淺析噴粉樁加固軟土地基機(jī)理

　　導(dǎo)語：粉噴樁屬于深層攪拌法加固地基方法的一種形式，也叫加固土樁。深層攪拌法是加固飽和軟粘土地基的一種新穎方法，它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑的主劑，通過特制的攪拌機(jī)械就地將軟土和固化劑(漿液狀和粉體狀)強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理一化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)地基。粉噴樁就是采用粉體狀固化劑來進(jìn)行軟基攪拌處理的方法。

　　1、前言

　　噴粉樁系一種用干粉與飽和軟土進(jìn)行深層攪拌的軟基加固方法。它是用粉體膠結(jié)材料作為固化主劑，通過深層攪拌機(jī)械，將固化劑和軟土強(qiáng)制攪拌，利用粉體膠結(jié)材料吸水，與土顆粒發(fā)生水解、水化反應(yīng)并進(jìn)行陽離子交換等物理化學(xué)作用，形成連續(xù)、水穩(wěn)性的堅(jiān)硬拌和樁體，從而使地基土工程性質(zhì)得到局部改善，并與樁間土構(gòu)成復(fù)合地基。目前，粉噴樁的粉體膠結(jié)材料主要使用水泥和生石灰，經(jīng)過多年的試驗(yàn)、研究和工程實(shí)踐，已取得較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，可廣泛用于淤泥質(zhì)土、沖填土、軟粘土、粉細(xì)紗等軟基加固。

　　粉煤灰是燃煤電廠排出的主要工業(yè)廢料，價(jià)格便宜，屬于富含粘土礦物的硅質(zhì)材料，由多種氧化物組成，具有一定的活性，在一般意義上，粉煤灰可分成兩種類型：低氧化鈣粉煤灰和高氧化鈣粉煤灰，高鈣型粉煤灰比低鈣型粉煤灰的活性大，水化初期能生成較多的堿性膠體，后期再生成硅酸鹽或鋁酸鹽結(jié)晶物質(zhì)。若能以粉煤灰作為噴粉樁的膠結(jié)材料，不僅為粉煤灰綜合利用找到一條新的途徑，而且為加快工業(yè)、民用與市政工程建設(shè)、降低成本提供了穩(wěn)定的原材料來源。

　　2、試驗(yàn)材料的基本性質(zhì)

　　2.1淤泥的基本性質(zhì)試驗(yàn)用淤泥的天然含水量ω為44?郾7%，濕密度γω為170%，干密度γd為1郾23%，比重γs為2郾73t/m3，孔隙比e為1郾26，塑性指數(shù)Iρ為20郾8，壓縮系數(shù)αV為0郾85MPa-1，壓縮模量Es為2郾45MPa.

　　2.2粉煤灰的基本性質(zhì)

　　2.2.1粉煤灰的化學(xué)組成粉煤灰是燃煤電廠排出的一種工業(yè)廢料，呈灰色或灰白色。一般粉煤灰的化學(xué)成分主要為SiO2和Al2O3，這兩種成份的總含量在60%以上。如果原煤的成份特殊或在燃煤中摻入一定量的石灰石，粉煤灰的化學(xué)成份有較大的改變，形成高鈣型粉煤灰。表1中列出了幾種粉煤灰的化學(xué)成份與含量，粉煤灰的化學(xué)組成及含量與煤質(zhì)、石灰石摻入量、粉煤灰的熱歷史(爐溫、煤粉細(xì)度、升溫速度、冷卻條件及吸塵方式等)等有關(guān)。

　　2.2.2粉煤灰的物理性質(zhì)粉煤灰的比重、容重、細(xì)度、比表面積、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量等是反映粉煤灰物理特性的指標(biāo)，表2列出了我國(guó)電廠粉煤灰的物理特性。已有研究表明，粉煤灰的物理特性是反映其水化程度的一個(gè)重要參數(shù)。

