復合加固劑加固福建軟土力學特性試驗研究

郭磊，李棟偉，安令石

（東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西南昌 330013）

0 引言

軟土層廣泛分布于我國沿海地區， 具有顆粒細小、壓縮性高、孔隙比大、含水率較大等特點[1]。 這些特點導致富含軟土的土層承載能力差、土的流變能力強、極易發生較大規模沉降等不利于工程建設的現象。 我國學者對軟土的加固研究成果較多，包含化學加固、物理加固等方法。 其中化學加固法主要運用水泥、石灰、水玻璃等，根據地域不同和加固要求不同而采用不同的材料[2]。 本文對福建平潭地區的軟土摻入復合加固劑，并進行三軸剪切靜力學試驗，分析在圍壓、養護時間、加固劑摻入量、加固劑配比的變化下，加固后軟土的應力-應變曲線的變化規律， 從而為該地區工程設計提供參考。

1 試驗材料及試驗方案

試驗采用福建省平潭縣公安局附近軟土， 取土深度為10m，土質較軟，顏色為灰色，含有輕微臭味。采用現場測試和室內試驗測試得到的物理力學基礎性質如表1 所示。

由表1 可見， 福建省平潭縣公安局附近的軟土工程性質差，如滿足工程需要，需進行加固處理，試驗采用復合加固劑進行加固。 試驗使用復合加固劑為細水泥和水玻璃的混合物，試驗變量為加固土的圍壓、加固土的養護天數、復合固化劑摻入量、復合固化劑配合比。 本文將分析在上述四個變量下，加固土的應力應變曲線的變化規律。 試驗方案如表2 所示。

表1 福建福州地區淤泥土物理指標

表2 試驗方案

注：試驗方案中，水泥摻入量是指水泥與土的質量之比，水玻璃摻入量指水玻璃和水泥的摻入量之比。 試驗a10 至a13 是研究復合固化劑含量對加固土的影響。

試驗采用的儀器為英國GDS 應力路徑三軸儀，如圖1 所示。

圖1 GDS應力路徑三軸儀

試驗采用的試樣為Φ50mm*100mm 的圓柱形式樣。 試驗前，計算每個式樣所需的干土、水泥、水玻璃和水，其中水的質量按照天然含水率計算所得的質量。 制備式樣時，先將所取軟土進行烘干處理，在干燥的環境內將已烘干土樣碾碎。 然后將碾碎的土和水泥、水玻璃充分混合，再將水與干混物充分混合攪拌均勻，分層裝入Φ50mm*100mm 的三瓣模具內。最后將裝好的式樣放入養護箱中養護。 到達養護時間后，按照GDS 應力路徑三軸儀的標準操作進行三軸剪切試驗。 剪切速率為1mm/min。

2 試驗結果及分析

2.1 圍壓對加固土的影響

試驗分別采用50kPa、75kPa、125kPa 和175kPa 四種圍壓，應力-應變曲線如圖2 所示。

圖2 不同圍壓下應力-應變曲線

根據試驗結果得到不同圍壓下的強度和屈服點應變值，如圖3、圖4 所示。

圖3 強度-圍壓

圖4 屈服點應變值-圍壓

對應力-應變曲線進行分析可知，在一定應變范圍內，不同圍壓的應力應變曲線會有所重合，并且其重合的應變范圍隨著圍壓的增大而急劇減小。 這表明，加固土在一定深度范圍內，其物理力學性質相似，并且外界荷載越小，加固土的物理力學性質相似度越大。 在一定深度范圍內，外力在加固土中能夠傳播并進行擴散，深度越大，影響越小。 即采用復合固化劑加固后的軟土，其物理力學性質依舊與土相似。

根據圖3 和圖4 所示，圍壓從50kPa 增加到175kPa 時，加固軟土的強度從212.53kPa 增加到476.56kPa，強度增加趨勢呈直線型增長。 屈服點應變值則呈現先增加后平緩的變化趨勢。 即在一定范圍內，圍壓越大，屈服點應變值越大；圍壓到達一定程度后，屈服點應變值保持不變。 該試驗表明，圍壓對于加固土的強度依舊是重要的影響因素，圍壓越大，加固土內孔隙越少，含水量越少，加固土越密實，因此加固土強度越大。 同時圍壓越大，加固土在承受外力的作用下其抗破壞性能越強，加固土能在更大的應變下阻止破壞，屈服點應變越大。

2.2 養護時間對加固土的影響

加固劑的主要成分是水泥和水玻璃， 其中水玻璃早期強度高，水泥雖然早期強度低，但是其強度隨著養護時間的增加而增加，因此軟土采用復合加固劑加固時，養護時間對加固土強度有重要的影響。 該試驗采用3d、7d、14d、28d 的養護時間，得到的應力-應變曲線如圖5 所示。

