（交通运输工程专业论文）粉煤灰石灰硫酸盐系统在软基处理中的应用研究.pdf

摘要 本文是针对我国华东地区公路建设中经常遇到的孔隙含水率较高的砂性土、 粉土或粉质糙土的软土地基。采用新材料和新的工艺，使得地基处理发挥综合优 势，具体来说本文是以粉煤灰石灰硫酸盐系统作为桩体材料，透过小型成桩机 械与有效的成桩工艺，以干料形式成桩，桩体材料吸水硬化而产生强度，最终发 挥脱水固结、置换、桩体作用和化学固结作用，以达到最佳的处理效果。在实验 室研究的基础上，结合合徐( 合肥一徐州) 高速公路建设的实际工程开展研究。 在新材料方面，选用粉煤灰石灰硫酸盐( f l s ) 混凝土作为桩体材科。本文 开发的是一种新型桩土复合地基形式，体现了材料技术创新。在成桩机械方面， 采用改装的小型振动打桩机打桩，以干科形态成型桩体达到使桩间土脱水固结的 目的。根据地基加固机理的要求，现场采用振动锤击导管成孔，孔内灌填混凝土 干料以形成桩体，通过振动方式密实柱体，桩体吸水便桩问土脱水固结，自身得 以水化，形成强度，体现了工艺技术创新。与传统的地基处理技术相比，粉 煤灰一石灰- 硫酸盐混凝土复合地基具有综合工程成本低、施工规模小的特点，能 有效调整上部的结构设计难度，降低下部工程量。本研究结果显示，处理相同面 积的桥台地基与传统的技术相比，会比原综合工程造价降低1 5 - 2 0 。本研究 中所采用的施工设备和工艺，非常适合于条件比较差的现场环境施工，其设备机 械体积是普通粉喷桩机的1 陀，自重较轻，场内移动方便，对于原地基承载力比 较差的区域，同样可以进行施工，而且场外转运方便。施工过程无明显污染，同 时粉煤灰石灰硫酸盐混凝土桩可大部分采用工业废渣，其社会效益极为显著。本 项目的研究除在合徐高速公路现场进行试验性应用外，还迸行比较大规模的推广 应用，如沿江高速公路，铜黄高速，巢湖至二坝二级公路等，直接经济效益达 1 0 6 8 万，节约造价显著，表明本项目的研究结果具有普遍应用价值。 a b s t r a c t t h i so b j e c ti sa i ma tt ou s u a l l ym e e ti nm yn a t i o n a ip r o s p e r i t yh i g h w a yi n t h ee a s tr e g i o nc o n s t r u c t i o no ft h eh o l ec o n t a i nw a t e rr a t eh i g h e rs a n ds o i l ， p o w d e rs o i io rp o w d e rq u a i l t yg l u es o l io fs o f ts o l lf o u n d a t i o n a d o p tn e w m a t e r i a ia n dn e wc r a f t m a k et h ef o u n d a t i o np r o c e s s i n gd e v e l o pc o m p r e h e n s i v e a d v a n t a g e ，c o n c r e t e l ys a y t h i s o b j e c t t ou s et h e p o w d e r a s hf r o m s t o v e - l i m e - v i t r i o ls y s t e ma sab o d ym a t e r i a l p a s ss m a l is c a l e db e c o m es t a k e m a c h i n ew i t hv a l i do fb e c o m es t a k ec r a f t ，a n t i c i p a t eaf o r mb ys t e mas t a k e ，t h e s t a k eb o d ym a t e r i a la b s o r b sw a t e r sh a r d e nb u tp r o d u c e ss t r e n g t h ，e n de x e r t i v e d e h y d r a t es o l i dk n o t ，d i s p l a c e m e n t s t a k eb o d yf u n c t i o na n dc h e m i s t r ya r es o l i d t ok n o taf u n c t i o nt oa t t a i nt h eb e s tp r o c e s s i n gr e s u l t t h ef o u n d a t i o ns t u d i e di n t h el a b o r a t o r yu p ，t h ea c t u a fe n g i n e e r i n gw h i c hc o m b i n e st om a t c hx u ( m a t c h f a t t y - x us t a t e ) t h es o m