1.本发明涉及建筑施工技术领域，具体涉及一种地质聚合物加固软土地基的施工方法。
背景技术：
2.目前我国每年二氧化碳的排放总量超过100亿吨，其中，建筑材料生产过程中的co2排放量与废弃物占据了很大一部分，因此，对于新型低能耗低排放的建筑材料的探索与研发已成为我国当今研究的重点。
3.在目前软土地基原位加固方案中，常以cfg桩(cement fly-ash gravel的缩写，即水泥粉煤灰碎石桩)、粒料桩为主；cfg桩需要使用水泥，而水泥的生产耗能极大；粒料桩需要使用砂石集料，而砂石集料属于不可再生资源。二者都不利于环境保护，且经常出现断桩、强度低于设计值的情况。
4.因此提出一种有效利用工业废渣和建筑垃圾加固地基、又能减少环境污染的施工方法十分有必要。
技术实现要素：
5.为克服现有技术所存在的缺陷，现提供一种地质聚合物加固软土地基的施工方法，以解决现有的软土地基原位加固方法不利于环境保护，且强度低的问题。
6.为实现上述目的，提供一种地质聚合物加固软土地基的施工方法，包括以下步骤：
7.根据待加固软土地基的地质信息，确定地质聚合物加固桩的桩长和所述地质聚合物加固桩的原料范围、地质聚合物加固设计方案的主要影响因素及其取值区间；
8.根据设计经验公式确定所述地质聚合物加固桩的多组原料组分及其配比；
9.基于所述多组原料组分及其配比进行室内试验及微观分析确定所述多组原料组分的原始最佳掺量；
10.基于所述多组原料组分的原始最佳掺量，现场试验制备实验加固桩并测试所述实验加固桩的原始承载力；
11.建立所述地质聚合物加固桩的多参数、多因素数学模型，并基于所述原始承载力构建所述地质聚合物加固桩的承载力预测公式；
12.基于所述多参数、多因素数学模型和所述承载力预测公式，确定所述地质聚合物加固桩的最优加固方案，所述最优加固方案包括桩基形式、桩径、桩长、桩间距、原材料配合比、水灰比、土料比、搅拌时间、水温；
13.基于所述最优加固方案，于所述待加固软土地基中制备所述地质聚合物加固桩，并采集所述地质聚合物加固桩制备过程中的现场施工数据，所述施工数据包括钻孔速度和拔管速度；
14.基于在多种软土地基中制备地质聚合物加固桩的现场施工数据，构建数学模型以获得不同软土地基中的地质聚合物加固设计方案。
15.进一步的，所述地质信息包括黏土种类、承载力、黏土层厚度及黏土层分布。
16.进一步的，所述根据设计经验公式确定所述地质聚合物加固桩的多组原料组分及其配比的步骤包括利用响应曲面施工方法设计出所述多组原料组分及其配比。
17.进一步的，所述室内试验，包括固化土样试验和地质聚合物浆体试验。
18.进一步的，所述微观分析包括对反应终了时的产物和界面进行微观分析以判断作为硅、铝元素来源加入反应的原材料，在碱性激发剂的作用下生成的产物种类以及所述产物是否具有结构上和耐久性上的稳定性。
19.进一步的，所述承载力预测公式是以所述主要影响因素为变量的单桩承载力回归方程和复合地基承载力回归方程。
20.本发明的有益效果在于，本发明的地质聚合物加固软土地基的施工方法，能够根据原材料、地基情况动态调整设计方案，采用室内试验+现场试验验证固化土体特性，能够保证地基加固后的承载力处在一个稳定的区间，对地质聚合物加固软土地基提出了系统性的施工方法，同时用于指导软土地基加固施工。
具体实施方式
21.下面结合实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。
22.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本技术。
23.本发明提供了一种地质聚合物加固软土地基的施工方法，包括以下步骤：
24.s1：根据待加固软土地基的地质信息，确定地质聚合物加固桩的桩长和所述地质聚合物加固桩的原料范围、地质聚合物加固设计方案的主要影响因素原料及其取值区间。
25.地质聚合物是以煤系高岭土、粉煤灰、矿物废渣、煤矸石等固体废弃物为原料，生产过程中不使用不可再生的石灰石资源。
26.在本实施例中，首先，根据软土地基的地质勘察情况确定地质聚合物加固桩的桩长、地质聚合物加固桩的可用原材料范围并确定合适的材料配比。然后，利用已有文献结果、单因素实验或本发明的地质聚合物加固设计方案，确定软土地基加固施工方法的主要影响因素原料和取值区间，再利用响应面法设计出不同组分的地质聚合物试验方案。
27.其中，地质信息包括黏土种类、承载力、黏土层厚度及黏土层分布。
