(福建工程學(xué)院 土木工程學(xué)院， 福建 福州 350118)

福建省廣泛分布軟土地層，其總面積可達(dá)2 500 km2。隨著對軟土開發(fā)和利用的不斷增加，以及軟土的特殊性，在許多工程中會遇到軟土工程問題。

軟土工程地基處理技術(shù)多種多樣。其中，深層攪拌與旋噴是一種得到廣泛應(yīng)用的軟土地基加固方法，且已取得了一定的成果。但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)某些工程加固效果不理想，甚至出現(xiàn)加固失敗的問題[1]。之所以出現(xiàn)這樣的問題，是因為此類軟土中含有一定數(shù)量的有機(jī)質(zhì)，這些有機(jī)質(zhì)影響了水泥的水化反應(yīng)，阻礙了水泥土強(qiáng)度的形成。因此，水泥加固有機(jī)質(zhì)軟土?xí)r摻入一定的外摻擠以改良加固效果成為一種選擇。

國內(nèi)外許多學(xué)者對外摻擠改良水泥加固有機(jī)質(zhì)軟土過程的影響已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。荀勇[2]研究了粉煤灰和磷石膏組合加固一般性質(zhì)軟土的加固效果，發(fā)現(xiàn)可以得到較好的加固作用。潘林有[3]考慮有機(jī)質(zhì)主要成分之一富里酸的影響，選用以早強(qiáng)型為主的外摻擠，以抵抗富里酸的侵蝕并可以調(diào)節(jié)水泥水化硬化速度。劉毅等[4]利用磷石膏與水泥配合加固軟土地基，發(fā)現(xiàn)不同的土質(zhì)加固效果差異很大，因此需采用合適的固化劑配合比及施工工藝來加固軟土地基。李琦等[5]研究了深圳地區(qū)的軟土特征，對加固軟土地基時采用不同的添加劑、添加量進(jìn)行了加固土、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的對比研究。陳慧娥[6]選用不同的外摻劑加固高有機(jī)質(zhì)含量的軟土，并對加固效果的差異進(jìn)行了分析。李雪剛等[7]選取了6種外摻劑對比其對水泥加固軟土效果的影響。劉子銘[8]認(rèn)為富里酸嚴(yán)重阻礙水泥的水化反應(yīng)，研究了基于鈣礬石填充固化有機(jī)質(zhì)土的可行性，并對固化劑配比進(jìn)行了研究，得到了優(yōu)化配比。在實際工程中，加固高有機(jī)質(zhì)含量的軟土?xí)r，通常各地區(qū)只根據(jù)經(jīng)驗來選擇外摻劑的種類和摻入量，導(dǎo)致浪費并且土強(qiáng)度的加固不是很明顯。

基于以上原因，本研究選取福州地區(qū)有機(jī)質(zhì)軟土作為研究對象，研究不同外摻擠對水泥加固有機(jī)質(zhì)軟土的改良效果。通過室內(nèi)試驗，以物理化學(xué)的觀點為指導(dǎo)，選取幾種典型的外摻擠，測試不同外摻擠下水泥加固的有機(jī)質(zhì)軟土力學(xué)性質(zhì)，從而根據(jù)研究成果建立一套針對福州地區(qū)高有機(jī)質(zhì)含量軟土特征的水泥加固效果改良方案體系，以減少工程中的盲目性和隨機(jī)性，為工程建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 原樣基本性質(zhì)

1.1 粒度成分

選取福州地區(qū)兩個土樣，分別編號為福州1、福州2。

采用篩分法及沉降分析法對福州地區(qū)兩個土樣進(jìn)行顆分試驗，得到各土樣的粒度成分見表1及圖1。由表1和圖1可看出，福州1和福州2在未加分散劑時都是以粉粒為主，黏粒次之，二者的總量占總質(zhì)量的95%以上。而加入分散劑之后，由于原來的部分粉粒團(tuán)被打散，故兩個土樣粉粒含量均有所減少，黏粒含量有所增加。但仍然是以粉粒為主，黏粒次之。

