礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料加固軟土路基效果研究

劉強(qiáng)

作者簡介：

劉 強(qiáng)（1977—），工程師，研究方向：公路與橋梁。

摘要：為研究新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料在軟土路基改良及變形控制中的應(yīng)用，文章基于室內(nèi)不固結(jié)不排水試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)及微觀電鏡試驗(yàn)，驗(yàn)證其對天然紫色土、壤質(zhì)砂土和砂土的改良效果。研究發(fā)現(xiàn)：礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料能夠有效增強(qiáng)軟土的承載能力、抗?jié)B性，注漿前后三種土體的強(qiáng)度增幅分別為61.08%、40.82%和45.50%，天然紫色軟土的改良效果最佳。

關(guān)鍵詞：新型注漿材料;軟土;路基改良;滲透性;微觀電鏡;試驗(yàn)研究

中國分類號：U416.1+1A250933

0 引言

軟土路基具有濕陷性、大變形、可塑性強(qiáng)等特點(diǎn)，容易導(dǎo)致公路路面變形和路基垮塌，嚴(yán)重影響公路工程及交通安全。因此，開展軟土路基改良的研究具有十分重要的意義[1-3]。

目前，我國專家積極展開了軟土路基改良相關(guān)研究。劉茜[4]指出市政道路建設(shè)軟土路基施工的重要性，合理選擇軟土路基處理技術(shù)對城市建設(shè)具有重要意義;馬兵林[5]基于室內(nèi)試驗(yàn)深入研究了纖維改良軟土路基紅黏土的可行性，并指出纖維摻量能夠有效提升紅黏土的黏聚力，且當(dāng)纖維摻量為3%時紅黏土性能最優(yōu);杜寶紅[6]提出利用灰土改良軟土路基的方案，分析了灰土改良原理和現(xiàn)場改良施工工藝流程，進(jìn)一步深化了對灰土改良技術(shù)的認(rèn)識;劉園等[7]通過室內(nèi)添加比例為3%、5%、7%、10%的粉煤灰制備灰改良土樣并展開試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)添加粉煤灰能夠有效增大軟土的承載能力，同時其膨脹性明顯降低。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)主要是利用纖維或石灰粉等材料對地基進(jìn)行改良[8-10]，對注漿改良技術(shù)的研究不多。本文提出利用新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料對多種軟土進(jìn)行注漿的改良方案，并基于室內(nèi)不固結(jié)不排水試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)及微觀電鏡試驗(yàn)驗(yàn)證該方案的可行性。

1 工程背景

本次研究依托于某快速公路鋪設(shè)工程，該公路全長6.3 km。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及相關(guān)數(shù)據(jù)資料顯示，該地區(qū)第四級地層覆蓋主要為洪積黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂土等，另含少量碎石、礫石等，區(qū)域主要特殊巖土及不良地質(zhì)土為軟土、地基軟土及軟弱高含水土等，這為該地區(qū)路基建設(shè)工程帶來極大的挑戰(zhàn)。因此，需要引入新型技術(shù)對承載力差、變形大的軟弱土路基進(jìn)行改良以滿足工程建設(shè)要求。經(jīng)過討論研究，認(rèn)為采用注漿改良技術(shù)在該地區(qū)路基改良工程中具有較大優(yōu)勢，能夠減少棄方、節(jié)約工程成本。

2 試驗(yàn)設(shè)計

2.1 原土樣

為合理分析礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料在軟土地基改良中的應(yīng)用，本次研究對天然紫色土、砂土以及壤質(zhì)砂土共三種土樣展開了室內(nèi)試驗(yàn)。為排除其他因素對固化效果結(jié)果分析的影響，控制三種土樣的含水率均為18±0.5%，干密度均為1.80±0.02 g/cm3，孔隙率均為48±0.5%。

2.2 礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料

新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料是利用特級粉煤灰、礦渣水泥、砂等原材料，外加堿性激發(fā)劑、緩凝劑等制備而成的注漿材料。此外，礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料具有環(huán)境友好、不用置換等特殊優(yōu)勢，且尾礦礦物材料得到了充分的回收利用。本次研究利用礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料對多種土體的工程性能進(jìn)行改良。礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料對土體產(chǎn)生膠結(jié)作用、填充作用及離子作用，能夠較好地改良土體的力學(xué)性能。按照質(zhì)量配比稱取粉煤灰、礦渣粉、BS緩凝劑（用量為0.5%，占灰體質(zhì)量百分比），然后將BS緩凝劑配制成水溶液與礦渣粉在水泥凈漿攪拌機(jī)中預(yù)攪拌1 min，加入粉煤灰和已配好的硅酸鈉溶液進(jìn)行二次攪拌（140 r/min慢攪2 min，280 r/min快攪2 min），得到均勻灌漿漿液。

2.3 土樣固化

本次研究對天然紫色土、砂土以及壤質(zhì)砂土展開了固化試驗(yàn)。首先將三種軟土填滿整個灌漿模具（見圖1），再利用灌漿機(jī)給予足夠壓力將新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料注入模具中。灌漿完成24 h后拆模得到固結(jié)體，并將固結(jié)體在95%RH的環(huán)境中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間為7 d。圖1為灌漿模具示意圖，模具內(nèi)部圓筒長為400 mm，直徑為100 mm。

