CN104649629A - 一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液及使用该浆液加固四高软土的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液及使用该浆液加固四高软土的方法。所述石棉纤维水泥粉煤灰浆液是由水泥、粉煤灰按一定配比倒入搅拌机中干拌均匀，同时均匀地撒入石棉纤维，然后再按照设计水灰比加水搅拌均匀制成；其中粉煤灰为水泥质量的10％～15％，水灰比为0.5～0.8，石棉纤维掺入量为水泥质量的3％～6％；将制备好的浆液现场搅拌喷射注入四高软土基坑加固区域内与加固软土搅拌均匀，形成浆土复合体，其中添加的石棉纤维水泥粉煤灰浆液中的水泥量为待加固的四高软土质量的13％～15％。本发明能够较好的改善软土地基的力学性能，提高土体强度，节省材料用量，大大降低软土层中基坑支护的技术风险与成本。

Description

一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液及使用该浆液加固四高软土的方法

技术领域

本发明属于软土基坑被动区加固领域，具体涉及一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液及使用该浆液加固四高软土的方法。

背景技术

近年来，我国越来越重视城市地下空间利用，并在政策上给予大力支持，城市地下空间开发利用技术已被列为城镇化与城市发展中的重点研究内容及其优先主题。在城市地下空间开发过程中，常常会遇到土体不能满足工程地基的要求，深基坑工程亦不可避免。我国软土主要分布在东部沿海和湖北省，基坑开挖时软土是常遇见的特殊土层，特别是高含水量、高塑性指数、高有机质土、高结构性的“四高”软土。

通过外加固化剂的地基加固技术从加固原理上可分为三种：物理加固、化学加固和综合加固。物理加固主要是在土体中加入土工织物、土工布和纤维等，通过加固材料与土颗粒间的界面作用以改善土体的结构与工程性质；化学加固主要是在土体中外加定量的水泥、石灰、粉煤灰等材料与化学浆液，通过加固材料与土颗粒间的化学反应生成新的物质，以提高土体的强度和稳定性；综合加固为物理加固与化学加固的综合。水泥土是一种脆性材料，抗拉强度、抗折强度很低，实际工程中“四高”软土的加固土强度或连续性经常没有明显效果，尤其是高有机质土与高结构性土的改良配比与工艺还有许多工作要做。

利用纤维分散性好、易于拌和等特点，纤维土通常被视为各向同性的均值材料，在水泥土中加入纤维能够很好地改善土的力学性能，目前得到了大量的研究。目前研究土体加固的纤维加筋材料多集中于新型材料，包括聚丙烯、聚酰胺、碳纤维、钢纤维等，这类材料价格较高，造成土体加固成本居高不下，石棉纤维为传统加固材料，在力学性能及成本上具有较大优势，但目前的研究较少。

发明内容

本发明的目的是针对软土地层中基坑开挖发生基坑支护结构变形量过大、地表沉降过大甚至整体失稳等事故问题，降低软土层中超深、超大基坑支护技术风险和经济成本，开发适用于四高软土的新型复合材料最佳配比和工艺，提供一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液及其使用该浆液加固四高软土的方法。

本发明提供的技术方案：所述一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液，是由水泥、粉煤灰按一定配比倒入搅拌机中干拌均匀，同时均匀地撒入石棉纤维，然后再按照设计水灰比加水搅拌均匀制成；其中粉煤灰为水泥质量的10％～15％，水灰比为：0.5～0.8，石棉纤维掺入量为水泥质量的3％～6％。

本发明较优的技术方案：所述水泥选用普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O42.5；所述石棉纤维选用温石棉纤维，其比密度和容重都较小，模量较高，是很好的轻质材料；粉煤灰为工业废料的利用。

本发明提供的另一种技术方案：一种用石棉纤维水泥粉煤灰浆液加固四高软土的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)采集待加固软土区域的原状样进行土工试验测试出该加固区域的软土密度，测试软土密度的方法采用现有常规的土壤密度测试方法，具体测试时，测试其基本物理力学指标，比如含水量、密度、比重，具体试验方法按照《土工试验方法标准》，并根据设计搅拌桩的桩体直径、加固软土的深度计算出待加固的四高软土的质量，具体计算公式如下：

