[0001] 本发明属于地基处理和桩基工程施工技术领域，特别的涉及一种用于低渗透性土的芯材固化土复合桩的制备方法。

[0002] 固化土与劲性芯材复合的桩是一种应用较为广泛的桩基型式，它是先用固化土桩的制作方法(诸如：深层搅拌桩施工方法、粉喷桩施工方法、高压旋喷桩施工方法等)在地下将水泥等固化剂与原位土就地拌合形成固化土柱状体，即固化土桩；在固化土尚未硬凝之前，将劲性芯材插入该固化土桩中，即形成复合桩，其中，所述劲性芯材包括但不限于混凝土或钢筋混凝土材料的不排土桩、钢管底端封闭的不排土桩、木桩等；所述混凝土或钢筋混凝土材料的不排土桩包括但不限于钢筋混凝土预制桩，预应力钢筋混凝土管桩、沉管灌注桩等。

[0003] 工程实践发现：该复合桩在渗透性比较高的土(如砂质粉土)中应用，或在非饱和土中应用，可以获得其承载力为单用固化土桩与单用钢筋混凝土预制桩等劲性芯材两者承‑4载力之和的2.5倍甚至更高的效果。但是，该复合桩在低渗透性(k﹤1*10 cm/s)的饱和软土中应用，例如淤泥质粘土中应用，其承载力约等于单用固化土桩与单用钢筋混凝土桩等劲性芯材两者承载力之和，甚至更低。

[0004] 经理论分析与试验可知，复合桩在两类土中承载力增量差异如此之大的主要原因是：在钢筋混凝土预制桩等劲性芯材插入固化土桩中时，对其周围的固化土产生很大的侧向挤压力；在此挤压力作用下，对于高渗透性土或非饱和土，固化土中的水可以顺利的向外排出，从而1)提高了固化土的密实度，进而提高了固化土的强度；2)提高了固化土与钢筋混凝土桩等劲性芯材界面的结合力；3)固化土桩外侧的地基土在挤压力的作用下也排水固结提高了强度，进而提高了固化土桩与地基土界面的摩擦力。如此使得复合桩获得很高的承载力增量。但对于低渗透性饱和土，在此挤压力作用下，固化土中的水，在所考虑的时间周期内几乎是不能排出的，从而1)对水饱和的粘性固化土拌合物不能有效提高其密实性，因此不能提高固化土的强度；2)在挤压力作用下，水饱和的粘性固化土拌合物中将产生超孔隙水压力，孔隙水产生外溢趋势，在钢筋混凝土预制桩等劲性芯材和固化土界面产生水膜；而水膜的形成减弱了钢筋混凝土预制桩等劲性芯材和固化土界面的结合力。由于上述两个原因，不能充分发挥钢筋混凝土预制桩等劲性芯材和固化土桩共同工作的能力，因而未能实现承载力1+1>2的目的。为解决在低渗透性土中复合桩承载力增加幅度不高问题，基于上述原因分析，本发明提出了一种利用吸水固化剂制作劲性芯材固化土复合桩的方法。

[0028] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。

[0029] 本发明的具体实施方式提供了一种用于低渗透性土的芯材固化土复合桩的制备方法，具体包括如下步骤：

[0030] S1、制备吸水固化剂：配制吸水固化剂得到吸水率为10‑45％和胀固比为5‑70％的固化剂；

[0031] S2、将步骤S1制得的吸水固化剂以干粉的形式与拟制桩处的泥土原位拌合得到固化土桩并静置适当时间使固化土的含水率降低；

[0032] S3、静置结束后将芯材插入固化土桩中，即得到用于低渗透性土的芯材固化土复合桩。

[0033] 本发明采用上述组分，由于吸水后的石灰和石膏与含活性铝材料粉体反应产生钙矾石类膨胀水化产物，钙矾石在形成过程，需要结合32个结晶水，同时产生固相体积膨胀，固相体积膨胀约一倍；由此对复合桩将产生如下作用：1)膨胀水化物的形成过程，吸收固化土中的液态水将其转变为固态水；这将降低固化土中的液态水量，并产生负的孔隙水压力，由此进一步减薄钢筋混凝土桩等劲性芯材和固化土界面存在的水膜；2)通过膨胀水化物体积膨胀填充固化土中的孔隙和其固相水化物形成骨架网络，使固化土强度大幅提高；3)膨胀水化物形成并膨胀的过程在钢筋混凝土桩等劲性芯材和固化土界面进一步产生二次挤压力，水膜的减薄和膨胀压力的挤压，将增强钢筋混凝土桩等劲性芯材与固化土界面的结合力。此后，剩余的石灰和石膏与活性材料反应，在被挤压密实的固化土混合料中生成水化硅酸钙等胶凝性水化物，使的固化土强度显著提高。

