搅拌桩技术现状及其可持续发展.doc

搅拌桩技术现状及其可持续发展易耀林1, 2，卿学文1，刘松玉1，杜广印1（1东南大学交通学院，江苏 南京 210096；阿尔伯塔大学土木与环境工程系，加拿大 埃德蒙顿 T6G 2W2）摘要：从可持续发展的角度出发，回顾了搅拌桩技术的发展历史和加固机理，分析了现有搅拌桩技术的主要问题，并提出了相应的对策和进展。搅拌桩技术是国内外应用最广泛的地基处理方法之一，但是以波特兰水泥为固化剂的传统搅拌桩技术已经不能适应可持续发展的需要，主要表现为高能耗、高CO2排放和不可再生资源消耗。针对该问题，可以从三个方面进行改进：（1）以工业副产品/废料替代波特兰水泥作为搅拌桩固化剂；（2）研发低能耗、低CO2排放、可循环利用的新型固化剂/固化方法；（3）对现行搅拌桩施工技术和设计理论进行改进和优化，研发新设备、新工艺和新桩型，以提高搅拌桩加固效率，减少水泥使用量。关键词：地基处理；可持续发展；综述；搅拌桩； CO2排放；能耗中图分类号：TU472 文献标识码：A 文章编号：D14-0061作者简介：易耀林（1982-），男，湖南洪江人，博士后，从事岩土工程研究，E-mail: yaolinualberta.ca。State of art in deep mixing method and its sustainability YI Yao-lin1, 2, QING Xue-wen1, LIU Song-yu1, DU Guang-yin1(1 School of Transportation, Southeast University, Nanjing, 210096, China; Department of Civil and Environmental Engineering, University of Alberta, Edmonton, Canada, T6G 2W2)Abstract: The development history and stabilization mechanism of deep mixing method were reviewed, then the main sustainable issues and solving principles are also presented. Deep mixing method is one of the most widely used ground improvement methods worldwide, while Portland cement is the most commonly employed binder. However, there are significant environmental impacts associated with the production of Portland cement in terms of high energy and no-renewable resources consumption as well as CO2 emissions. There are three principles to reduce these impacts: (1) incorporation of industrial by-products/waste in partial or full cement replacement; (2) development of alternative low energy consumption, carbon footprint and recyclable novel cements/method; and (3) improvement of the conventional deep mixing machine, installation method, column structure as well as optimization of the design method.Key words: Ground improvement; sustainability; literature review; deep mixed column; CO2 emission; energy consumption 0 引 言基金项目：十二五国家科技支撑计划项目（2012BAJ01B02-01）；国家自然科学基金项目（51279032）收稿日期：20140521沿海沿江地区是我国经济最发达的地区，也是基础设施建设最密集的地区，随着城市化的发展，城市建筑、交通水利基础设施和地下空间的开发利用日新月异。