式中：d—设计搅拌桩的桩体直径，单位m；

h—加固软土深度，单位m；

ρ₀—加固软土的天然密度，单位kg/m³；

(2)根据步骤(1)中计算出的待加固软土的质量计算出加固软土所需的石棉纤维水泥粉煤灰浆液中水泥添加量，水泥添加量为待加固的四高软土质量的13％～15％；

(3)根据步骤(2)中计算出的水泥添加量来配制棉纤维水泥粉煤灰浆液，将水泥和粉煤灰按一定配比倒入搅拌机中干拌均匀，同时均匀地撒入石棉纤维，然后再按照设计水灰比加水搅拌均匀制成；其中粉煤灰加入量为水泥质量的10％～15％，水灰比为：0.5～0.8，石棉纤维掺入量为水泥质量的3％～6％；石棉纤维水泥粉煤灰浆液掺入量m可按下式计算：

式中：d—设计搅拌桩的桩体直径，单位m；

h—加固软土深度，单位m；

ρ₀—加固软土的天然密度，单位kg/m³；

λ₁—水泥添加量与加固软土质量的百分比，为13％～15％；

λ₂—水灰比，为0.5～0.8；

λ₃—粉煤灰添加量与水泥添加量的百分比，为10％～15％；

λ₄—石棉纤维掺入量与水泥添加量的百分比，为3％～6％；

(4)现场搅拌喷射加固：将制备好的石棉纤维水泥浆液随后注入注浆桶，通过压力泵将注浆桶内已制备完成的石棉纤维水泥浆液泵送至钻机钻头处，注入四高软土基坑加固区域内与待加固的软土搅拌均匀，形成浆土复合体。

本发明进一步的技术方案：所述四高软土为高含水量、高塑性指数、高有机质土、高结构性的软土。

本发明较优的技术方案：在步骤(1)中搅拌机的电机动力2.2kW，石棉纤维水泥粉煤灰净浆搅拌时间达到15min～25min。

本发明较优的技术方案：在步骤(3)中现场施工机械采用XGB型双轴施工机械，主电机功率37kW，注浆泵为CD3型，电机功率5.5kW；泵送压力为0.4～0.6kPa，当钻头进入有效桩长范围时转杆的转速为40-50r/min，下沉速度为0.8-1.2m/min，钻头进至桩底后再在有效桩长范围内复搅一次，通过控制泵速及钻进速度来控制石棉纤维水泥粉煤灰浆液的注入量，确保注入的石棉纤维水泥粉煤灰浆液与加固软土混合均匀。该施工机械为现有的施工机械，在具体施工的时候，先采集所要加固软土经过物理检测，测试出该部分加固软土的天然密封ρ⁰，然后确定加固软土的设计深度h、双轴水泥土搅拌桩的桩体(该桩体是设计好的搅拌桩体)直径d，再根据以下公式：

计算出加固软土的质量，确定好加固软土的质量之后，便可以根据软土的质量计算出水泥添加量，水泥添加量为软土质量的13％～15％，再根据水泥的质量计算出粉煤灰和石棉纤维加入量，粉煤灰质量为水泥质量的10％～15％，石棉纤维添加量为水泥质量的3％～6％，再根据水泥和水灰比(水和水泥的比值)计算出水的加入量，水灰比为0.5～0.8，通过上述关系分别计算除了水泥添加量、粉煤灰添加量、石棉纤维添加量和水的添加量，根据计算出的质量配制出浆液，便可以得到加入软土中石棉纤维水泥粉煤灰浆液的质量，按照计算好的数值配置好石棉纤维水泥粉煤灰浆液，然后将配制好的浆液注入到XGB型双轴施工机械的注浆桶内，再通过该机械注入到待加固的软土中，在注入的时候，通过XGB型双轴施工机械来控制石棉纤维水泥粉煤灰浆液的注入量，使浆液与加固软土混合均匀，即施工机械及施工工艺为将特定量的浆液注入软土进行加固的一种较优方法，土体加固时的固化剂掺量和加固后的强度指标，受施工工法的限制，能掺入土中的固化剂含量因施工工法的不同而有所区别。