[0034] 上文中，所谓钙矾石类水化物是指包括高硫型水化硫铝酸钙、低硫型水化硫铝酸钙、水化氯铝酸钙、水化碳铝酸钙等以及其晶格中部分离子被其它离子取代置换得到的一类水化产物；而各种水化物又可以以多种方式生成。这些水化产物在形成过程吸收大量的水分，并将其转化为水化产物中的固态的结晶水。以高硫型水化硫铝酸钙为例，其反应化学式包括但不限于如下：

[0035] C3A+3(CaSO4·2H2O)+26H2O＝3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O  (1)

[0036] C2A+3(CaSO4·2H2O)+Ca(OH)2+25H2O＝3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O  (2)[0037] CA+3(CaSO4·2H2O)+2Ca(OH)2+24H2O＝3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O  (3)[0038] 4CaO·3Al2O3·CaSO4+8CaSO4+5CaO+96H2O＝3(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)  (4)[0039] Al2O3+3Ca(OH)2+3CaSO4+29H2O＝3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O  (5)

[0040] 2AlO2‑+4OH‑+30H2O+6Ca2++3SO42‑＝3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O  (6)[0041] 2Al3++3SO42‑+6Ca2++12OH‑+26H2O＝3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O  (7)[0042] 由此可知：只要有含活性铝成分、钙成分和硫酸根的合适的物质，在一定的条件下即可生成水化硫铝酸钙。包括但不限于以下组成方式：利用铝酸盐水泥水化产生的水化铝酸钙作为含活性铝材料，再增加适量的氧化钙等钙相和硫酸钙等硫酸盐共同构成；利用硫铝酸盐水泥水化产生的水化硫铝酸钙以及水化产生的水化铝酸钙作为含活性铝材料，再增加适量的氧化钙等钙相和硫酸钙等硫酸盐共同构成。还可以用含有各种有效成分的工业废渣组合：含活性铝成分的废渣+含有氧化钙成分的废渣+含有硫酸盐成分的废渣。例如：聚合铝(如[Al2(OH)nCl6‑n]m、[AL2(OH)n(SO4)3‑n/2]m)或含聚合铝的废渣+含氧化钙或氢氧化钙的废渣(如电石渣)+含硫酸盐的废渣(如磷石膏)以适当配比也可构成水化硫铝酸钙；含活性氧化铝的废渣(如经预水化和煅烧工艺处理后的粉煤灰、煅烧煤矸石等)+含氧化钙或氢氧化钙的废渣(如电石渣)+含硫酸盐的废渣(如脱硫石膏)以适当配比即构成水化硫铝酸钙；含有活性铝酸钙的冶炼渣(如精炼钢渣)+含氧化钙(如电石渣)+脱硫石膏以适当配比也可构成水化硫铝酸钙。含有明矾石粉(KAl(SO4)2·12H2O)+含氧化钙或氢氧化钙的废渣(如电石渣)+石膏也可构成水化硫铝酸钙。

[0043] 由于膨胀组分的组成型式多种多样，各膨胀组分中的各组成成分的有效含量各不一样，因此达到相同膨胀量所需质量也就各不相同。所述的“固化剂中膨胀组分占固化剂总质量的比例(胀固比)”是指：膨胀组分中的各有效成分中，用于生成膨胀性水化物的有效含量占固化剂总质量的比例。以钙矾石类膨胀组分的高硫型水化硫铝酸钙为例，所述的胀固比是指：按反应式(1)～(4)，膨胀组分中的各有效成分，折合成C3A、C2A、CA、CaSO4、CaO，用于生成钙钒石的有效含量占固化剂总质量的比例；或按反应式(5)，膨胀组分中的各有效成分，折合成CaO、Al2O3、CaSO4，用于生成钙钒石的有效含量占固化剂总质量的比例；或按反应2+ 2— ‑ ‑ 3+
式(6)～(7)，膨胀组分中的各有效成分，折合成Ca 、SO4 、OH、AlO2或Al ，用于生成钙钒石的有效含量占固化剂总质量的比例。

[0044] 以硫铝酸盐水泥为基础的膨胀组分，矿渣+无水石灰+吸水石膏+硫铝酸盐水泥组合固化剂型式为例：设固化剂中矿渣质量为M1，硫铝酸盐水泥质量为M2＝0.5M1，石膏质量为M3＝0.25M1,石灰质量为M4＝0.5M1。硫铝酸盐水泥中4CaO·3Al2O3·CaSO4质量占比为40％M2，CaSO4质量占比为15％M2；因在本固化剂体系中，矿渣水化速率相对较低，若矿渣水化产生的含铝相也形成高硫型水化硫铝酸钙会产生不良效果，需限制矿渣中的铝相物质水化成为水化硫铝酸钙。为充分利用硫铝酸盐水泥中的铝相物质，而不考虑矿渣中的铝相物质作为固化剂的膨胀组分，通过石膏和石灰的掺入量控制最终的水化产物。设最终形成高硫型水化硫铝酸钙，根据钙钒石生成反应式(4),则至少需要(另外)加入吸水石膏0.5M2＝0.25M1 g，无水石灰0.17M2＝0.085M1g。则所述的胀固比是：