ed i s t r i c to ft h es u p e r h i g h w a yc o n s t r l j c t i o no p e n sa n e x h i b i t i o nr e s e a r c h oa tt h en e wm a t e r i a la s p e c tc h o o s et ou s et h ep o w d e ra s hf r o m s t o v e l i m e - v i t r i o l ( f l s ) c o n c r e t ei sab o d ym a t e r i a l w h a tt h i sr e s e a r c hd e v e l o p s i sak i n do fn e ws t a k es o l lc o m p o u n d f o u n d a t i o nf o n l n ，b o d yn o wt h em a t e r i a i t e c h n i q u ei sc r e a t i v e 0a tb e c o m es t a k em a c h i n ea s p e c t t h ea d o p t i o nr e f i t so f t h es m a l ls c a l e dv i b r a t i o nd r i v eap i l em a c h i n ep i l i n g ，a n t i c i p a t i n gb ys t e mt h e a p p e a r a n c em o d e l sab o d yt oa t t a i nt om a k es c a k et h es o l id e h y d r a t es o l i dk n o t o fd u r p o s e r e i n f o r c et h e r e q u e s to f w i t h m e c h a n i s ma c c o r d i n gt o t h e f o u n d a t i o n ，t h es p o ta d o p t i o nv i b r a t i o nh a m m e rs h o tp i p eb e c o m eb o r e ，i n f u s e t of i l ic o n c r e t es t e mt oa n t i c i p a t eab o d yw i t ht h ef o r m a t i o ns t a k ei n s i d eb o r e ， p a s sav i b r a t i o nm e t h o da na i r t i g h ts o l i ds t a k eab o d t h es t a k eb o d ya b s o r b s w a t e rt om a k eas o i id e h y d r a t es o l i dk n o t ，o n e s e l fc a nw a t e rt u r n ，b e c o m i n g s t r e n g t h b o d yn o wc r a 代t e c h n i q u ei n n o v a t i o n oh a n d l eat e c h n i q u ew i t h t r a d i t i o n a if o u n d a t i o nt oc o m p a r e t h ep o w d e ra s hf r o ms t o v e - l i m e - v i t r i o l c o n c r e t ec o m p o u n dt h ef o u n d a t i o nh a v ec o m p r e h e n s i v ee n g i n e e r i n gc o s t o w l c o n s t r u c t i o nt h es c a l es i n a i lc h a r a c t e r i s t i c s ，c a na d j u s tt h ed e s i g nd i f f i c u l t yo f t h es t r u c t u r eo fu p p e rp a r te f f e c t i v e l y , l o w e ru p p e rp a r te n g i n e e r i n g q u a n t i t v 1 1 1 i sr e s e a r c hr e s u l ts h o w st h a th a n d l i n gb u 仕r e s s e sf o u n d a t i o na n d t r a d i t i o n a it e c h n i q u eo fs a m ea r e ac o m p a r e s ，w i l lc