浅析喷粉桩加固软土地基机理
导语：粉喷桩属于深层搅拌法加固地基方法的一种形式，也叫加固土桩。深层搅拌法是加固饱和软粘土地基的一种新颖方法，它是利用水泥、石灰等材料作为固化剂的主剂，通过特制的搅拌机械就地将软土和固化剂(浆液状和粉体状)强制搅拌，利用固化剂和软土之间所产生的一系列物理一化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的优质地基。粉喷桩就是采用粉体状固化剂来进行软基搅拌处理的方法。
1、前言
喷粉桩系一种用干粉与饱和软土进行深层搅拌的软基加固方法。它是用粉体胶结材料作为固化主剂，通过深层搅拌机械，将固化剂和软土强制搅拌，利用粉体胶结材料吸水，与土颗粒发生水解、水化反应并进行阳离子交换等物理化学作用，形成连续、水稳性的坚硬拌和桩体，从而使地基土工程性质得到局部改善，并与桩间土构成复合地基。目前，粉喷桩的粉体胶结材料主要使用水泥和生石灰，经过多年的试验、研究和工程实践，已取得较好的技术经济效果，可广泛用于淤泥质土、冲填土、软粘土、粉细纱等软基加固。
粉煤灰是燃煤电厂排出的主要工业废料，价格便宜，属于富含粘土矿物的硅质材料，由多种氧化物组成，具有一定的活性，在一般意义上，粉煤灰可分成两种类型：低氧化钙粉煤灰和高氧化钙粉煤灰，高钙型粉煤灰比低钙型粉煤灰的活性大，水化初期能生成较多的碱性胶体，后期再生成硅酸盐或铝酸盐结晶物质。若能以粉煤灰作为喷粉桩的胶结材料，不仅为粉煤灰综合利用找到一条新的途径，而且为加快工业、民用与市政工程建设、降低成本提供了稳定的原材料来源。
2、试验材料的基本性质
2.1淤泥的基本性质试验用淤泥的天然含水量ω为44?郾7%，湿密度γω为170%，干密度γd为1郾23%，比重γs为2郾73t/m3，孔隙比e为1郾26，塑性指数Iρ为20郾8，压缩系数αV为0郾85MPa-1，压缩模量Es为2郾45MPa.
2.2粉煤灰的基本性质
2.2.1粉煤灰的化学组成粉煤灰是燃煤电厂排出的一种工业废料，呈灰色或灰白色。一般粉煤灰的化学成分主要为SiO2和Al2O3，这两种成份的总含量在60%以上。如果原煤的'成份特殊或在燃煤中掺入一定量的石灰石，粉煤灰的化学成份有较大的改变，形成高钙型粉煤灰。表1中列出了几种粉煤灰的化学成份与含量，粉煤灰的化学组成及含量与煤质、石灰石掺入量、粉煤灰的热历史(炉温、煤粉细度、升温速度、冷却条件及吸尘方式等)等有关。
2.2.2粉煤灰的物理性质粉煤灰的比重、容重、细度、比表面积、标准稠度需水量等是反映粉煤灰物理特性的指标，表2列出了我国电厂粉煤灰的物理特性。已有研究表明，粉煤灰的物理特性是反映其水化程度的一个重要参数。
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，低钙型粉煤灰在常温常压潮湿环境下不能硬化，并不呈现水硬活性，但大量的研究表明其活性是“潜在”的，只有在外在条件的诱导下才得以激发。高钙型粉煤灰在常温常压潮湿环境下能够逐渐硬化，就是这种活性发挥的结果。这是因为粉煤灰在水化初期能够生成较多的碱性胶体，后期再生成CSH或CAH系水化物，这两种水化物都具有一定的强度。大量的研究表明，不同品质的粉煤灰，其CaO含量及玻璃体的含量愈高、含炭量愈低、标准稠度需水量愈小，粉煤灰的活性就愈大。活性大的粉煤灰在水化反应过程中，生成具有凝胶性能水化物的能力就强。
3、粉煤灰的加固机理喷粉桩软基加固的原理是通过深层搅拌机械将软土与胶结材料强制搅拌，使软土与胶结材料发生一系列物理化学反应，形成坚硬的拌和桩体。由于粉煤灰的化学成份与岩相组成不同于其它胶结材料，故有必要对粉煤灰加固原理进行研究。
3.1 粉煤灰的水化过程粉煤灰与软土拌和后，其中CaO遇水即发生反应生成Ca(OH)2：CaO+H2O→Ca(OH)2+15?郾6Kcal/mol在这一反应过程中，粉煤灰具有吸水、发热的特性。在不断产生Ca(OH)2的条件下，粉煤灰外层的水间层起到输送Ca(OH)2的作用，使得Ca(OH)2不断地扩散到玻璃体表面，发生化学吸附和侵蚀，并产生含水硅酸钙和含水铝酸钙。