　　2.2.3粉煤灰的活性粉煤灰的活性一般指它的火山灰活性，低鈣型粉煤灰在常溫常壓潮濕環(huán)境下不能硬化，并不呈現(xiàn)水硬活性，但大量的研究表明其活性是“潛在”的，只有在外在條件的誘導(dǎo)下才得以激發(fā)。高鈣型粉煤灰在常溫常壓潮濕環(huán)境下能夠逐漸硬化，就是這種活性發(fā)揮的結(jié)果。這是因?yàn)榉勖夯以谒�化初期能夠生成較多的堿性膠體，后期再生成CSH或CAH系水化物，這兩種水化物都具有一定的強(qiáng)度。大量的研究表明，不同品質(zhì)的粉煤灰，其CaO含量及玻璃體的含量愈高、含炭量愈低、標(biāo)準(zhǔn)稠度需水量愈小，粉煤灰的活性就愈大�；钚源蟮姆勖夯以谒�化反應(yīng)過程中，生成具有凝膠性能水化物的能力就強(qiáng)。

　　3、粉煤灰的加固機(jī)理噴粉樁軟基加固的原理是通過深層攪拌機(jī)械將軟土與膠結(jié)材料強(qiáng)制攪拌，使軟土與膠結(jié)材料發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，形成堅(jiān)硬的拌和樁體。由于粉煤灰的化學(xué)成份與巖相組成不同于其它膠結(jié)材料，故有必要對(duì)粉煤灰加固原理進(jìn)行研究。

　　3.1　粉煤灰的水化過程粉煤灰與軟土拌和后，其中CaO遇水即發(fā)生反應(yīng)生成Ca(OH)2：CaO+H2O→Ca(OH)2+15?郾6Kcal/mol在這一反應(yīng)過程中，粉煤灰具有吸水、發(fā)熱的特性。在不斷產(chǎn)生Ca(OH)2的條件下，粉煤灰外層的水間層起到輸送Ca(OH)2的作用，使得Ca(OH)2不斷地?cái)U(kuò)散到玻璃體表面，發(fā)生化學(xué)吸附和侵蝕，并產(chǎn)生含水硅酸鈣和含水鋁酸鈣。

　　mCa(OH)2+SiO2+(n-m)H2O→mCaO.SiO2.nH2OmCa(OH)2+Al2O3+(n-m)H2O→mCaO.Al2O3.nH2O所形成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠體包裹在玻璃體顆粒表面，但隨著反應(yīng)的不斷深入，凝膠層逐漸加厚，使玻璃體進(jìn)一步水化受到抑制，反應(yīng)速度減慢，導(dǎo)致粉煤灰顆粒水化需要很長(zhǎng)的時(shí)間。

　　當(dāng)上述反應(yīng)有二水石膏存在時(shí)，水化反應(yīng)結(jié)果還可產(chǎn)生水化硫鋁酸鈣。

　　mCaO.Al2O3.nH2O+CaSO4.2H2O→mCaO.Al2O3.CaSO4(n+2)H2O水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣都是水硬性化合物，可在粉煤灰顆粒表面形成膠質(zhì)狀的結(jié)晶體。因此，可以初步認(rèn)為Ca(OH)2和CaSO4在某種程度上能夠激發(fā)粉煤灰的活性，使粉煤灰的初期水化能力增強(qiáng)，呈現(xiàn)水硬活性。

　　由于粉煤灰中含有一定量的f-CaO、SO3、MgO等成份，它們?cè)诜勖夯宜�化過程中體積產(chǎn)生膨脹，在噴粉樁深層攪拌這一特定條件下，可利用這一膨脹率來增加軟基加固效果。當(dāng)然，這些成份含量不宜過高，否則會(huì)使樁基發(fā)生膨脹而遭致破壞。

　　3.2　離子交換與土微粒的凝聚作用粉煤灰與軟土拌和后，水化產(chǎn)生Ca(OH)2，Ca(OH)2也可以Ca2+、OH-的形式存在，并與土微粒表面帶有Na+、K+等陽離子進(jìn)行當(dāng)量吸附交換，使土粒間的結(jié)合力增強(qiáng)，較小的土顆粒形成較大的土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，從而改變了土的工程性質(zhì)。

　　在粉煤灰加固土的形成過程中，粉煤灰的水化與土粒對(duì)Ca2+、OH-的吸附是同時(shí)進(jìn)行的，由于離子交換，將降低粉煤灰土孔隙水Ca2+、OH-的濃度，使粉煤灰土孔隙中Ca(OH)2處于不飽和狀態(tài)，導(dǎo)致粉煤灰水化生成物凝膠體減少，即包裹粉煤灰玻璃體的凝膠層減薄，使粉煤灰玻璃體早期得已進(jìn)一步水化。