o m p a r es y n t h e s i z ea tf i r s t t h ee n g i n e e r i n gb u i l dp r i c et oj o w e r1 5 - 2 0 t h i sr e s e a r c hj na d o p to f c o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t sa n dc r a f t ，s u i t e df o rac o n d i t i o nw o r s es p o t e n v i r o n m e n tac o n s t r u c t i o nv e r ym u c h ，t h ei t se q u i p m e n t sm a c h i n ep h y s i c a l v o l u m ej sac o m m o np o w d e rt os p r a yam a c h i n eo f1 1 2 ，s e l f - r e s p e c tm o r ea n d l i g h t l y ，m o v ei n s i d ef i e l dc o n v e n i e n c e ，f o ro r i g i n a lf o u n d a t i o nl o a d i n gt h ed i n t w o r s ed i s t r i c t ，t h es a m ec a nc a r r yo nac o n s t r u c t i o n ，a n df i e l do u t s i d et r a n s p o r t c o n v e n i e n c e c o n s t r u c t i o np r o c e s sw i t h o u to b v i o u sp o l l u t i o n ，t h ep o w d e ra s h f r o ms t o v ec o n c r e t es t a k eo ft h ei i m ev i t r i o lc a na l la d o p ti nt h em e a n t i m e i n d u s t r yd i s c a r dar e s i d u e ， tt h es o c i a fp e r f o r m a n c ee x t r e m e l yo b v i o u s t h i s o b j e c to fr e s e a r c hi na d d i t i o nt ob em a t c h i n gx ut h es u p e r h i g h w a yc a r r i e so n i i e x p e d m e n to nt h es c e n ei na d d i t i o nt oa p p l y i n g ，a l s oc a r r yo nm o r el a r g e s c a l e e x p a n s i o na p p l i c a t i o n ，s u c ha sf o l l o wr i v e r 。ss u p e r h i g h w a y , c o p p e rh u a n gh i g h s p e e d ，n e s tl a k et ot w od a m ss e c o n dc l a s sh i g h w a ye t c ，t h ed i r e c t l ye c o n o m i c p e r f o r m a n c er e a c h e st o1 0 ，6 8 0 ，0 0 0 ，t h ee c o n o m yb u i l d sp r i c et oo b v i o u s ， e n u n c i a t i o no r i g i n a l l yo b j e c t ：o fr e s e a r c hr e s u l th a v ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o n v a l u e k e yw o r d s ：s t o v e - l i m e - v i t r i o is y s t e ms o f ts o i if o u n d a t i o n a p p l i c a t i o n r e s e a r c h m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使甩过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 薹至之1 日期：! 