本发明的有益效果：本发明石棉纤维粉煤灰水泥复合土是在软土中掺入水泥、工业废料粉煤灰和石棉纤维，来改善“四高”软土各方面性能的一种混合材料，与现有的软土加固材料相比，石棉纤维易于大量获取，在成本上具有优势，石棉纤维水泥复合土具有成本低，能源消耗低、废物利用率高、加固性能好等特点，且埋藏于地下，为“四高软土”地区超大、超深基坑被动区加固提供了新思路；其中粉煤灰为工业废料利用，在石棉纤维水泥土中加入粉煤灰是为了提高纤维与基体之间的粘结强度，以及提高石棉纤维在水泥土中的掺入量。根据湖北省武汉市中交地产红钢城基坑项目，通过基坑监测表明，石棉纤维水泥粉煤灰加固软土地基可以起到良好的效果，节省材料用量，大大降低软土层中基坑支护的技术风险和经济成本。

附图说明

图1-1、1-2、1-3为不同配比石棉纤维水泥复合土试块的粘聚力变化曲线；

图2-1、2-2、2-3为不同配比石棉纤维水泥复合土试块的内摩擦角变化曲线；

图3-1、3-2、3-3为不同配比石棉纤维水泥复合土试块的等效内摩擦角变化曲线；

图4-1、4-2、4-3为不同配比石棉纤维水泥复合土试块的无侧限抗压强度变化曲线；

图5-1、5-2、5-3为不同配比石棉纤维水泥复合土试块的抗拉强度变化曲线；

图6为未添加石棉纤维的水泥土扫描电镜照片；

图7为石棉纤维呈网状胶结于水泥土中的扫描电镜照片；

图8为石棉纤维跨越微裂缝胶结于水泥土中的扫描电镜照片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明进一步说明。本发明所述的一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液，其特征在于：该浆液是由水泥、粉煤灰按一定配比倒入搅拌机中干拌均匀，同时均匀地撒入石棉纤维，然后再按照设计水灰比加水搅拌均匀制成；其中粉煤灰为水泥质量的10％～15％，水灰比为：0.5～0.8，石棉纤维掺入量为水泥质量的3％～6％。所述水泥选用普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O42.5；所述石棉纤维选用温石棉纤维，所述粉煤灰为工业废料利用，在石棉纤维水泥土中加入粉煤灰是为了提高纤维与基体之间的粘结强度，以及提高石棉纤维在水泥土中的掺入量。

为了进一步理解本发明，通过湖北省武汉市中交地产红钢城基坑被动区加固实践案例做进一步说明。

该案列中对于湖北省武汉市中交地产红钢城基坑的软土进行研究和试验，在基坑加固区域内，对拟加固土层淤泥质粉质粘土进行薄壁取土，测试物理力学指标，中交地产红钢城基坑拟加固土层物理力学指标测试结果表明，拟加固土层含水量在40％～46％之间；孔隙比在1.00～1.282之间；塑性指数在12.8～18.6之间；液性指数在1.01～1.21之间；压缩系数在0.43～0.82之间，平均值为0.67；压缩模量在2.6～4.7之间，平均值为3.3；直接剪切粘聚力在2kPa～6kPa之间，内摩擦角6°～16°之间，属于武汉地区典型一级阶地高压缩性软土。

进行室内石棉纤维水泥粉煤灰加固软土配比优化试验，水泥、粉煤灰、水配比为1:0.1:0.5，将中交地产红钢城基坑软土土料初始含水量配比为40％、45％、50％三种，石棉纤维掺入量分别为水泥质量的0％、3％、6％、9％四种，分别制成不同配比(土料初始含水量为40％、45％、50％，石棉纤维掺入量0％、3％、6％、9％)的石棉纤维水泥粉煤灰复合材料试件，将试件放入标准养护箱养护7d、28d、90d龄期。