圖5 不同養護時間的應力-應變曲線

根據試驗結果得到不同養護時間下的強度和屈服點應變值如圖6、圖7 所示。

圖6 強度-養護時間

圖7 屈服點應變值-養護天數

試驗結果顯示，加固土在3d 到7d 的強度只增加了1.2%，從7d 到第14d， 強度增加了16.78%， 從14d 到28d， 強度增加了9.62%，加固土強度提升速度先增加后減小。 在反應初期，一方面水玻璃與水反應形成骨架結構，導致加固土內孔隙逐漸變大。 因此，土體的水更容易遷移到加固土內未反應的區域；另一方面水泥-水玻璃與水反應放熱，逐漸加快了加固土內化學反應速度，從而加快強度的提升。 在加固土后期，隨著水和水泥的減少，加固土內參與化學反應的材料減少，生成C-S-H 的速度逐漸減緩，因此強度增加逐漸減緩。

根據圖7 所示，隨著養護時間的增加，加固土屈服點應變值先減小后增加，表明加固土在10d 內的抗破壞能力下降，而在10d后，其抗破壞能力加強。 在前期，加固土隨著反應的進行，雖然形成了骨架結構，但是骨架與骨架之間的粘結力下降，因此，更容易破壞。 而在反應后期，生成的C-S-H 凝膠逐漸加強了骨架與土顆粒的粘結能力，因此，抗破壞能力逐漸增強。

2.3 復合固化劑含量對加固土的影響

試驗分別采用3%、6%、9%和12%的固化劑摻入量， 得到的試驗結果如圖8—圖10 所示。

圖8 不同固化劑的應力應變曲線圖

圖9 強度-固化劑添加量

圖10 屈服點應變值-固化劑添加量

根據試驗結果顯示，固化劑添加越多，加固土強度越高，其強度增加趨勢呈現直線型；屈服點應變值隨著固化劑摻入量的增加而減少；加固土的軟化現象隨著固化劑的增加而更明顯，軟化后的殘余應力隨著固化劑的增加而增加。 這表明，加固劑對加固土的強度提升起著顯著的作用，但是對加固土的抗破壞能力有負面影響。一方面，加固土體在固化劑的增加作用下水分減少，孔隙比減少，加固土更加密實；另一方面，加固土內形成骨架結構，對強度的提升起著主要作用。 同時，加固土內粘聚力減少，因此更容易產生軟化現象。

2.4 水玻璃含量對加固土的影響

試驗采用0、1%、2%和4%含量的水玻璃， 得到的應力-應變曲線如圖11—圖13 所示。

圖11 不同含量水玻璃的應力-應變曲線圖

圖12 強度-水玻璃含量

圖13 屈服點應變值-水玻璃含量

試驗結果顯示，水玻璃含量越多，加固土強度越大，其增長趨勢呈直線型。 屈服點應變值則隨著水玻璃含量的增加而減小，其減小趨勢逐漸減緩。 從應力-應變曲線中看出，當水玻璃的含量逐漸增高，加固土的軟化現象越明顯，加固土體到達屈服點后應力-應變曲線下降越快，但是加固土軟化后的殘余應力增加很少。 這表明，添加水玻璃能顯著增加加固土的強度，但是會減弱加固土抵抗破壞的能力，并且破壞后加固土的承載能力會顯著下降。

水玻璃與水反應產生堿性溶液，軟土中的堿金屬在該溶液中產生相應的二氧化硅鹽和水化硅酸鹽，這兩種產物與水結合產生凝膠狀物質，提高了軟土顆粒之間的膠合力，使得分散的軟土顆粒形成較大的顆粒骨架[3-6]。 同時，水泥與水玻璃發生反應：兩者在水中產生具有一定強度的水化硅酸鈣；水玻璃降低水泥產生的氫氧化鈣濃度，加速了水泥的水化反應[4]。 因此，水玻璃能提高復合固化劑的加固強度。 同時，水玻璃與水泥的反應物使得加固土降低了土體的流動性和粘聚力，使得加固土破壞后，其結構更加不穩定。

水泥和水玻璃在加固土中形成了骨架性結構，承擔了加固土強度提高的主要作用。 水玻璃越多，骨架性結構的強度越高。 但是，骨架性結構一旦破壞，加固土強度會迅速降低。 殘余應力則由破壞后的骨架碎片維持， 水玻璃難以提高破壞后的骨架碎片強度。

3 結論

（1） 對于福建平潭地區軟土，復合固化劑能顯著增加其強度，強度增加趨勢在一定范圍內為直線，能增加其殘余應力值。 但是，復合固化劑會減少加固土屈服點的應變值， 其減少趨勢逐漸減緩。 并且，復合固化劑會加強加固土的軟化現象。

（2） 圍壓越大，加固土的強度越大；在一定圍壓范圍內，圍壓越大，加固土屈服的應變值越大，圍壓增加到一定值時，加固土屈服的應變值幾乎不增加。

（3） 復合加固土的早期強度較高，養護時間可以提升加固土的強度，其增加趨勢為慢—快—慢。 在養護前期，屈服點的應變值減少；養護后期，屈服點的應變值增加。

（4） 水玻璃會提升復合固化劑加固土的強度，降低加固土屈服點的應變值，同時加速加固土的軟化，對殘余應力值的提升無明顯效果。