四 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图器馆有权徐留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内客相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：益生导师签 日期： 渊、1 1 ， ， 东南大学工程硬士论文 第一章概述 1 1 研究背景 高速公路是线性的带状构筑物，跨越地区广泛，沿线地质条件复杂。现阶段 我国高速公路多建于沿江、海诸省，大部分为淤泥质土海岸，多为淤泥、淤泥质 粘土、淤泥质亚粘土及淤泥混砂层，属于饱和的正常压密软粘土，因此软基处理 是高速公路建设的主要岩土工程问题。我国高速公路沿线广泛分布软土，一般沿 江、海高速软段占全长的1 ，3 左右，因此，软基处理质量的好坏，是高速公路 建设成败的关键。 复合地基能够有效地减少和控制沉降量和工后沉降量，并能适应快速加荷要 求，缩短建设周期，与其它软基处理方法相比，具有不可替代的优越性，在高速 公路软基处理中得到广泛的应用。 安徽省境内进行火力发电的工厂较多，火力发电后的大量的粉煤灰引起的环 境问题f j 益严重，如何在建材中使用粉煤灰，对节约能源、改善环境有着积极意 义。 复合地基设计理论、施工工艺及检测手段等方面有待于迸步研究和完善。 1 2 研究必要性 目前桩土复合地基处理软基，其特点在于它比以往的地基更强调桩土的整体 性，其处理的深度可达数十米，与桩基础不同，作为增强体的桩在地基中是地基 的组成部分，它能分担部分上部荷载，具备桩的竖向传力功能及在桩间土受压变 形时约束土体侧向变形的能力。复合地基强调桩与土的变形协调，要求桩体有 定的强度可以分担上部荷载，但其刚度又不能太大，要尽量发挥桩间土的承载力， 实现地基的整体变形。地基在达到其极限承载力时尽量要求桩体与土能同时破 坏。 因此，普通的散体桩、刚性桩或柔性桩都不够理想，一般散体桩和柔性桩自 身强度太低，通常小于1 m p a ，在地基处理中桩体的增强作用不太明显：而刚性 桩往往刚度过大、脆性大，破坏时桩体所发生的变形太小，在土体承载力刚开始 发挥出来时，桩体就已经破坏了，土体分担荷载的作用得不到有效体现；或因为 桩体刺入土体w l i l - 层，发生大沉降而导致地基破坏，此时的桩体却没有破坏，造 成桩体多余的承载力浪费。所以，要找一种强度在l - 1 0 m p a ，且同度较小，韧 性较好的一种材料桩体用于地基处理工程。 目前的水泥土夯实桩就是一种半刚性桩，但由于水泥掺量较大( 一般占桩体 材料的2 0 - 3 0 ) ，因此造价高、且采用管内夯实工艺施工，施工的难度较大。 在传统的地基处理技术中，也有采用粉煤灰桩、石灰粉煤灰桩( 双灰桩) 、 c f g 桩复合地基等，但都未充分利用粉煤灰活性，因此粉煤灰利用效率低，使 第1 页共3 8 页 东南大学工程硕士论文 用中也有比较大的随意性，并且由于强度比较低有些情况下还要加入比较高比例 的硅酸盐水泥。 另复合地基理论目前还处于发展阶段，各种说法各不一致，目前我们先对比 较权威的一些计算公式进行回顾。 下面公式( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 分别是地基处理技术规范( j g j 7 9 9 1 ) 中有 关深层搅拌桩、高压喷射注浆桩、散体桩的复合地基承载力的设计计算公式： 厶 = m 二 + ( 1 一m ) l j ( 1 1 ) 式中：岛k _ 一复合地基承载力标准值9 卜一面积置换率 a d 桩的截面积 k 桩间天然地基土承载力标准值 b 一桩阃土承载力折减系数，当桩端土为硬土时，可取o 5 一1 o ；当桩端 土为软土时，可取o 1 o 4 ，当不考虑桩问土的作用时，可以取o ； d - 一单桩竖向承载力标准值。 厶j = ( + 声( 也一4 ) t j 】 ( 1 2 ) 式中：a c 1 根桩承担的处理面联 a 口桩的平均截面积 鼠桩间天然地基土承载力标准值 8 一桩间天然地基土承载力折减系数，可根据试验确定，在无试验资料 时，可取0 2 0 6 ，当不考虑桩间软土作用时，可取0 。 风d 一单桩竖向承载力标准值。 厶 = 形 + ( 1 一聊) 厶 ( 1 3 ) 式中：。r 复合地基承载力标准值 m 面积置换率 。r 桩体单位截面积承载力标准值 氐桩间天然地基土承载力标准值 以上各公式是在长期应用的基础上总结出来的比较简单，且又能反映工程实 际情况的计算方法，但从理论角度讲它们均存在一些不足，以公式( 1 1 ) ( 1 2 ) 为例，它们没有考虑桩间土在加固过程中的改善作用，而仅考虑了桩间土承载力 的发挥情况，这样没有充分考虑桩间土的分担作用，使设计偏于保守；而公式 ( 1 3 ) 则根本没有考虑桩土之间的变形协调，也没有考虑加固中的改善作用。 它们不适用于桩土复合地基的设计计算。 有关专家在对复合地基进行刚度分类后，针对各种性质的桩体提出了柔性 桩、半刚性桩、刚性桩复合地基承载力设计公式： 第2 页共3 s 页 东南大学工程硕士论文 柔性桩复合地基承载力标准值计算公式( 1 4 ) ： 厶 = 朋三l + 卢( 1 一m ) 正 ( 1 4 ) 该公式与标准中深层搅拌桩公式( i p 】) 相同。 