碳化搅拌桩加固软弱地基的理论与方法研究

针对全球环境保护和现代工程建设需要，本项目以江苏典型粉土、粉质粘土和软土为对象，以活性MgO和CO2为固化剂代替传统硅酸盐水泥固化稳定软弱土为目标，采用室内试验、微观分析、模型试验与现场试验相结合的技术路线，重点研究了下列内容：（1）碳化搅拌法加固软弱土机理；（2）碳化土基本工程性质；（3）碳化土强度增长规律与耐久性；（4）碳化固化工艺等。完成了预计研究内容，取得了系列研究成果，为MgO碳化固化技术在地基处理中的应用奠定了坚实基础，对土木工程行业的节能减排和可持续发展具有重要的科学意义和应用前景。主要成果包括： （1）碳化土化学成分、微观结构和孔隙特征分析表明：碳化产物主要为棒状三水碳镁石、薄片或细丝状球碳镁石和水菱镁石等；碳化时间、MgO活性指数和CO2通气压力的增加以及似水灰比和天然土液限的减小，均有利于碳化土孔隙体积的减小和CO2吸收量的增加。碳化土加固机理包括水化反应、离子交换吸附、碳化反应和填充作用，提出了粉土和粉质黏土碳化加固的微观结构模型。 （2）MgO固化土碳化放出大量热，MgO碳化土质量、体积密度和电阻率较碳化前有不同程度增加，而含水率、比重、孔隙率、饱和度和pH值则明显减小，且pH值远低于石灰和水泥固化土的pH值。这些指标均可与似水灰比进行幂函数拟合，且MgO固化土的碳化程度可通过电阻率法来评价。 （3）MgO碳化固化土强度随碳化时间增长而提高，一般碳化3～6小时可以达到水泥土28天的强度，提高CO2通气压力可加速碳化；建立了强度预测模型，总结出MgO碳化效果排序：粉土>粉质黏土>黏土>淤泥质粉质黏土>淤泥质黏土。碳化土的干湿循环、冻融循环和硫酸盐侵蚀等耐久性试验结果表明：与水泥土相比，碳化土具有较差的抗干湿循环性能、良好的抗冻融循环性能和更强的抗硫酸盐侵蚀能力。 （4）采用管注-覆盖的搅拌桩或浅层整体碳化方法进行CO2通气碳化可有效控制通气压力和时间、提高碳化效果，距气源越近，效果越好；粉土的碳化效果优于粉质黏土；提出了现场碳化固化土的施工工艺流程。 2100433B

针对全球环境保护和现代工程建设的需要，本项目以低碳、环保、高效的绿色地基加固技术为目标，研究以活性氧化镁固化剂代替硅酸盐水泥加固软弱地基的碳化搅拌桩技术机理和应用方法。拟采用室内试验、微观分析、模型试验和理论分析相结合的技术路线，着重研究下列关键内容：（1）碳化搅拌法加固软弱土机理；（2）碳化搅拌加固后的碳化土基本工程性质；（3）碳化土强度增长规律与耐久性；（4）合理喷气碳化方式与碳化搅拌桩工艺模拟研究等。通过研究，旨在揭示活性氧化镁碳化加固软弱土的物理化学和微观机理，阐明碳化土的强度变化规律和耐久性规律，提出碳化搅拌桩的强度设计方法，总结给出碳化搅拌桩最优碳化方式和工艺技术参数。研究成果将为低碳型高效绿色搅拌桩加固软弱地基技术的工程应用奠定基础，提升我国软弱土地基处理技术水平，对我国土木水利工程行业的节能减排和可持续发展具有重要的现实意义。

砂桩加固软基，是一种造价相对较低、效果显著的软土地基处理方法，在国内外被广泛应用于铁路、公路、码头、工业及民用建筑等行业。砂桩加固软弱地基是通过挤密或振动使深层土密实，并在振动挤密过程中，回填砂形成密实桩体，与桩间土一起组成复合地基，从而提高地基承载力，减少沉降量，消除或部分消除土的湿陷性或液化性。砂桩是由中粗砂组成的柱体，中粗砂为散体材料，所以砂桩发挥作用，主要取决于侧向约束的大小。在地基中，砂桩主要靠桩周土侧向约束使桩传递垂直荷载，增加重负，提高抗剪能力。砂桩对软土地基的加固机理，对于砂性土与粘性土各不相同。

对松散砂土和粉土的加固机理

对松散砂土和粉土而言，砂桩加固地基的主要目的是提高地基土承载力、减少变形和增强抗液化性，砂桩利用振动或冲击荷载在软基中压入砂石而减小土的孔隙比，提高其相对密度。砂桩加固砂土地基抗液化的机理主要有下列四方面作用：

①挤密作用

砂土和粉土属于单粒结构，其组成单元为松散粒状体，渗透系数一般大于少。在松散状态时，颗粒的排列很不稳定，在动力和静力作用下会重新排列，趋于较稳定的状态即使颗粒的排列接近较稳定的密实状态，在动力和静力作用下也将发生位移，改变其原来的位置。松散砂土在振动力的作用下，其体积缩小可达。由于水冲使松散砂土处于饱和状态，砂土在强烈的高频强迫振动下产生液化并重新排列致密，趋于较稳定的密实状态。在成桩过程中，无论采用锤击法还是振动法在砂土中沉入桩管时，桩孔中填入的砂，被强大的水平振动力挤入周围土中，桩管对周围砂层产生很大的横向挤压力，桩管将地基中等于桩管体积的砂挤向桩管周围的砂层，这种强制挤密使砂土的孔隙比减小，密实度增大，从而抗液化性能得到改善。