测定不同配比、不同龄期试块的抗折试验强度、无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度，测试结果见表1；其中，抗折试验强度采用直剪试验测试，无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度采用液压万能试验机测试；试验时直剪试验试块尺寸直径61.8mm，高度20mm，无侧限抗压强度与劈裂抗拉强度试验试块尺寸为7.07cm×7.07cm×7.07cm的立方体。

表1为石棉纤维水泥粉煤灰复合土强度指标测试结果，试块采用F*W*A*编号，F代表石棉纤维掺量，W代表混合土料初始含水量，A代表试块养护龄期。

表1 石棉纤维水泥粉煤灰复合土强度指标测试结果

最后根据拟加固软土的含水量40％～45％确定石棉纤维最优掺入量为水泥的6％。

根据确定好的石棉纤维最优掺入量，来进行湖北省武汉市中交地产红钢城基坑被动区的软土加固，具体的加固时，设计多个加固搅拌桩，根据设计好的加固搅拌桩，进行单独加固施工，具体施工步骤如下：

(1)采集待加固软土区域的原状样进行土工试验测试出该加固区域的软土密度，测试软土密度的方法采用现有常规的土壤密度测试方法，具体试验方法按照《土工试验方法标准》的规定测试，并按照以下公式计算出待加固软土的质量：

式中：d—设计搅拌桩的桩体直径，单位m；

h—加固软土深度，单位m；

ρ₀—加固软土的天然密度，单位kg/m³；

(2)根据上述步骤中计算出的待加固软土质量，计算出加固软土所需的石棉纤维水泥粉煤灰浆液的质量，具体的计算公式如下：

式中：λ₁—水泥添加量与加固软土质量的百分比，为13％～15％；

λ₂—水灰比，为0.5～0.8；

λ₃—粉煤灰添加量与水泥添加量的百分比，为10％～15％；

λ₄—石棉纤维掺入量与水泥添加量的百分比，为3％～6％；

(3)根据步骤(2)中计算出水泥添加量和石棉纤维水泥粉煤灰浆液添加量来配制石棉纤维水泥粉煤灰浆液，将水泥和粉煤灰按一定配比倒入搅拌机中干拌均匀，同时均匀地撒入石棉纤维，然后再按照设计水灰比加水搅拌均匀制成；其中水泥、粉煤灰、水配比为1:0.1:0.5，石棉纤维掺入量为水泥质量的6％；所述水泥搅拌机上电机动力2.2kW，石棉纤维水泥粉煤灰净浆的搅拌时间达到20min以后开始泵送浆液；

(4)现场搅拌喷射加固：现场施工机械采用XGB型双轴施工机械，主电机功率37kW，注浆泵为CD3型，电机功率5.5kW；泵送压力为0.4-0.6kPa，虚孔为4.90m，有效桩长为5.00m，当钻头进入有效桩长范围时转杆的转速为45r/min，下沉速度为1m/min，该机械为现有的施工机械，自身带有控制注浆量的功能；具体注浆时，只需要将制成的石棉纤维水泥浆液随后注入XGB型双轴施工机械的注浆桶，通过压力泵将注浆桶内已制备完成的石棉纤维水泥浆液泵送至钻机钻头处，注入到四高软土基坑加固区域内与加固软土混合均匀，形成石棉纤维水泥粉煤灰复合体；钻头进至桩底后再在有效桩长范围内复搅一次，通过控制泵速及钻进速度来控制石棉纤维水泥粉煤灰浆液注入量，确保注入的石棉纤维水泥粉煤灰浆液与加固软土混合均匀。