半刚性桩复合地基标准值计算公式( 1 5 ) ： ，0 j = t 】m y , j + k 2 ( 1 一脚) 工j ( 1 5 ) 式中：k l 、b 一桩、桩间土承载力发挥系数，与土层类型、桩的夯实度，砂 垫层厚度等因素有关，建议k l 取1 0 ，k 2 范围为o 8 - 1 0 。 刚性桩复合地基承载力标准值计算公式( 1 6 ) ： 厶j = 聊三l + 口l ( 1 一肌) 工j ( 1 6 ) 其中：a - 桩问土承载力提高泵数，一般取1 0 或根据试验确定； b 一桩间土承载力折减系数，取0 7 5 1 0 ，对变形要求高的建构筑物取低 值。 从以上的三种计算公式可以看出，( 1 ) 原地基承载力的修正值在计算应用中 意义不大，调整效果不太明显，( 2 ) 修正值含义模糊，没有真正反映复合地基的 实际变形特征及力学性质。 1 3 主要研究内容 粉煤灰石灰硫酸盐系统可以充分激发粉煤灰活性，用其配制的混凝土具有 一定的技术优势和非常明显的经济效益和环境效益，可以用于地基处理，但如何 用于地基处理，用于地基处理的效果如何以及作用机理如何，还必须做进一步的 研究。本论文研究还将充分考虑实际工程应用可能存在的问题和需要解决的问 题，进行比较系统的研究，具体研究内容如下： 1 ) 对粉煤灰石灰硫酸盐系统的基本物理、力学性质进行分析，寻找适合 地基处理的混凝土配合比及该系统在软基处理中的使用范围。 2 ) 为了降低地基孔隙水含量，粉煤灰石灰硫酸盐混凝土将以干燥状态成 型桩体，将研究影响混凝土桩体吸水硬化的因素及桩体强度发展的规律 和条件。 3 ) 进行现场试验和室内模拟试验，分析影响桩体的强度因素和施工工艺及 其桩体性能改善的途径。 4 ) 根据粉煤灰石灰硫酸盐混凝土桩体施工工艺，选择施工设备。 5 )进行微观测试和化学分析，确定桩体活性材料对桩间土是否具有化学加 固作用。 6 ) 进行土样物理分析，研究桩间土在成桩挤密、吸水和化学固化后物理、 力学性质变化。 7 ) 建立适合于粉煤灰- 石灰一硫酸盐混凝土桩复合地基的相关设计计算公 第3 页共3 8 页 东南大学工程硕士论文 式。 8 )进行粉煤灰石灰硫酸盐混凝土桩复合地基的地基加固机理分析。 9 ) 进行社会、经济效益分析。 第4 页共3 8 页 东南大学工程硕士论文 第二章实验研究 2 0 原材料 粉煤灰主要选用淮南、淮北电厂的干排灰，化学成分主要是c a o 、s i 0 2 、 f e 2 0 3 、s 0 3 等，氧化物占粉煤灰成份的9 2 以上。本次研究使用粉煤灰为原状灰。 硫酸盐主要选用周边化工厂废料磷石膏，其主要化学成份硫酸钙；还可选用 铜陵芒硝矿石厂磨细的芒硝矿石，化学成分主要为n a 2 s 0 4 1 0 h 2 0 。 石灰主要来源于淮南、淮北石灰厂。生石灰化学成分主要为c a o ，熟石灰主 要成分c a ( o h ) 2 2 1 桩体材料吸水试验 由于实际生产中，材料将以干燥状态成型桩体，而只有当材料充分吸水后， 才能保证胶凝材料的水化、硬化，因此要研究模拟桩体的力学性质首先应确定材 料水化能否得到保证。我国软土一般天然含水量等于或大于液限，达到4 0 以上， 孔隙比大于1 ，试验中将充分考虑这些情况。 2 1 1 吸水性与体积变化 在地基含水量相同的情况下，材料配合比对于料吸水能力的影响是我们首先 考虑的问题，由于原材料中对吸水性影响最大的是胶凝材料，所以研究时只采用 胶凝材料来进行，而未加入集料。 我们通过测定成桩后3 天桩芯的水胶比值来进行比较，其结果如表2 1 ；另 外为了观察吸水与桩体体积变化的关系，还通过测定堆积密度来研究干料和湿料 的体积变化情况，如表2 2 所示。 表2 1 材料配合比与桩芯水胶比关系 模拟地基含水量( ) 粉料配合比( )水胶比 3 0粉煤灰：熟石灰：磷石膏= 7 0 ：1 7 ：1 3 o 6 7 3 0粉_ | 纂灰：藕石灰：硫酸畲b = 7 8 ：1 9 ：3 n6 5 3 0 粉馔灰：生石灰：磷石膏= 7 0 ：1 7 ：1 3 0 6 5 3 0 粉煤灰：生石灰：硫酸钠= 7 8 ：1 9 ：3 0 6 7 3 0 粉煤灰：生石灰：水泥= 7 3 ：1 8 ：9 o 6 3 3 0粉煤灰：水泥- - 9 1 ：90 6 4 2 0粉嫔灰：熟石灰：磷石膏7 0 ：1 7 ：1 30 6 5 2 0粉煤灰：熟石灰：硫酸钠= 7 8 ：1 9 ：30 6 3 表2 1 的结果表明不论采用哪种胶凝材料，3 天的吸情况基本接近，模拟桩 的水胶比可以达到0 6 以上，足以保证材料的水化。 第5 页麸3 8 页 东南大学工程硕士论文 表2 2 是有关模拟桩体积与水胶比之间的关系试验结果。试验时以混合料加 入不同用量的水搅拌均匀后，灌入桩孔内并施加一定压力( 1 2 7 k p a ) ，铡量其桩 体体积的变化。 表2 2 桩体水胶比与体积的变化关系 胶凝材料：砂：石 水胶比 0 00 10 20 3o 4 0 5 l = 1 ：1 0 ：2 ，0 体积变让( 蛳 0 01 2 ，51 2 05 6 - 2 2- 1 4 1 胶凝材料：砂：石 水胶比0 0 0 10 2 0 30 4 2 = 1 ：0 ：0 体积变化哪) 0 03 7 51 9 02 9 - 4 7 0 注：其中复台桩胶凝材料中粉煤灰、石灰，硫酸盐比例分别为8 0 、1 7 、3 。