②振密作用

砂桩施工时，桩管四周的土体受到挤压，同时桩管的振动能量以波的形式在土体中传播，引起四周土体的振动。在挤压和振动的作用下土的结构逐渐破坏，孔隙水压力逐渐增大，由于土结构的破坏，土颗粒重新进行排列向具有较低势能的位置移动，从而使土由较松散状态变为密实状态随着孔隙水压力的进一步增大，达到大于主应力数值时，土体开始液化成流体状态，如果有排水通道，土体中的水此时就沿着桩体排出地面。

③排水减压作用

对砂土液化机理的研究证明，在地震作用或振动作用下，当饱和松散砂土受到剪切循环荷载作用时，将发生体积的收缩和趋于密实，在砂土无排水条件时体积的快速收缩将导致超静孔隙水压力来不及消散而急剧上升，从而使土的抗剪强度降低，当砂土中抗剪强度完全丧失，或者土的抗剪强度降低，使土不再能抵抗它原来所能安全承受的作用剪应力时，土体就发生液化流动破坏，即砂土或粉土地基发生振动液化破坏。由于砂土、粉土本身的特性，这种破坏宏观表现为土体喷水冒砂、土体长距离的滑流、土体中建筑物上浮和地表建筑物的下陷等现象。砂桩加固砂土时，桩孔内充填反滤性好的粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超静孔隙水压力的增高和砂土产生液化，并可加快地基的排水固结，从而提高桩间土的抗液化能力。

④砂基预震效应

施工过程使填入料和地基土在挤密的同时获得强烈的预震，有利于增强砂土的抗液化能力。国内外大量的不排水循环应力试验结果表明，预先受过适度水平的循环应力即预振的试样，将具有较大的抗液化强度，由于在振动成桩过程中，桩间土受到了多次预振作用，因此使地基土的抗液化能力得到提高。

对粘性土加固机理

砂桩软基处理在软弱粘性土地基中有置换、排水固结及垫层作用。

①置换作用

粘性土地基中砂桩的作用不是使地基挤密，而是置换。砂桩在软粘土中形成一定密度和直径的大桩体，与原粘性土构成复合地基，提高地基的承载力和整体稳定性，防止地基产生滑动破坏。由于复合地基中桩体的刚度较周围土体大，在刚性基础等量变形时，地基中应力将按材料的变形模量随着地基的变形进行重新分布，桩体上产生应力集中现象，大部分荷载由桩体承担，桩间土上应力相应减小。

②排水固结作用

砂桩在粘土地基中是良好的排水通道，在上方荷载的作用下，它起到排水砂井的效能，且大大缩短了孔隙水的水平渗透途径，加速软土地基的沉降排水及固结速度，使沉降稳定加快。砂桩能够改变桩间土的物理性质，提高复合地基承载力。

③垫层作用

用砂桩加固软弱土层时，如果软弱土层较厚、则桩体可不贯穿整个软弱土层，此时复合地基主耍起垫层作用。通过垫层作用来减小地基的沉降并将基底压力向深部扩散而提高地基的整体承载力。总之，不论对疏松砂性土或软弱粘性土，砂桩都有较强的加固作用。在松散砂土中可以用于增大相对密度，防止振动液化在软弱粘性土中可用于提高地基承载力，加速固结沉降，改善地基的整体稳定性。

砂桩的挤密置换作用

由于砂桩在成桩的过程中桩管对周围土层产生很大的横向挤压力，砂桩的打入会挤密原地基的软弱部位，桩管体积的土体挤向桩管周围的土层，使桩管周围的土层孔隙比减小，密实度增大。密实的砂桩在软弱粘性土中取代了同样体积的软弱粘性土置换作用，形成复合地基，提高土体的密度和强度，使地基承载力有所提高，地基沉降也变小。

砂桩的排水固结作用

砂桩加固砂土时桩孔内充填砂料碎石等反滤性好的粗颗粒料，在地基中形成渗透性能良好的人工竖向排水减压通道，可有效地消散和防止超静孔隙水压力的增加和砂土产生液化，并加快地基的排水固结。在软弱粘性土地基中，打入软土中的砂桩，在施工时因有高压气体的作用会有大量水从砂桩中排出，有利于高含水量的软土快速排水固结。在上方荷载的作用下，能够加快地基沉降排水及固结速度，改变桩间土的物理性质，提高复合地基承载力，为此，在施工中从成桩的投料量、桩管提升高度、挤压时间、加水量和工作电流入手进成桩质量控制。砂桩也可以像砂井一样起排水作用，作为排水通道在上部建筑施工和使用后长期存在，有利于加快地基的固结沉降速率。

砂桩的振密作用

砂桩作为复合地基的振密作用，一方面在成桩过程中，激振器产生的强力振动通过导管传递给土层使其附近的饱和土地基产生振动孔隙水压力，导致部分土体液化，土颗粒重新排列，孔隙减少，趋向密实另一方面依靠振冲器的振力将补充的砂挤压加密，还可以提高地基的承载力，减小地基的沉降量和差异沉降量，提高土体的抗剪强度，增大土体的抗滑稳定性，消除地震时地基可能产生的液化现象 。