申请人还对施工后得到的石棉纤维水泥粉煤灰复合体进行了以下测试：

测试(1)：对石棉纤维水泥粉煤灰复合材料的剪切特性进行测试，利用应变控制式直剪仪测试不同配比石棉纤维水泥土试块的剪切特性，选取粘聚力、内摩擦角、应力100kPa时的等效内摩擦角等参数进行分析。图1-1、图1-2、图1-3分别为土料初始含水量40％、45％、50％时不同龄期石棉纤维水泥土试块粘聚力的变化曲线，图2-1、图2-2、图2-3分别为土料初始含水量40％、45％、50％时不同龄期石棉纤维水泥土试块内摩擦角随石棉纤维掺量的变化曲线；为对比方便，等效内摩擦角为将内摩擦角与粘聚力转换为只有一个参数的剪切强度，其原则为等效剪应力，按公式(3)换算而来，取正应力为100kPa，图3-1、图3-2和图3-3分别为不同配比石棉纤维水泥土试块的等效内摩擦角随石棉纤维掺量的变化曲线。可以看出石棉纤维掺量在3％～6％范围内，石棉纤维水泥土试块粘聚力与内摩擦角均有不同程度的增加，从等效内摩擦角变化曲线来看，石棉纤维掺量在3％～6％之间，石棉纤维的加筋效果在水泥土中能得到很好的发挥。

τ＝σ·tanφ+c               (式1)

σ·tanφ'_eq＝σ·tanφ+c         (式2)

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{eq}}^{\′}=\arctan (\left(\tan \mathrm{\φ}\right)+\frac{c}{\mathrm{\σ}})$           (式3)

其中τ为剪应力，σ为正应力(在直剪试验中为垂直压力)，φ为线性回归的内摩擦角，c为粘聚力，φ′_eq为粘聚力为0(直线通过坐标原点)时的等效内摩擦角。

石棉纤维水泥粉煤灰复合材料的抗压强度

纤维加筋土的抗压强度主要通过无侧限抗压试验研究，图4-1、图4-2、图4-3为不同配比石棉纤维水泥土试块的无侧限抗压强度曲线，结果表明，试块的无侧限抗压强度随石棉纤维掺量和养护时间的增加而增加，土料含水量及水灰比一定时，存在最优石棉纤维掺入量，石棉纤维掺量在超过最优掺入量后导致无侧限抗压强度略有下降，在40％～50％的土料初始含水量范围内，试块的抗压强度随土料初始含水量的增加而有所提高。无侧限抗压强度试验表明，石棉纤维最佳掺入量为6％，土料初始含水量40％时，抗压强度在7d、28d、90d龄期下分别提高了227％、144％、73％；土料初始含水量45％时，抗压强度在7d、28d、90d龄期下分别提高了83％、43％、140％；土料初始含水量50％时，抗压强度在7d、28d、90d龄期下分别提高了132％、252％、135％。

测试(2)：石棉纤维水泥粉煤灰复合材料的抗拉强度

图5-1、图5-2、图5-3为不同配比石棉纤维水泥土试块的劈裂抗拉强度曲线，结果表明，与无侧限抗拉强度趋势相似，试块的抗拉强度随石棉纤维掺量和养护时间的增加而增加，土料含水量及水灰比一定时，存在最优石棉纤维掺入量，石棉纤维掺量在超过最优掺入量后导致无侧限抗压强度有所下降，在40％～50％的土料初始含水量范围内，试块的抗压强度随土料初始含水量的增加而有所提高。劈裂抗拉强度试验表明，石棉纤维最佳掺入量为6％，土料初始含水量40％时，劈裂抗拉强度在7d、28d、90d龄期下分别提高了540％、221％、116％；土料初始含水量45％时，劈裂抗拉强度在7d、28d、90d龄期下分别提高了206％、129％、65％；土料初始含水量50％时，劈裂抗拉强度在7d、28d、90d龄期下分别提高了177％、221％、118％。石棉纤维的加入能大大降低水泥复合土的脆性，提高水泥复合土的断裂破坏韧性。

测试(3)：应用本发明方法加工后石棉纤维水泥粉煤灰复合材料的微观结构测试；

图6为无石棉纤维添加的水泥土试块SEM照片，水泥与粉煤灰产生的水化物分散在粘土周围形成骨架，提高水泥土的整体强度。图7中石棉纤维在试块中随机离散的呈网状分布，使得水泥土内部各物质充分连接起来，增加试样的整体性和稳定性。图8为石棉纤维跨越土体中的微裂隙，石棉纤维在水泥土中表面被水化物包裹或缠绕在水泥水化物与粘土颗粒上，在纤维周围形成“锚固区”，增加纤维在土体中的粘聚力、摩擦阻力和抗拉能力。