　　粉煤灰加固土中對(duì)強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大的是水化生成物CSH系或CAH系等，當(dāng)土質(zhì)對(duì)Ca2+、OH-的吸收量較大或粉煤灰摻入量較小時(shí)，粉煤灰土孔隙水中Ca(OH)2可能不飽和，由于粉煤灰中各種氧化物的含量是一定的，當(dāng)土質(zhì)對(duì)Ca2+、OH-的吸附能力較強(qiáng)時(shí)，將使CSH等水化生成物的量減少，進(jìn)而導(dǎo)致粉煤灰加固土的強(qiáng)度降低。因此土質(zhì)對(duì)Ca2+、OH-的吸收量或粉煤灰中CaO含量的不同，將使粉煤灰加固土中CSH等水化生成物量的不同，導(dǎo)致粉煤灰加固土強(qiáng)度產(chǎn)生差異。即不同品種的粉煤灰或土質(zhì)的不同，將使粉煤灰加固土的強(qiáng)度不同。

　　3.3　固結(jié)反應(yīng)上述離子吸附和交換后，隨著粉煤灰水化反應(yīng)的不斷深入和齡期的增長(zhǎng)，逐漸形成復(fù)雜的化合物，這些結(jié)晶體主要是硅酸鈣水化物CSH系，鋁酸鈣水化物CAS系及鈣鋁黃長(zhǎng)石水化物等。這些新生成的化合物在水中或空氣中逐漸硬化，與土顆粒粘結(jié)在一起，結(jié)晶體與土顆粒交錯(cuò)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，改善了土的物理性質(zhì)，增加了粉煤灰的強(qiáng)度，發(fā)揮了固化劑的作用。由于粉煤灰加固土的結(jié)構(gòu)比較致密，水份不易侵入，從而使粉煤灰加固土具有良好的水穩(wěn)性和連續(xù)性，形成具有一定強(qiáng)度的拌和樁體。

　　4、現(xiàn)場(chǎng)粉噴樁試驗(yàn)試驗(yàn)中粉噴樁設(shè)計(jì)樁徑0郾5m，樁長(zhǎng)依次為7m、9m、11m，粉煤灰摻入量為26%，表3是單樁質(zhì)量檢測(cè)成果，粉煤灰樁測(cè)試曲線規(guī)則，平均波速高，在2133～2900m/s之間，說明粉煤灰噴粉樁樁身相對(duì)均勻，樁身強(qiáng)度高。

　　對(duì)粉煤灰噴粉樁樁身不同土層鉆取芯樣20塊，樁身最大抗壓強(qiáng)度為13郾8MPa，最小為1郾46MPa，均值為7郾17MPa，均方差為3郾56MPa，離散系數(shù)為0郾50，樁長(zhǎng)7m時(shí)，容許承載力為90KN，樁長(zhǎng)11m時(shí)，容許承載力為125KN，容許荷載下沉降量均小于3mm。

　　5、結(jié)束語

　　通過以上對(duì)粉煤灰噴粉樁軟土地基加固機(jī)理的分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明利用粉煤灰進(jìn)行噴粉樁軟土地基加固是切實(shí)可行的，對(duì)于變廢為利，降低工程成本等具有重要意義。

【淺析噴粉樁加固軟土地基機(jī)理】相關(guān)文章：

軟土地基中土工織物的應(yīng)用07-27

公路軟土地基施工處理方法09-01

房建工程軟土地基的施工技術(shù)09-14

淺析水泥注漿加固污水坑塘砂礫填筑08-07

時(shí)空效應(yīng)規(guī)律在軟土深基坑工程中的應(yīng)用06-06

分析軟土地基大體積箱涵頂進(jìn)施工技術(shù)08-05

如何對(duì)橋梁進(jìn)行加固-橋梁加固的主要施工方法08-22

建筑加固改造需要注意什么-建筑加固改造注意事項(xiàng)08-21

如何搞定軟裝10-24

主要消毒方法和機(jī)理06-04