但是，这些地区都普遍位于软土地区，沿海大部分为淤质海岸（除山东等少数地区外），沉积了不同厚度的软土；沿江往往是冲积或三角洲沉积，广泛分布软土和粉质类土等软弱土层。这些软土具有高含水量、低强度、低渗透性、高压缩性、高灵敏度等特点，给沿海沿江地区工程建设带来了挑战，全球环境保护和现代工程建设需要则对地基处理技术提出了更高的要求1。其中，搅拌桩技术（深层搅拌法）是国内外最常用的地基处理方法之一1。搅拌桩技术是通过特制的深层搅拌机械（搅拌桩机）边钻进边往土体中喷射固化剂（粉体或液体），用搅拌叶片就地将软土和固化剂强制搅拌，通过固化剂和软土之间的物理化学作用，形成强度较高，整体性、水稳性好的固化土柱体（搅拌桩）1。目前，搅拌桩技术在国内外广泛应用于铁路、公路、轨道交通、港口码头、工业与民用建筑、地下空间开发等行业的地基加固中，该技术具有其独特优点1：（1）最大限度地利用了原位土；（2）搅拌施工时环境影响较小，可在密集建筑群中进行施工，对周围原有建筑物及地下沟管影响小；（3）根据上部结构的需要，可灵活地采用不同加固形式；（4）与钢筋混凝土桩等刚性桩相比，造价较低。本文回顾了搅拌桩技术的发展历史，然后从可持续发展的角度出发分析了现有搅拌桩技术的主要问题，并提出了相应的对策和新进展。1 搅拌桩技术发展历史搅拌桩的发展历史可追溯到1824年英国建筑工人Aspdin制造出波特兰水泥并取得专利，利用PC灌浆止水或利用PC与土拌合作为土木工程材料应用于工程建设，但主要是作为浅层处理，真正用于地基加固则始于1954年美国开发成功就地搅拌桩技术，其后在日本、北欧得到成功实施并快速发展2-4。1967年，瑞典BPA公司的KJELD PAUS提出将生石灰粉与粘土原位搅拌的地基加固方法，这标志着粉体喷搅技术的诞生。1971年瑞典的LINDEN-ALIMAT公司根据KJELD PAUS的研究成果，进行第一次石灰桩现场试验，1974年该技术正式取得专利，并进入工程实践3。1967年，日本的运输省港湾技术研究所开始研制用于石灰搅拌桩的有关机械，1974年，开始在软土加固工程中进行应用4。70年代后，水泥逐渐（全部或部分）取代石灰，并发展成两种工法：粉喷搅拌桩（干法）和浆喷搅拌桩（湿法），二者统称为水泥搅拌桩。我国于1978年由冶金部建筑研究总院和交通部水运规划设计院等研制出了第一台双轴中心管输浆的搅拌桩机械，1980年交通部第一航务工程局科研所等开发出了单轴搅拌叶片输浆型搅拌机，其后水泥土搅拌桩技术在全国得到了迅速推广应用，1991年冶金工业部颁发了软土地基深层搅拌加固法技术规程（YBJ225-91），1992年、2003、2012年建设部颁发的建筑地基处理技术规范（JGJ79-91）、（JGJ79-2002）、（JGJ79-2012）中均对水泥土搅拌桩技术应用进行了较详细的规定，促进了该技术的应用发展。目前，水泥土搅拌桩已经成为我国应用最为广泛的地基处理技术之一，特别是被广泛应用于高速公路工程中的软弱地基处理，以增加地基承载力、减小地基沉降和不均匀沉降、提高路堤稳定性。近十几年来，国内外都对泥搅拌桩技术进行了进一步的研究改进和完善。20世纪90年代末，美国联邦公路局出版了关于全球深层搅拌法新进展的专著5，并推出了国家深层搅拌研究计划6；日本近年来成功研制出了多种新的水泥土搅拌桩技术7，包括直径达1.51.6 m的大直径水泥土搅拌桩、高强度水泥土搅拌桩、紧凑型施工机械等；瑞典GUNTHER et al. (2004)8结合粉喷桩和湿喷桩的优点，提出了改进的粉喷桩法；芬兰YIT建筑有限公司则开发出了整体搅拌加固技术，用于大面积浅层软土加固9。