28.原料范围包括富含硅、铝元素、且可生成地质聚合物中三维凝胶体的材料，具体包括：矿渣、粉煤灰、废橡胶粉、硅灰、偏高岭土、废弃混凝土、高含铝碱性废液等。
29.单因素实是只对一个因素进行实验，而将其他因素都固定。
30.在本实施例中，地质聚合物加固设计方案的主要影响因素是指设计试验方案的核心指标，起着决定试验成功与否的作用，如矿渣/粉煤灰掺量比、氢氧化钠掺量和水灰比。
31.主要影响因素的取值区间，是指主要影响因素的变化区间，如氢氧化钠掺量一般在原材料质量的10％～20％间变化，小于10％则反应进行不彻底，大于20％则会造成泛碱现象，因此设计氢氧化钠掺量时一般不会超出取值区间。
32.s2：根据设计经验公式确定所述地质聚合物加固桩的多组原料组分及其配比。
33.在本实施例中，通过设计经验公式确定多组原料组分及其配比，是指考虑原料的
成本并根据设计经验公式确定几组原材料组合及各组分比例。
34.较佳的，利用响应曲面施工方法设计出多组原料组分及其配比。其中，响应曲面施工方法是利用合理的试验施工方法并通过实验得到一定数据，采用多元二次回归方程来拟合因素与响应值之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优工艺参数，解决多变量问题的一种统计方法。
35.多组原料组分及其配比，是指不同组分的原材料组合方案，根据主要影响因素和取值区间各自确定的一系列用于寻找最佳掺量并且易于拟合回归曲线的试验。
36.如原料组合方案可以是矿渣+粉煤灰+氢氧化钠，或是矿渣+偏高岭土+硅酸钠，这就是不同组分的原材料组合方案。
37.根据主要影响因素和取值区间确定的一系列试验是指原料之间的组合比例不同，如矿渣：粉煤灰：氢氧化钠＝7:2:1或6.5:2.5:1或7.5:1.5:1，即为3组不同比例的试验。
38.s3：基于所述多组原料组分及其配比进行室内试验及微观分析确定所述多组原料组分的原始最佳掺量。
39.具体的，将多组原料组分按其配比进行室内试验及微观分析，利用试验结果确定地质聚合物及固化土体的性能并研究其反应机理，并初步确定各方案的最佳掺量。
40.在本实施例中，室内试验，包括固化土样试验和地质聚合物浆体试验。
41.具体的，固化土样试验是地质聚合物加水固化扰动土样均匀搅拌后入模养护。3d或7d后，对固化土样进行土体剪切试验或常规三轴压缩试验。
42.地质聚合物浆体试验是地质聚合物加水，均匀搅拌后入模养护。3d或7d后，对地质聚合物浆体进行无侧限压缩试验。
43.微观分析包括对反应终了时的产物(即反应产物)和界面进行微观分析以判断作为硅、铝元素来源加入反应的原材料，在碱性激发剂的作用下生成的产物种类以及所述产物是否具有结构上和耐久性上的稳定性。
44.其中，反应产物分析采用xrd(x射线衍射)试验，界面分析采用sem(扫描电子显微镜)试验。微观分析是后续反应机理研究的有力依据。
45.对于地质聚合物来说，地质聚合物加水后形成浆体，这种浆体经过一段时间固化后，测试其抗压强度、抗折强度，作为不同地质聚合物的强度设计指标。
46.对于固化土体来说，地质聚合物浆体与土壤均匀搅拌形成固化土体，这种土体经过一段时间固化后，测试其抗剪强度，作为不同地质聚合物固化土体的强度设计指标。
47.反应机理是用来描述地质聚合物三维立体网状结构生成所经由的全部基元反应，达到阐述复杂反应的内在联系、描述总反应与基元反应内在联系的目的。研究地质聚合物反应机理是快速建立数学模型的基础。
48.地质聚合物的最佳掺量是根据不同组分的多组试验结果，结合反应机理判断，初步确定各组分下能够取得最高抗剪强度的材料掺量。
49.s4：基于所述多组原料组分的原始最佳掺量，现场试验制备实验加固桩并测试所述实验加固桩的原始承载力。
50.现场试验制备实验加固桩，即原位加固土体试验，与扰动土体不同，此处土体未经取样扰动，因此得到的结果更接近实际。在测试实验加固桩的原始承载力时，是成桩后对桩基进行单桩承载力试验、进行复合地基承载力试验，并对试验结果进行记录获得原始承载
力。
51.s5：建立所述地质聚合物加固桩的多参数、多因素数学模型，并基于所述原始承载力构建所述地质聚合物加固桩的承载力预测公式。
52.多参数、多因素数学模型是考虑多个变量的、存在多因素同时作用的数学模型。结合步骤s3对线性函数、二阶模型，三阶模型进行显著性检验，选用适合的数学模型。
53.根据成桩后对桩基进行单桩承载力试验、进行复合地基承载力试验记录的试验结果，对确定的适合的数学模型进行方差分析、显著性分析，拟合出回归方程；然后对拟合出的回归方程进行误差统计分析，检验数学模型的适用性。