[0045] [(0.4M2(4CaO·3Al2O3·CaSO4)+(0.65M2‑0.15M2)CaSO4+0.17M2CaO)/(M1+M2+M3+M4)]＝23.8％

[0046] 所述将无水石灰粉、吸水石膏粉、含活性铝材料粉与活性材料粉按适当比例混合构成的吸水固化剂，在实际的工程应用中，受材料资源等方面的影响，可以用熟石灰粉或主要含Ca(OH)2的废渣(如电石渣)部分或全部替代无水石灰；也可以用生石膏粉或主要含CaSO4·2H2O的废渣(如脱硫石膏、磷石膏等工业废石膏)部分或全部替代吸水石膏。

[0047] 所述将无水石灰粉、吸水石膏粉、含活性铝材料粉与活性材料粉按适当比例混合构成的吸水固化剂，在实际的工程应用中，受材料资源等方面的影响，或拟固化的土质的渗透性不是非常低、塑性指数不是非常高(Ip15～20)，或拟固化土的稠度即液性指数不是非常高(Il在1附近)，也可以不掺加活性铝材料，此种情况就没有钙矾石的作用。

[0048] 所述将无水石灰粉、吸水石膏粉、含活性铝材料粉与活性材料粉按适当比例混合构成的吸水固化剂，在实际的工程应用中，受材料资源等方面的影响，或拟固化的土质的渗透性不是非常低、塑性指数不是非常高(Ip15～20)，或拟固化土的稠度即液性指数不是非常高(Il在1附近)，也可以不掺加吸水石膏和活性铝材料，此种情况就没有钙矾石的作用。

[0049] 在具体实施方式中，步骤S1中，无水石灰粉为生石灰粉和/或含活性氧化钙的煅烧产物。

[0050] 在具体实施方式中，含活性氧化钙的煅烧产物的制备方法如下：取含氢氧化钙的废渣，经过600‑980℃煅烧30‑180min后得到，且所述含活性氧化钙的煅烧产物的吸水率为20‑32％。

[0051] 在具体实施方式中，所述含活性氧化钙的煅烧产物的制备方法如下：取含碳酸钙的废渣，经过900‑1200℃煅烧60‑150min后得到，且所述含活性氧化钙的煅烧产物的吸水率为15‑30％。

[0052] 在具体实施方式中，所述步骤S1中，吸水石膏粉采用主要成分为CaSO4·0.5H2O和/或活性CaSO4的材料，且所述吸水石膏粉的吸水率为15‑25％。

[0053] 在具体实施方式中，所述吸水石膏粉的制备方法如下：取生石膏或以硫酸钙为主要成分的废渣，经过100‑500℃煅烧30‑150min后得到。

[0054] 在具体实施方式中，所述步骤S1中，含活性铝材料的粉体选自铝酸盐水泥粉体、硫铝酸盐水泥粉体、明矾石粉体、铝酸钙粉体、聚合铝粉体中的至少一种。

[0055] 在具体实施方式中，所述步骤S1中，活性材料粉选自高炉矿渣、煅烧煤矸石、流化床粉煤灰、煅烧高岭土和煅烧硅藻土中的至少一种，且所述活性材料粉的比表面积≥2
300m/kg。

[0056] 在具体实施方式中，所述固化剂有多种组合配比，具体比例如下：

[0057] ①所述固化剂组分为无水石灰粉、吸水石膏粉、含活性铝材料粉体以及胶结材料粉的质量配比为：5‑40％：30‑45％：5‑20％：45‑60％；

[0058] 其中无水石灰粉可由熟石灰或主要含Ca(OH)2的废渣(如电石渣)全部或部分替代；吸水石膏粉可由生石膏粉或主要含CaSO4·2H2O的废渣(如脱硫石膏、磷石膏等工业废石膏)全部或部分替代。

[0059] ②所述固化剂组分为无水石灰粉、吸水石膏粉及胶结材料粉时，各组分配比调整为10‑40％：20‑40％：50‑70％；

[0060] 其中无水石灰粉可由熟石灰或主要含Ca(OH)2的废渣(如电石渣)部分替代；吸水石膏粉可由生石膏粉或主要含CaSO4·2H2O的废渣(如脱硫石膏、磷石膏等工业废石膏)部分替代。但不得将吸水固化剂中的无水石灰、吸水石膏全部替换为熟石灰粉或主要含Ca(OH)2的废渣和生石膏粉或主要含CaSO4·2H2O的废渣，以保证该吸水固化剂具有足够的吸水能力。