配合 比2 实际上无砂石骨料 试验结果表明，随加水量增加，混合料体积先是膨胀，当加水量为胶凝材料 质量的4 0 左右时( 即水胶比为o 4 ) ，体积开始小于干料状态。混合料有粗细集 料时，这种体积收缩变化较小，而无集料则变化非常明显。从表中可以看出要使 混凝土变得比较密实就必须要保证水化时达到一定的水胶比，在充分水化前使混 凝土充分湿润，在自重或外部作用力的影响下使体积充分收缩，以减少因固体颡 粒骨架的架空作用而产生的孔隙。当新拌混凝土中含有一定量的粗细集料时，将 会明显降低体积的胀缩性，这主要应归功于集料的骨架作用，以及因为增加了不 同粒径的固体颗粒从而改善了材料的级配，减少了孔隙含量，较大粒径材料的增 加减少了材料的比表面积，也相应降低了材料达到足够密实性时所需要的水量， 所以在满足吸水要求的同时可以掺入一定的粗细集料，以提高材料的堆积密实 度，改善其胀缩性，最终提高混凝土的强度。 表：! 的结果还说明，应尽量避免混合料在吸水后的水胶比低于0 a ，医为 这时材料会产生湿胀，对桩体密实造成不利，进而会影响桩体的强度。 由于干料吸水有一个过程，不同土层的性质( 包括含水量、透水性等) 就会 对吸水效果产生不同的影响；同时不同桩体材料的密实度、透水性等物理性质也 会影响桩体的吸水快慢，而根据目前的研究来看桩体吸水后的二次密实作用非常 重要，但要适时二次密实方能见效，其关键控制因素在于吸水的速度。进行二次 密实的工作可以提前，但决不能延后，如若延后，则混凝土因为含水量较低，固 体颗粒表面得不到充分润滑，则很难达到二次密实的目的，同时如果延后过长， 例如达到足够工作性含水量所需的时问超过了混凝土的初凝时间，则对于二次密 实效果不利，还会在结构中形成缺陷，所以应该尽量保证在初凝以前使水胶比超 第6 页共3 8 页 东南大学工程硕士论文 过0 4 。 2 1 2 凝结时间 凝结时间将参照有关水泥标准进行试验，其结果见表2 3 。以粉煤灰石灰 硫酸钠为胶凝材料，石灰分别采用石灰和熟石灰，掺c a o 的基率系统需水量( 吸 水量) 与掺c a ( o h ) 2 的标准稠度需水量相差不大，甚至还要略低一点，其值分别 为1 5 0 m l 和1 5 3 r i l i 。含c a o 的基本系统吸水后因为消化作用放出大量热，这有 利于粉煤灰早期强度的激发，同时也会消耗一定水，使参与水化的自由水含量减 少，有利于硬化后结构体密实度的提高。 表2 3 石灰形态对凝结对闯的影响 凝结时间 石灰形态 韧凝终凝 生石灰 3 h 1 5 m i n 1 9 5 m i ，n 3 h 4 0 m i n 2 2 0 m i n 熟石灰 2 0 h 3 4 r a i n 1 2 3 4 m i n 2 i h 2 0 m i n i 2 8 0 m i n 从表2 3 中可以看出使用生石灰的基本系统凝结时间较短，能在吸水后3 个 多小时内达到初凝和终凝，而且时间差较小，因此其凝结特性是比较有利于工程 应用的。而使用熟石灰的基本系统在吸水后2 0 多小时才能达到初凝和终凝，这 可能会影响工程的进度，因此在实际应用中可优先选用生石灰。但由于地基处理 工程是一种相对特殊的领域，它在胶凝材料的凝结时间方面没有特殊要求，只要 到一定龄期后能满足设计强度要求，这样的材料就篚够使用，所以在研究中仍考 虑研究熟石灰系统的相关性能，为实际应用提供更多选择机会。 显然基本系统在初凝前有充分的时间保证材料的二次密实，对于掺有生石灰 的系统只要在3 h 前水灰比超过o 4 ，及时二次密实就能保证达到改善体积、提高 密实度的目的，而对于熟石灰的系统，这一时间更长，可以延续到2 0 b 左右。 影响桩体吸水的因素除了材料自身方面的问题以外，还包括其它方面的影响 因素。 2 1 t3 地基含水量对吸水性的影响 位于不同孔隙含水量区域的桩体吸水情况随龄期的变化如图2 1 及表2 4 。 两个区域含水量差异较大，区域l 土体呈塑态，其含水率为2 8 ，而区域2 呈液 态，其含水率为3 5 ，在成桩拔出导管后桩顶采用1 0 0 n 均布载荷静压时，区域 2 提供的侧向约束较小，因此桩体的纵向压缩和侧向膨胀量较区域1 大。 成桩后桩体开始吸水，在1 7 小时达到吸水极限，而后含水量下降，这主要 是由于材料的水化所造成，在4 0 h 附近两区域桩体含水量趋于一致，桩体己终凝； 其后吸水量缓慢增加，并相对稳定，桩体的含水量达到饱和。显然区域2 的饱和 第7 页共3 8 页 东南大掌工程硕士论文 含水量较区域1 稍高，则其硬化后孔隙含量也较高，密实度相对较低。 表2 4 桩体的含水量 区域1区域2 加固后时间( h ) 含水率水胶比含水瓤水胶比 0 556 5 0 2 39 1 70 3 7 1 7 1 2 4 30 4 91 3 0 70 5 2 4 01 1 20 4 51 1 ，30 4 5 4 8 01 1 50 4 61 2 50 4 8 说明：1 2 ) 图中系列2 和表中区域2 ，土层含水量为3 5 3 ) 表中及图中通过桩体的含水率来反映不同时间桩体的吸水能力 4 ) 桩体胶凝材料中粉煤灰：生石灰：硫酸钠= 8 0 ：1 7 ：3 。 