54.在本实施例中，单桩承载力预测公式及复合地基承载力预测公式，即以多个主要影响因素为变量的单桩承载力回归方程及复合地基承载力回归方程。
55.s6：基于所述多参数、多因素数学模型和所述承载力预测公式，确定所述地质聚合物加固桩的最优加固方案，所述最优加固方案包括桩基形式、桩径、桩长、桩间距、原材料配合比、水灰比、土料比、搅拌时间、水温。
56.具体的，利用回归方程(单桩承载力预测公式及复合地基承载力预测公式)，计算出的既满足地基承载力要求又经济适用的最优加固方案。最优加固方案应包括但不限于桩基形式、桩径、桩长、桩间距、原材料配合比、水灰比、土料比、搅拌时间、水温。其中，桩基形式可以是搅拌桩，也可以是螺杆桩。
57.s7：基于所述最优加固方案，于所述待加固软土地基中制备所述地质聚合物加固桩，并采集所述地质聚合物加固桩制备过程中的现场施工数据，所述施工数据包括钻孔速度和拔管速度。
58.基于最优加固方案，进行现场施工，机具选择长螺旋钻机、三轴搅拌桩机等钻孔搅拌机械，钻孔至设计深度，核查地质资料，泵送地质聚合物混合料，钻杆内充满混合料后开始拔管直至桩顶，拔管速度符合工艺试验标准，投料量不得小于单位土体的最佳掺量。采集现场施工数据和施工中存在的问题。
59.设计深度是指根据软土地基的地质勘察情况确定的，将搅拌桩桩底置于具有持载能力的土层深度。
60.核查地质资料是核查勘察资料是否真实，若与实际情况有偏差应及时对最优加固方案进行变更。
61.地质聚合物混合料是根据最优加固方案将地质聚合物固体料与水混合均匀搅拌得到的混合浆体。
62.地质聚合物固体料是将硅铝原材料与激发剂按照一定比例进行搅拌得到的固体混合料，便于储存和运输。现场加水后可形成地质聚合物浆料，十分方便。
63.工艺试验标准是在大面积施工前，选择相同地质条件的软土地基进行小规模工艺试验，以确定最优的施工工艺参数。
64.单位土体的最佳掺量是最优加固方案确定的土料比，即土体与混合料的质量比。
65.现场施工数据，是指实测参数，包括但不限于桩位偏差、垂直度偏差、钻孔速度、拔管速度、真实孔径、真实孔深。
66.施工中存在的问题是当前试验方案中不利于施工的问题，如存在泛碱问题、拔管困难等。其中，泛碱问题是指原材料中碱含量过高导致的土体泛白，拔管困难是指搅拌杆拔
出时速度较慢，明显低于钻孔速度。
67.s8：基于在多种软土地基中制备地质聚合物加固桩的现场施工数据，构建数学模型以获得不同软土地基中的地质聚合物加固设计方案。
68.具体的，根据现场试验结果，对原试验方案确定的主要影响因素和取值范围进行优化。待不同软土地基的现场施工数据累积到足够形成相关性大于95％的数学模型时，构建针对不同软土地基的地质聚合物加固设计方案，并动态调整以便于进行后续软土地基方案设计。
69.本发明最终构建的针对不同软土地基的地质聚合物加固设计方案，是利用软土地基的主要勘察指标，将软土地基指标代入该方案在以拟合出的回归曲线，计算出不同类别软土地基的地质聚合物加固方案，并提供完整的计算依据和经验数据作为支撑。
70.本发明的地质聚合物加固软土地基的施工方法，能够根据原材料、地基情况动态调整设计方案，采用室内试验+现场试验验证固化土体特性，能够保证地基加固后的承载力处在一个稳定的区间，对地质聚合物加固软土地基提出了系统性的施工方法，同时用于指导软土地基加固施工。
71.本发明的地质聚合物加固软土地基的施工方法，充分利用工业废渣和建筑垃圾，现场加水搅拌即可用于施工，代替传统地基加固方法中以cfg桩、粒料桩为代表的资源消耗型加固方法。
72.本发明的地质聚合物加固软土地基的施工方法，利用地质聚合物加固桩提高软土地基加固的早期强度，根据加固设计方案实现地基承载力预测，有助于保障地基承载力，缩短施工间隔，减少人工及时间浪费，保障了地基加固的施工质量。
73.本发明的地质聚合物加固软土地基的施工方法应用于各类软土地基加固，可为软土地基加固提供设计及经验保障，准确评估软土地基的承载力并设计出最优的地质聚合物加固方案，提高软土地基的施工质量，降低无效成本。
74.以上描述仅为本技术的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本技术中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本技术中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。