Claims (6)

1.一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液，其特征在于：该浆液是由水泥、粉煤灰按一定配比倒入搅拌机中干拌均匀，同时均匀地撒入石棉纤维，然后再按照设计水灰比加水搅拌均匀制成；其中粉煤灰为水泥质量的10％～15％，水灰比为：0.5～0.8，石棉纤维掺入量为水泥质量的3％～6％。

2.根据权利要求1所述的一种石棉纤维水泥粉煤灰浆液，其特征在于：所述水泥选用普通硅酸盐水泥，强度等级为P.O42.5；所述石棉纤维选用温石棉纤维。

3.一种用石棉纤维水泥粉煤灰浆液加固四高软土的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)采集待加固软土区域的原状样土进行土工试验测试出该加固区域的软土密度，并根据设计搅拌桩的桩体直径、加固软土的深度计算出待加固的四高软土的质量，具体计算公式如下：

式中：d—设计搅拌桩的桩体直径，单位m；

h—加固软土深度，单位m；

ρ₀—加固软土的天然密度，单位kg/m³；

(2)根据步骤(1)中计算出的待加固软土的质量计算出加固软土所需的石棉纤维水泥粉煤灰浆液中水泥添加量，水泥添加量为待加固的四高软土质量的13％～15％；

(3)根据步骤(2)中计算出的水泥添加量来配制石棉纤维水泥粉煤灰浆液，将水泥和粉煤灰按一定配比倒入搅拌机中干拌均匀，同时均匀地撒入石棉纤维，然后再按照设计水灰比加水搅拌均匀制成；其中粉煤灰加入量为水泥质量的10％～15％，水灰比为：0.5～0.8，石棉纤维掺入量为水泥质量的3％～6％；石棉纤维水泥粉煤灰浆液掺入量m_浆可按下式计算：

式中：d—设计搅拌桩的桩体直径，单位m；

h—加固软土深度，单位m；

ρ₀—加固软土的天然密度，单位kg/m³；

λ₁—水泥添加量与加固软土质量的百分比，为13％～15％；

λ₂—水灰比，为0.5～0.8；

λ₃—粉煤灰添加量与水泥添加量的百分比，为10％～15％；

λ₄—石棉纤维掺入量与水泥添加量的百分比，为3％～6％；

(4)现场搅拌喷射加固：将制备好的石棉纤维水泥浆液随后注入注浆桶，通过压力泵将注浆桶内已制备完成的石棉纤维水泥浆液泵送至钻机钻头处，注入四高软土基坑加固区域内与待加固的软土搅拌均匀，形成浆土复合体。

4.根据权利要求3所述用石棉纤维水泥粉煤灰浆液加固四高软土的方法，其特征在于：所述四高软土为高含水量、高塑性指数、高有机质土、高结构性的软土。

5.根据权利要求3所述用石棉纤维水泥粉煤灰浆液加固四高软土的方法，其特征在于：在步骤(1)中搅拌机的电机动力2.2kW，石棉纤维水泥粉煤灰净浆搅拌时间达到15min～25min。

6.根据权利要求3所述用石棉纤维水泥粉煤灰浆液加固四高软土的方法，其特征在于：在步骤(3)中现场施工机械采用XGB型双轴施工机械，主电机功率37kW，注浆泵为CD3型，电机功率5.5kW；泵送压力为0.5-0.8kPa，当钻头进入有效桩长范围时转杆的转速为40-50r/min，下沉速度为0.8-1.2m/min，钻头进至桩底后再在有效桩长范围内复搅一次，通过控制泵速及钻进速度来控制石棉纤维水泥粉煤灰浆液的注入量，确保注入的石棉纤维水泥粉煤灰浆液与加固软土混合均匀。