试验结果显示位于两区域的桩体吸水量相差不大，但土体含水量变化对桩体 最终物理、力学性能的影响情况如何，仍进一步研究，因此试验中又测试了位于 两区域中桩体的2 0 天无侧限抗压强度、相关物理性质，及其对应桩间土的含水 量，试验结果见表2 ，5 。 表2 5 不同区域桩、土物理力学对比 无侧隈抗压强( m p a )含水量桩孔隙率 表观鹰度 区域桩含水率) 样1样2样3 ( )( ) ( g c m ) lo ? 9o 5 80 5 6i 工52 2z 5 72 0 6 20 5 5 0 4 91 2 5 2 3 72 6 4 2 0 5 可以看出区域l 的桩体强度比区域2 稍高，但整体上看，两区域的桩体物理 性质接近，力学性质相差也不是很大。说明桩体材料配合比相同的情况下，桩间 土孔隙含水量的大小，在一定范围内不会对桩体的物理、力学性质造成过大的影 第8 页共3 8 页 东南大学工程硕士论文 响。同时也能说明一般情况下干料桩体吸水能够得到保证。但如果土体的粘聚性 太低、含水量太高，其影响就可能更大，因此在这种情况下必须重新加以分析。 2 l4 桩体密实度对吸水性的影响 土层含水量对桩体的吸水性影响较小，但研究发现桩体的密实状态对桩体的 吸水性却有比较明显的影响，表2 6 是有关试验结果，其中桩体材料配合比为： 粉煤灰：生石灰：硫酸铺= 8 0 ：1 7 ：3 ，胶：砂：石= l ：l ：2 。试样1 是桩体成型后采用振 动棒对其稍加振动密实的：试样2 除此之外，还在桩顶施加1 0 0 n 的均布荷载， 并持载3 0 分钟后再卸载，以模拟实际桩顶以下大约为5 0 c m 处桩体因自重对桩体 下部压实的作用，显然试样1 和试样2 的密实状态不同，试样2 相对较高。同样 采用含水率来反映对应时间的吸水倩况。 表2 ，6 桩体密实度对桩体吸水性的影响 加固后时间( h ) 0 542 0 4 8 试样1 2 51 1 o 1 l 21 1 8 含水宰( ) 试样2 1 39 5 1 0 7 l o 7 显然桩体密实状态不同，吸水性能也有所不同，密实度越高，吸水能力越低。 从含水率的变化情况来看，桩体在吸水并达到一定的含水率之后，其值将不再有 较大的变化。其最大吸水能力受密实度的影响，密实度越大其最终含水率越小。 2 1 5 地基透水性对吸水性的影响 根据土体分类标准，一般按固体颗粒的大小将士分为粘土、粉土、砂土等， 而软基主要处理对象就是这三类，它们之间以砂土透水性最强，粘土最差，一般 通过吸水来改善土性的方法仅适用于砂土和粉土，粘土几乎无效，有鉴于此，我 们采用特细砂模拟砂土与粉土相比较。试验结果如表2 7 所示。 表2 。7 土体透水性对桩体水胶比( 即吸水量) 的影响 水胶比 成桩后时间( m i n ) 砂土耢土 1 0o 3 80 1 2 3 0 o 4 l 0 2 3 6 00 4 60 3 5 1 2 00 4 604 6 说明：土体含水量均为3 0 。 第9 页共3 8 页 东南大学工程颈士论文 试验表明干料桩体在透水性较好的砂土中吸水的速度较快，可以缩短二次密 实作用的间隔时间，提高工程效率，粉土则较慢。另外，尽管粉土内桩体吸水较 慢，但它也能在2 h 内获得足够的水，使水胶比大于o 4 ，保证体积变化前材料不 会初凝，仍具有足够的可塑性，便于进行二次密实。 综上所述，土体的透水性、含水量不是影响桩体的吸水性的关键因素，但在 含水量过高或过低、透水性太低的环境采用干料工艺必须谨慎。相比之下在含水 量较高的砂土环境中采用干料工艺比较可靠，而且能有效保证二次密实作用的预 期效果。 可以认为干料桩体在一般软土中成型可以在初凝前获得水化所需的足够水 量，同时由于材料的初凝时间较长，且桩体吸水速度较抉，一般情况下有充分的 时间用来保证吸水后的二次密实，在达到足够含水量后通过密实改善桩体的密实 度，进而提高其强度。因此，在通常情况下采用于料成桩可以保证桩体的水化、 硬化，对桩体进行二次密实在实际生产中是可行的。 但出于工程进度和具体旌工区域土体性质不可预见性的考虑，不可能过分依 赖二次密实的作用，况且如上文所言如果通过适当掺入集料同样可以改善混凝土 的密实度，降低吸水后体积收缩量，因此接下来将从材料的配合比入手来分析密 实度的影响因素及其与强度的关系。 2 2 桩体力学性质的研究 2 2 1 配合比对桩体强度的影响 影响桩体强度的因素是多方蕊的，对于粉煤灰石灰琉酸盐系统用于地基工 程，主要影响因素在于材料的配合比、龄期和地下养护环境。研究结果显示采用 干料方式成型桩体其水化、硬化是能够得到保证的，只要桩体成型时足够密实， 其水灰比不会因为土体含水量的变化而发生太大的影响，通常含水量与材料的堆 积密实度有关，当达到饱和含水量后，就不会再吸水，因此一般情况下吸水后混 合料的水胶比不会超过0 7 。 