0～3.0 m,路基填高1.5～2.5 m,软土层厚度大约8.5～19.5 m。应用地聚合物/7 K 泥搅拌桩，处理桥头路段;应用塑料排水板、超载预压处理一般路段;软土地基采用地聚合物搅拌桩处理，保证地基的稳定性，提高地基的承载力。

2.2 施工材料

本项目路段属于典型的软土路基。软土土样采样深度为 9 m，试验结果显示，有机质为2.15%，压缩系数为 1.42 MPa，孔隙比为1.451，湿密度为 1.62 g/cm3，含水率为49.5%。相比搅拌，粉喷法、浆喷法可以充分水化，混合更加均匀。粉喷法施工限制在 10 m 内,但本次研究项目设计桩长为 16 m,因此优先考虑采取浆喷法进行施工。

由水、地聚合物材料组成地聚合物混合料。以施工现场软土含水率的实际情况为基础，合理调整拌合用水量。地聚合物与水的配合比，应用1∶0.5。必须采用工业用水，pH值超过6.5[6]。地聚合物混合料要注意防渗漏、防潮、防雨。

2.3 地聚合物土搅拌桩施工工艺与施工方法

图1 施工工艺流程Fig.1 Construction process flow

本项目施工工艺流程如图1所示。

具体施工方法：在施工前，施工场地应用挖机进行平整，将地表、地下的所有障碍物完全清除;同时对周围埋藏物、邻近建筑物等资料进行收集整理。

桩位放样每个桩位坐标明确计算。使用全站仪标识每根桩的中央位置。在塑料管标记并打入桩位，保证位置准确[7]。为及时检测桩位，应建立控制桩：从两个方向使用油漆连接中心桩，防止漏桩，同时控制桩机行走，确定并保护现场桩位。

桩机就位调平使用深层搅拌桩机，进行搅拌桩施工。搅拌桩机在指定桩位并对中，合理组装架立，使用定位卡，最大化减少对中误差，保持误差在 10 cm 内，保证桩位的准确性[8]。搅拌轴、导向架垂直于地面，保证误差在1.5%内。

配制地聚合物浆液根据桩长16 m，聚合物浆料水灰比0.5，按照14%的设计比确定使用量。浆料混合后，筛选进入集料斗，泵送搅拌桩机中搅拌。

钻进喷浆搅拌先对管道进行检查，观察是否堵塞。用水冲洗整个管道,然后排干水，开始操作使用。双向搅拌桩机启动,钻杆沿导向架向下切土。送浆泵打开,向土体喷地聚合物浆,搅拌转速为50～70 r/min,钻进速度0.5～0.8 m/min。达到设计桩长后，保持 30 s 原地喷浆。反向提升灌浆，弥补局部位置不足的现象。

提升搅拌与设计要求的深度相符合。钻头达到位置，进行反转提升。同时匀速搅拌。旋转叶片继续对地聚合物土进行搅拌。

成桩、移位达到设计要求的标高，提升钻头到地面。空压机、主电机停止。移动桩机到下一个桩位，继续施工，同时作好施工记录。

在施工中要注意，对于不同的固化剂种类、不同的土质，每个搅拌桩施工现场的搅拌加固质量也有差异。试桩工作十分重要，在正式施工前试桩，核实桩径、均匀程度等，确定各种操作参数。

2.4 应用效果

本工程项目通过土壤无核湿密度仪法检测路基的压实度，明确地聚合物处理软土地基的应用效果。结果显示：测试湿密度为 2.246 g/cm3，含水量为2.06%，干密度为2.205 g/cm3，压实度为98.5，地聚合物使软土地基有效加固，满足工程需求。

3 结 语

本研究显示：地聚合物在软土地基加固中有明显的优势，地聚合物土能够有效降低原状土的渗透性，提高承载力。增加地聚合物掺入量及龄期，地聚合物土强度也会随之增加，并且含水率不断下降。地聚合物掺入量为14%，可以满足强度和经济性的要求。相同掺量下，地聚合物土的强度高于水泥土。随着抗压强度增大，地聚合物土的内摩擦角、黏聚力也会提升。地聚合物土的抗压强度与抗剪强度呈正相关关系。地聚合物是软土地基处理的合理选择，对提升软土地基的强度和承载力有重要的价值。