国内学者和工程单位从设计理论和施工技术等方面进行了大量研究11011，揭示了搅拌桩复合地基的破坏机理、有效加固深度、垫层的刚度效应、扰动影响规律等；近年还开发出了长板短桩工法12、排水粉喷桩技术13、双向搅拌桩14和钉形搅拌桩技术15，大大提高了我国搅拌桩技术水平。2 传统搅拌桩固化剂加固机理2.1 石灰土加固机理生石灰（CaO）是早期的搅拌桩固化剂34。生石灰由石灰石（主要成分为CaCO3）经过煅烧、分解而成。石灰窑的煅烧温度约为9001000C，生产1吨CaO，需要消耗约1.8吨CaCO3，同时产生约0.79吨CO2，该过程能耗约3185 MJ16。生石灰的土体固化机理主要包括以下3种反应：水化反应、离子交换和火山灰反应17。当CaO和土进行搅拌，CaO与土体中的水分立即发生水化反应，CaO水解生成Ca2+和OH-离子，当离子溶度饱和以后，便沉淀出氢氧化钙（Ca(OH)2）。生成的Ca(OH)2晶体为正六边形片状晶体，其物理胶结能力很弱。生石灰的水化反应非常迅速和剧烈，该反应消耗约1/3生石灰质量的水分，降低土体中的含水率，该反应还产生大量的热量，也会降低土体的含水率。CaO变成Ca(OH)2，固体体积会增大约1倍，从而有效填充土体的孔隙，致密固化土结构。同时，土中孔隙水的Ca2+离子将与粘土颗粒表面的正离子（Na+、K+等）进行离子交换，该作用将压缩土颗粒的双电层厚度，促使较小的土颗粒形成较大的土团粒（凝聚作用），从而使土体强度提高。Ca(OH)2的生成将大大提高土体的pH值，在高OH-浓度的环境下，粘土矿物中的Si、Al等将溶解到孔隙水中，并与其中的Ca2+和OH-离子反应，生成水化硅酸钙（CSH）、水化铝酸钙（CAH）和水化硅铝酸钙（CASH）等水化产物，该反应即火山灰反应17。这些水化产物不仅能有效填充土体的孔隙，而且具有很强的物理胶结能力，可以很好地将土颗粒包裹、连接起来，火山灰反应是石灰固化土的长期强度和主要强度来源。另外，当石灰固化土暴露在空气中时，其中的Ca(OH)2会与空气中的CO2发生碳化反应，生成CaCO3。不过该反应会降低固化土孔隙水的pH值，造成CSH等水化产物的分解，降低固化土强度，所以碳化反应对石灰固化土强度的影响存在较大争议18。2.2 水泥固化机理由于石灰固化土的主要水化产物是Ca(OH)2，火山灰反应生成的CSH、CAH和CASH等水化产物数量较少，生石灰固化时间长、强度不高，除少数国家地区外，全世界广泛采用波特兰水泥作为搅拌桩固化剂34。波特兰水泥1824年由英国建筑工人J.ASPDIN发明，在不到200年的时间里，它已经成为全世界最主要的建筑材料16。波特兰水泥是由水泥熟料添加少量石膏以及其他混合材料共同磨细而成的。水泥熟料主要是由石灰石和粘土经过高温煅烧形成的，生产1吨水泥熟料需要消耗约1.5吨石灰石和粘土、0.14吨煤炭，释放CO2约0.95吨，能耗约5000 MJ21。波特兰水泥的土体固化机理也可以像生石灰一样分成三种反应17：水化反应，离子交换和火山灰反应。波特兰水泥熟料的主要成分为C3S、C2S、C3A、C4AF（C、S、A、F分别代表CaO、SiO2、Al2O3、Fe3O4），它们的主要水化产物主要为CSH、CAH、CASH和Ca(OH)2，前三者是水泥土的主要胶结物质，由于它们的生成数量和速率远高于石灰和粘土矿物的火山灰反应，所以水泥土强度远远高于石灰土。另外，水泥中常常添加少量的石膏(CaSO4)，从而导致生成水化硫铝酸钙、水化硫铁酸钙（由于石膏掺量较少，多为单硫型水化硫铝（铁）酸钙，即AFm），还可能有钙矾石（AFt），这些水化产物有效降低土体含水率，并填充土体孔隙。图1为典型的波特兰水泥水化产物的SEM照片，从中可以明显看到正六边形片状Ca(OH)2晶体，无定形的CSH胶凝以及针状AFt晶体。图1 典型的波特兰水泥水化产物SEM照片16Fig.1 Typical SEM image of PC hydration products16另外，水泥水化生成的Ca(OH)2会像石灰固化土机理一样，参与离子交换和火山灰反应，后者同样会生成CSH、CAH、CASH，由于该反应速率和程度均明显低于水泥的水化反应，故主要对水泥土的长期强度产生贡献19，剩余的Ca(OH)2会以晶体的形态单独沉淀下来18。