mCa(OH)2+SiO2+(n-m)H2O→mCaO.SiO2.nH2OmCa(OH)2+Al2O3+(n-m)H2O→mCaO.Al2O3.nH2O所形成的水化硅酸钙和水化铝酸钙胶体包裹在玻璃体颗粒表面，但随着反应的不断深入，凝胶层逐渐加厚，使玻璃体进一步水化受到抑制，反应速度减慢，导致粉煤灰颗粒水化需要很长的时间。
当上述反应有二水石膏存在时，水化反应结果还可产生水化硫铝酸钙。
mCaO.Al2O3.nH2O+CaSO4.2H2O→mCaO.Al2O3.CaSO4(n+2)H2O水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化硫铝酸钙都是水硬性化合物，可在粉煤灰颗粒表面形成胶质状的结晶体。因此，可以初步认为Ca(OH)2和CaSO4在某种程度上能够激发粉煤灰的活性，使粉煤灰的初期水化能力增强，呈现水硬活性。
由于粉煤灰中含有一定量的f-CaO、SO3、MgO等成份，它们在粉煤灰水化过程中体积产生膨胀，在喷粉桩深层搅拌这一特定条件下，可利用这一膨胀率来增加软基加固效果。当然，这些成份含量不宜过高，否则会使桩基发生膨胀而遭致破坏。
3.2 离子交换与土微粒的凝聚作用粉煤灰与软土拌和后，水化产生Ca(OH)2，Ca(OH)2也可以Ca2+、OH-的形式存在，并与土微粒表面带有Na+、K+等阳离子进行当量吸附交换，使土粒间的结合力增强，较小的土颗粒形成较大的土团粒结构，从而改变了土的工程性质。
在粉煤灰加固土的形成过程中，粉煤灰的水化与土粒对Ca2+、OH-的吸附是同时进行的，由于离子交换，将降低粉煤灰土孔隙水Ca2+、OH-的浓度，使粉煤灰土孔隙中Ca(OH)2处于不饱和状态，导致粉煤灰水化生成物凝胶体减少，即包裹粉煤灰玻璃体的凝胶层减薄，使粉煤灰玻璃体早期得已进一步水化。
粉煤灰加固土中对强度贡献最大的是水化生成物CSH系或CAH系等，当土质对Ca2+、OH-的吸收量较大或粉煤灰掺入量较小时，粉煤灰土孔隙水中Ca(OH)2可能不饱和，由于粉煤灰中各种氧化物的含量是一定的，当土质对Ca2+、OH-的吸附能力较强时，将使CSH等水化生成物的量减少，进而导致粉煤灰加固土的强度降低。因此土质对Ca2+、OH-的吸收量或粉煤灰中CaO含量的不同，将使粉煤灰加固土中CSH等水化生成物量的不同，导致粉煤灰加固土强度产生差异。即不同品种的粉煤灰或土质的不同，将使粉煤灰加固土的强度不同。
3.3 固结反应上述离子吸附和交换后，随着粉煤灰水化反应的不断深入和龄期的增长，逐渐形成复杂的化合物，这些结晶体主要是硅酸钙水化物CSH系，铝酸钙水化物CAS系及钙铝黄长石水化物等。这些新生成的化合物在水中或空气中逐渐硬化，与土颗粒粘结在一起，结晶体与土颗粒交错形成网状结构，改善了土的物理性质，增加了粉煤灰的强度，发挥了固化剂的作用。由于粉煤灰加固土的结构比较致密，水份不易侵入，从而使粉煤灰加固土具有良好的水稳性和连续性，形成具有一定强度的拌和桩体。
4、现场粉喷桩试验试验中粉喷桩设计桩径0郾5m，桩长依次为7m、9m、11m，粉煤灰掺入量为26%，表3是单桩质量检测成果，粉煤灰桩测试曲线规则，平均波速高，在2133～2900m/s之间，说明粉煤灰喷粉桩桩身相对均匀，桩身强度高。
对粉煤灰喷粉桩桩身不同土层钻取芯样20块，桩身最大抗压强度为13郾8MPa，最小为1郾46MPa，均值为7郾17MPa，均方差为3郾56MPa，离散系数为0郾50，桩长7m时，容许承载力为90KN，桩长11m时，容许承载力为125KN，容许荷载下沉降量均小于3mm。
5、结束语
通过以上对粉煤灰喷粉桩软土地基加固机理的分析及现场试验数据，证明利用粉煤灰进行喷粉桩软土地基加固是切实可行的，对于变废为利，降低工程成本等具有重要意义。
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