2.4 試驗(yàn)方案

本次研究對固化后三種不同類型的復(fù)合土體展開了全面的工程性能測試，主要包括不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU）、滲透試驗(yàn)和微觀機(jī)理分析試驗(yàn)，試驗(yàn)嚴(yán)格遵照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）等相關(guān)規(guī)范展開[11-12]。不固結(jié)不排水試驗(yàn)采用FSLY-30型非飽和土三軸儀，滲透性試驗(yàn)采用變水頭法進(jìn)行測試。此外，為分析礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料加固軟土的微觀機(jī)理，對注漿前后的土體展開了微觀電鏡試驗(yàn)，得到了其微觀電鏡圖（SEM）。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 力學(xué)性質(zhì)

對不同固化次數(shù)條件下的三種土體展開不固結(jié)不排水試驗(yàn)（UU），得出未固化和新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿固化后土體試樣的不固結(jié)不排水強(qiáng)度如表1所示。由表1可知，新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿對多種軟土的固化效果明顯，不同土體的強(qiáng)度均逐漸增大，新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿技術(shù)對土體力學(xué)性質(zhì)的改善效果顯著。對于不同土體，未注漿的土體與注漿后的土體之間的強(qiáng)度具有明顯的差異。注漿前，天然紫色土、壤質(zhì)砂土和砂土三種不同的軟土土體的強(qiáng)度分別為25.13 MPa、39.15 MPa和42.15 MPa;注漿后，三種軟土的不固結(jié)不排水強(qiáng)度分別為40.48 MPa、55.13 MPa和61.33 MPa。三種土體的強(qiáng)度增幅分別為61.08%、40.82%和45.50%。由此可見，新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿技術(shù)對多種軟土的強(qiáng)度均具有優(yōu)良的改良效果，且其對天然紫色軟土的改良效果最佳，能夠大幅提升天然紫色軟土路基的承載能力。分析認(rèn)為，這是由于當(dāng)向土體中不斷注入新型礦渣-粉煤灰復(fù)合漿液后，復(fù)合漿液會填充軟土的土體孔隙，且能夠膠合軟土顆粒，這種膠結(jié)作用能夠有效固化土體，進(jìn)而提高了土體的強(qiáng)度。

3.2 滲透性

如圖2所示為采用變水頭法測得的三種土體滲透率隨注漿固化次數(shù)的變化關(guān)系。由圖2可知，礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料對土體的滲透性具有非常明顯的影響。隨著固化次數(shù)的不斷增多，土體的滲透系數(shù)不斷減小，其抗?jié)B性逐漸增強(qiáng)。進(jìn)一步觀察可知，對于天然紫色土和壤質(zhì)砂土，其滲透系數(shù)隨著固化次數(shù)逐漸減小，且在第一次固化時土體的滲透率降低最明顯。對于砂土，第一次固化對其滲透性影響較小，滲透系數(shù)僅下降了8.98%。此后，砂土的滲透系數(shù)亦逐漸下降但下降速度越來越慢。分析認(rèn)為，當(dāng)向土體中不斷注入復(fù)合漿液后，復(fù)合漿液氧化膠結(jié)后會填充土體中的孔隙，且會產(chǎn)生膠結(jié)作用，因此土體的孔隙率降低、滲透系數(shù)下降。

3.3 微觀機(jī)理分析

如圖3所示為采用新型礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿技術(shù)注漿前后土體微觀電鏡（SEM）示意圖，放大倍數(shù)為500倍。受文章篇幅限制，此處僅給出天然紫色軟土的微觀電鏡對比圖，開展注漿加固微觀機(jī)理分析。由圖3可知，注漿前后，土體的微觀形態(tài)產(chǎn)生了顯著變化。注漿前，土體的顆粒間較為松散，天然紫色軟土顆粒間的粘結(jié)度差，因此土的強(qiáng)度較弱和滲透性較大;在利用新型礦渣-粉煤灰復(fù)合漿液進(jìn)行注漿后，土體顆粒間的膠結(jié)程度顯著提高，且顆粒間的孔隙得到有效填充，因此軟土的強(qiáng)度增大，抗?jié)B性也增強(qiáng)。

4 結(jié)語

本次研究依托于某快速公路建設(shè)工程項(xiàng)目，基于室內(nèi)不固結(jié)不排水試驗(yàn)、滲透性試驗(yàn)及微觀電鏡試驗(yàn)，驗(yàn)證了礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料在軟土路基加固中的可行性。得出主要結(jié)論如下：

（1）礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料能夠有效增強(qiáng)軟土的承載能力，注漿前后三種土體的強(qiáng)度增幅分別為61.08%、40.82%和45.50%。天然紫色軟土的改良效果最佳。

（2）礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料對軟土的水力學(xué)性質(zhì)具有顯著影響，隨著注漿次數(shù)的增多，不同軟土的抗?jié)B性逐漸增強(qiáng)。

（3）根據(jù)微觀電鏡圖結(jié)果，新型礦渣-粉煤灰復(fù)合漿液進(jìn)行注漿后，土體顆粒間的膠結(jié)程度顯著提高，且顆粒間的孔隙得到有效填充。

以上研究成果為礦渣-粉煤灰復(fù)合注漿材料在軟土路基改良中的應(yīng)用提供了一定思路。

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