3 可持续发展问题的提出随着我国综合实力的提高，环境保护、节能减排和可持续发展已经提上了日程，中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年（2011-2015年）规划纲要第一篇第一章即是发展环境，并制定了节能减排的总目标：非化石能源占一次能源消费比重要达到11.4%，单位国内生产总值能源消耗要降低16%，单位国内生产总值CO2排放降低17%。搅拌桩技术自发明以来，经过几十年的发展，在施工机械设备和设计理论等方面均取得了长足的进步，但是以波特兰水泥为固化剂的搅拌桩技术不能适应可持续发展的需要，主要存在下列问题：（1）资源和能源消耗严重。PC熟料20在生产过程中需要高温煅烧，煅烧温度约为1450C，需耗费大量的能源，是自然资源和能源消耗的大户。生产1吨PC熟料需要消耗约1.5吨石灰石和粘土等不可再生资源，耗能约5000 MJ21（主要来自煤炭等化石原料，不可再生），该过程为不可逆的过程，即不可持续。中国的水泥产量已经连续20多年名列世界第一。（2）CO2排放和大气污染严重。PC生产过程中会释放出大量的CO2，生产1吨PC需向大气排放约0.95吨CO221，水泥工业排放的CO2占世界人为排放CO2的57%左右22，我国1995年至2010年水泥工业累计排放CO2 75亿吨，占全世界排放量的一半左右。除了CO2之外，在水泥的生产过程中，还有大量的粉尘、烟尘以及SO2、氮氧化物、氟气等有毒气体排入大气中，对环境造成很大的污染。4 对策与发展方向为了减少使用PC作为搅拌桩固化剂带来的环境影响，主要可以从三个方面进行改进：（1）以工业副产品/废料代替作为搅拌桩固化剂；（2）开发低能耗、低CO2排放、易于回收进行循环利用的新型搅拌桩固化剂/固化方法；（3）对现行搅拌桩施工技术和复合地基设计理论进行改进和优化，研发新设备、新工艺和新桩型，以提高搅拌桩加固效率，减少水泥使用量。另外，（1）、（2）可以与（3）进行联合使用。4.1 基于工业副产品/废料的搅拌桩固化剂为了减少使用波特兰水泥作为土体固化剂带来的环境影响，近十几年来，国内外对利用工业副产品或工业废料作为土体固化剂进行了广泛研究。MILLER & AZADB (2000)23研究了水泥窑灰作为土体固化剂的可行性及其影响因素；KOLIAS et al. (2005)23将高钙粉煤灰添加到水泥中用以固化粘土；GOSWAMI & MAHANTA (2007)25用粉煤灰和熟石灰的混合物固化残积红壤；HOSSAIN & MOL (2011)26分析了不同掺量的水泥窑灰和火山灰固化粘土的工程性质。我国北京航空航天大学的黄新教授课题组27对利用工业废渣固化软土的进行了长期研究，取得了丰富成果；庄心善和王功勋27对粉煤灰、炉渣等工业废料在岩土工程领域中的运用背景及作用机理等作了探讨；方祥位等29则提出了一种以高钙灰和脱硫石膏为主，辅以生石灰、水泥、熟石膏、硫酸铝及明矾石等成分的GT型土体固化剂。笔者在剑桥大学学习期间尝试了以活性氧化镁（MgO）激发粒化高炉矿渣微粉（GGBS）作为搅拌桩固化剂30-32，并申请了专利33，结果发现合适配比的GGBS-MgO固化土的90d无侧限抗压强度能达到相同掺量波特兰水泥固化土的1.53倍。高炉矿渣是从炼铁高炉中排出的，以硅酸盐和铝酸盐为主要成分的熔融物，主要成分为CaO、SiO2和Al2O3等，即与波特兰水泥中的主要氧化物成分一致。高炉矿渣经淬冷成粒后粉磨所得的粉体材料，即为激发粒化高炉矿渣微粉（GGBS），它以无定形的玻璃体结构为主，含少量的结晶型矿物。生产一吨GGBS的能耗为1300 MJ，引起的CO2排放量为0.07吨21，该数值显著小于水泥熟料的生产过程（5000 MJ能耗，0.95吨CO2），而且该过程几乎不需要从自然界额外获取不可再生资源，并处理了一吨多工业废渣，因而是一种典型的绿色固化剂，且价格低于水泥。