[0061] ③所述固化剂组分为无水石灰粉和胶结材料粉时，各组分之间比例为10％‑50％：50‑90％；

[0062] 在具体实施方式中，所述步骤S2中，固化剂以干粉形式与拟制桩处的泥土原位拌合，且固化剂的干质量与拟固化土体湿质量之比为(1‑8):20

[0063] 在具体实施方式中，所述步骤S2中，静置的时间为0.5‑12h。

[0064] 在具体实施方式中，制作固化土桩的泥土为饱和软土，且其渗透系数k﹤1*10‑4cm/s[0065] 以下结合具体实施例对本发明的技术效果进行说明。

[0066] 某工程场地地基土的性质指标见表1；在该现场分别采用①以普通硅酸盐水泥为固化剂的常规劲性芯材复合桩和②对比文献1所述的以含膨胀组分固化剂的高膨胀性固化土与劲性芯材复合桩、③采用本发明的以无水石灰和吸水石膏构成的含膨胀组分固化剂的高膨胀性固化土与劲性芯材复合的复合桩、以及④仅由无水石灰、吸水石膏和活性材料构成的固化剂的劲芯固化土复合桩，进行对比试验。其中劲性芯材采用直径600mm的预制钢筋砼桩，桩身砼强度等级为C30，砼桩有效桩长24m；固化土桩直径1m、长度12m；复合桩芯桩比为0.36。固化土桩采用多层互剪固化剂粉体输入的粉喷桩施工方法，固化土桩的固化剂干质量与拟固化土的湿质量之比为1：6.7。

[0067] 表1地基土性质指标

[0068]含水率(％) 64.7 塑性指数 21.2
3
土的重度(kN/m) 15.5 液性指数 1.53
‑7
孔隙比 1.875 渗透系数(cm/s) 1.5×10

[0069] 所述复合桩采用如下方法制作：

[0070] 1、固化剂配比

[0071] ①常规复合桩固化剂采用PO42.5普通硅酸盐水泥

[0072] ②对比文献1的固化剂：根据土性进行含有膨胀组分的固化剂配比，以高铝水泥为基础的膨胀组分，矿渣+高铝水泥+石膏+电石渣组合固化剂型式为例：矿渣47％、高铝水泥9％、石膏39％、电石渣5％。

[0073] ③本发明采用的固化剂A：矿渣48％、高铝水泥9％、吸水石膏38％、无水石灰5％。

[0074] ④本发明采用的固化剂B：无水石灰10％、吸水石膏24％、矿粉66％。

[0075] 本发明的吸水固化剂，采用某乙炔气生产厂产出的电石渣经850℃‑90min高温煅烧脱水制得可溶性无水石灰粉(其吸水率28％)；吸水石膏采用磷石膏经300℃‑150min高温煅烧脱水制得可溶性吸水石膏粉(其吸水率25％)，细度400目的矿渣粉。

[0076] 试验表明：采用无水石灰、吸水石膏、高铝水泥和矿渣与土拌合24h时固化土几乎没有强度；采用无水石灰、吸水石膏和矿渣与土拌合24h时固化土几乎没有强度。

[0077] 2、施工工艺

[0078] 2.1、施工准备：根据施工图进行桩位放样，将搅拌钻机、喷粉机、空压机、静力压桩及等设备组装并调试；确保设备运行正常，调整钻杆垂直度不大于0.5％；精准放样平面误差不超过5cm。

[0079] 2.2、干粉制备：将按照设计配比已混拌均匀的固化剂进行重量计量后，放入喷粉机中。

[0080] 2.3、固化土桩施工：

[0081] 按设计的钻杆下钻速度、提升速度、拌合速度、单位喷粉量、桩长、成桩时间、复搅次数等参数边拌合喷粉边提升钻杆，至桩顶以上50cm复搅喷粉拌合，最后提杆至地面。钻进过程中实时监控各施工参数。

[0082] 3、芯桩施工：①、②两种情况预制钢筋砼桩在固化土桩施工完成后6h内进行插入施工，③、④两种情况预制钢筋砼桩在固化土桩施工完成后12h后进行插入施工。将预制钢筋砼桩吊起，对准固化土桩中心垂直插入至设计标高，即完成复合固化土桩施工。

[0083] 3、试验结果

[0084] 本试验分别对①、②、③、④的复合桩进行了足尺载荷试验，极限承载力试验结果如下：

[0085] ①极限荷载为3300kN；

[0086] ②极限荷载为3950kN；

[0087] ③极限荷载为4250kN；

[0088] ④极限荷载为3600kN；

[0089] 虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。