2 2 1 1 配合比试验 表2 8 是不同配合比胶凝材料的胶砂强度试验结果，从表2 8 中可以看出随 着水灰比的增大，材料的强度会有所降低，以第1 组配合比为例，w c - - - o 5 时的 2 8 天强度是0 7 时的2 倍；第4 组则更大，w c = o 5 时的2 8 天强度是0 7 时的 2 7 倍，因此材料水化时含水量对混凝土的强度影响是比较大的，应用时必须根 据地下水情况酌情选用合适的配合比。另外不同原材料的组成其对应的强度也不 同，采用不同硫酸盐激发，以1 、2 两组相比前者的强度是后者的2 倍；从l 、4 两组可以看出采用不同碱激发剂时，生石灰的强度是熟石灰的2 倍。当以水泥代 替硫酸盐激发剂时，其效果仅与磷石膏的差不多，显然不如硫酸钠的效果好。 第1 0 页共3 8 页 东南大学工程硕士论文 表2 8 配合比与强度的关系 抗压强度( 静a ， 序号 胶凝材料配合比( )水灰比 7 天 1 4 天 2 8 天 0 7o 2 7o 6 11 8 7 1 粉煤灰：熟石灰：芒硝- - 8 0 ：1 7 ：30 6o 2 80 7 52 7 l n50 3 81 0 73 9 2 0 7o 3 0 0 7 00 8 7 2 粉攥灰：熟石灰：礴石膏= 7 1 ：1 7 ：1 2 o i60 3 3 o 6 0i 5 l 0 50 3 70 5 41 3 4 0 70 4 20 4 90 9 7 3粉煤灰：熟石灰：水泥= 7 5 ：i 5 ：1 0o 60 5 20 7 21 。3 6 0 5o 6 7o 9 7 1 9 3 0 70 5 02 。9 2 4粉煤灰：生石灰：芒硝_ 8 0 ：1 7 ：30 60 5 】 5 8 3 0 5 7 9 7 图2 - 2 是三组不同硫酸盐激发剂的强度对比情况，2 8 天强度最大相差1 倍以 上。同时还可以看出，对于粉煤灰一石灰水泥胶凝材料系统而言，其掺量在1 0 时各龄期的强度均明显低于粉煤灰一石灰硫酸钠胶凝系统，1 4 天和2 8 天强度甚 至低于粉煤灰石灰。磷石膏胶凝系统。这表明从材料强度发展来看，无水泥粉煤 灰石灰硫酸盐胶凝系统对粉煤灰的潜在活性的激发是比较充分的。粉煤灰石灰 硫酸钠系统是激发效果最佳的一组，在工程力学性质要求不高时可以根据当地 的具体情况酌情采用磷石膏( 工业废料，主要成分c a s 0 4 2 h z o ) 、熟石灰代替 芒硝和生石灰，可以明显降低成本，减少环境污染，降低材料储存和施工的难度。 图2 一z 不同胶凝材料系统对混凝土强度的影响 一耪臻灰：募i 石灰：芒硝=嘻0 ：】7 ：3 - -一粉煤灰：煮i 石灰：石膏；叮8 ：1 5 ：7 - 一粉攥灰鼻i 石灰磷石-f 一7 l ：1 7 ：1 2 o51 01 52 02 53 0 时间( d ) 第1 l 页共3 8 页 o 8 6 4 2 0 盘荸趟屡邕辖 东南大学工程硕士论文 图2 - 3 耪煤灰品质对强度的影响 在基本胶凝系统中，粉煤灰是最主要材料，通常要占胶凝材料总量的7 0 0 以上，因此粉煤灰的质量将会明显影响混凝土的最终强度。我们在其它条件相同 的基础上采用i i 两级粉煤灰加以比较，试验结果如图2 - 3 所示。 从图2 3 可以明显看出，i i 级粉煤灰配制的基本系统混凝土2 8 天强度明显 高于级粉煤灰，这表明在同等情况下，i i 级粉煤灰更容易被激发，其活性更强， 因此在有优质粉煤灰可以利用，且成本不会显著增加的情况下，应优先采用高等 级粉煤灰。 模拟桩强度与配合比的关系 通过变化配合比已研究了基本胶凝系统的基本力学性能，但是否在干料成桩 工艺中其规律也依然相同呢? 采用于料成桩是否能满足桩体强度设计的需要? 这需要进一步进行研究。 为了比较需要，采用干料和湿料成桩两神工艺同时研究，试验结果如表2 9 所示。 表2 9 模拟桩体2 8 天强度试验结果 桩体混凝土配合比 2 8 天无侧限抗压强度 桩体胶凝材料配合比样本编号 ( 胶凝材料：r e ：石：水) ( m p a ) 粉煤灰：生石灰：磷石膏 l l ：o ：2 ：0 ( 干料0 8 8 - - - 0 7 8 ：0 1 7 ：0 1 5 2 1 ：1 ：2 ：n5 ( 混合料)4 1 3 3 1 ：1 ：2 ：0 ( 干料) 1 3 5 粉煤灰：生石灰：硫酸钠 4 l ：o ：2 ：0 ( 干料) 1 1 2 = o8 ：o 。1 7 ：0 - 0 3 s l ：1 ：o ：d ( 干辑)0 5 1 6 1 ：1 ：2 ：0 5 ( 馄合料)4 2 1 粉煤灰：生石灰：氯化钠 71 ：l ：2 ：0 ( 干料)0 6 3 = 0 8 ：0 1 7 ：0 0 3 81 ：0 ：2 ：0 ( 干料)0 4 2 第1 2 页共3 8 页 东南大学工程硕士论文 从表2 9 中可以发现，相同水灰比下模拟桩体的强度与胶砂强度比较接近， 而干料成型工艺的强度较低，不同配合比仍以粉煤灰：生石灰：硫酸钠= 0 8 ：o 1 7 ： o 0 3 的样品强度最高。相比之下，湿料成桩桩体的强度比干料的效果好，从感官 上发现其桩体的密度也较大。通过对比研究可以认为： 1 ) 干料成桩的关键在材料的密实度的改善； 2 ) 干料桩体还有较大的强度提高潜力； 3 ) 采用恰当的配合比，干料成桩工艺能够满足通常强度设计的要求。 2 2 2 龄期对强度的影响 2 2 2 1 不同龄期的胶砂强度 基本系统的主要材料粉煤灰是一种潜在