研究结果34表明：采用GGBS-MgO作为搅拌桩固化剂可以减少约40%的固化剂成本，75%的能耗，73%的CO2排放，82%的不可再生资源消耗，另外MgO的煅烧可以采用绿色能源而不一定需要消耗煤炭等化石能源，GGBS生产还解决了工业废渣的堆放和环境问题。3.2 新型搅拌桩固化剂及固化方法由于工业副产品/废料存在区域性，只能在一定程度上替代波特兰水泥作为搅拌桩固化剂，最好开发新型低能耗、低CO2排放、易于回收进行循环利用的新型搅拌桩固化剂/固化方法。笔者在剑桥大学学习期间首次提出了碳化搅拌桩技术35，该技术的基本原理是以活性MgO作为土体固化剂，将土体与活性MgO充分搅拌混合后，然后施加一定压力的CO2气体对搅拌土进行碳化，通过MgO-H2O-CO2之间的快速反应达到快速降低土体含水量、减小土体孔隙率和提高土体强度的目的，同时吸收大量的CO2气体将其固化在土体中，以抵消MgO煅烧生产过程释放的CO2。YI et al. （2013a）3637首先在室内试验室通过三轴碳化装置进行了土体碳化固化的可行性试验，结果表明，活性MgO固化砂土能在3-6小时内完成碳化，碳化完成后的无侧限抗压强度能达到或超过相同配比养护28天的波特兰水泥固化土，电镜扫描（SEM）结果显示，碳化反应的主要产物为MgCO33H2O，见图2。随后，YI et al. (2013b) 38利用室内模型桩机对碳化搅拌桩施工技术进行了研究，取得了成功。图3 碳化MgO固化土的SEM照片36Fig.3 SEM image of carbonated MgO stabilized soil362012年，东南大学岩土工程研究所在“十二五”国家科技支撑计划（2012BAJ01B02-01）和国家自然科学基金（51279032）的支持下，联合中国一冶集团在武汉进行了碳化搅拌桩的足尺模型试验，取得了成功，这是国内外第一次在室外进行的碳化搅拌桩技术试验。根据已有的研究成果来看34，碳化搅拌桩可以比波特兰水泥搅拌桩减少约90%的工期，65%的生产能耗，77%的CO2排放。3.3 搅拌桩设备、工艺和设计方法优化对现行搅拌桩施工技术和复合地基设计理论进行改进和优化，研发新设备、新工艺和新桩型，以提高搅拌桩加固效率，减少PC使用量，这同样也能减少搅拌桩工程的CO2排放、能耗和不可再生资源消耗。比如，东南大学岩土工程研究所研发的双向搅拌桩技术、钉形搅拌桩技术15和变截面搅拌桩技术39。研究结果表明34，对于公路软基处理工程，在达到相同处理效果的情况下，钉形（双向）搅拌桩可比传统的等截面（单向）搅拌桩节省1535%的水泥用量，6070%的搅拌桩施工时间，综合工程造价可减少1030%。路堤下钉形搅拌桩复合地基示意图见图3。图3 路堤下钉形搅拌桩复合地基示意图 Fig.3 Illustration of T-shaped deep mixed column columns supported embankment对于成层软弱地基处理39，在达到相同处理效果的情况下，变截面（双向）搅拌桩（见图4）可比传统的等截面（单向）搅拌桩节省越1030%的水泥用量，6065%的搅拌桩施工时间，综合工程造价则可减少1025%。由于减少了水泥使用量，也减少了工程的能耗、CO2排放和不可再生资源消耗34。图4 变截面搅拌桩加固成层软弱地基示意图Fig.4 Illustration of variable diameter deep mixed column improved layered soft ground3 结论搅拌桩技术是国内外应用最广泛的地基处理方法之一，但是以波特兰水泥为固化剂的传统搅拌桩技术已经不能适应可持续发展的需要，主要表现为高能耗、高CO2排放和不可再生资源消耗。针对该问题，可以从三个方面进行改进：（1）以工业副产品/废料作为搅拌桩固化剂；（2）研发低能耗、低CO2排放、易于回收再利用的新型固化剂/固化方法；（3）对现行搅拌桩施工技术和复合地基设计理论进行改进和优化，研发新设备、新工艺和新桩型，以提高搅拌桩加固效率，减少水泥使用量。参考文献：1 刘松玉，钱国超，章定文. 粉喷桩复合地基理论与工程应用M. 北京：中国建筑工业出版社，2006. 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