表1 原樣粒度成分統(tǒng)計表

圖1 原樣顆粒分析累積曲線Fig.1 Cumulative curve of particle analysis of the original sample

1.2 塑性

采用液塑限聯(lián)合測定儀測定土樣的塑性。得到數(shù)值見表2。

從表2可看出，兩個土樣Ip都大于17，屬于黏土。進(jìn)一步說明了土樣的結(jié)合水含量較大，含有一定量的黏土礦物，且反離子層中低價的陽離子含量較高。

表2 原樣塑性表

1.3 易溶鹽

土粒表面常帶負(fù)電荷，可以吸附陽離子，這些陽離子與易溶鹽溶解于孔隙溶液中的陽離子相互置換，并處于動平衡狀態(tài)。因此，土粒表面擴(kuò)散雙電層的性狀和結(jié)構(gòu)連結(jié)的特性受易溶鹽的含量、成分及其變化影響較大，從而土的物理力學(xué)性質(zhì)也會發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)土中易溶鹽含量較高且孔隙溶液的電解質(zhì)濃度較大時，土粒表面的雙電層厚度可受其影響，使土粒間斥力減弱，引力增大，土粒相互凝聚并使結(jié)構(gòu)連結(jié)加強(qiáng)，因此土具有較高的力學(xué)強(qiáng)度。反之，則斥力增加，結(jié)構(gòu)連結(jié)減弱，并趨于分散，則會導(dǎo)致土的力學(xué)強(qiáng)度降低。

表3 原樣易溶鹽含量測試成果

1.4 陽離子交換容量及pH值

采用醋酸銨淋濾法[9]對試樣的陽離子交換容量進(jìn)行測定，結(jié)果見表4。從表4可以看出，福州1比福州2陽離子交換容量略大，但總量差別不大。因為，一定量土中黏粒含量與交換容量呈正比關(guān)系，從顆粒分析數(shù)據(jù)也可以看出，福州1比福州2黏粒含量略高。根據(jù)實驗結(jié)果，陽離子交換能力的大小為Ca2+> Mg2+> K+> Na+,所以從易溶鹽結(jié)果也可以看出，雖然福州1K+含量要小于福州2，但是Ca2+、Mg2+和Na+含量都高于福州2，所以福州1的陽離子交換容量要大于福州2。

從表4中也可以得知，福州地區(qū)兩個土樣溶液pH均呈弱堿性；土樣黏粒的礦物成分基本是伊利石、蒙脫石以及可溶鹽類，特別是易溶鹽，溶液的pH與這些礦物的等電pH值相差較大，所以有較厚的擴(kuò)散層，同時易溶鹽中Na+的存在也使擴(kuò)散層增厚，這使得土的工程地質(zhì)性質(zhì)變差。

表4 原樣陽離子交換容量及pH值測試結(jié)果

1.5 有機(jī)質(zhì)

土體有機(jī)質(zhì)是土體固相的一個重要組成部分，它是土層中的動植物殘骸在微生物的作用下分解而形成的。一種是分解不完全的植物殘骸，形成疏松多孔的泥炭；另一種則是完全分解的腐殖質(zhì)。有機(jī)質(zhì)因為其特殊的結(jié)構(gòu)，因此具有很強(qiáng)的親水性，故對土體性質(zhì)影響很大。

土體有機(jī)質(zhì)的主體是腐殖質(zhì)，它是土壤中的有機(jī)質(zhì)在水分、空氣、動物、微生物等的作用下，經(jīng)過腐殖化作用，即微生物的深刻改造后生成的一類特殊的高分子含氮有機(jī)質(zhì)。腐殖質(zhì)大多與土中無機(jī)成分相結(jié)合，以復(fù)合體的形式存在于土體中。按其溶解程度及溶劑不同可以3種狀態(tài)存在，即松結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)、穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)和緊結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)，其活動強(qiáng)度由強(qiáng)到弱[10]。

土體有機(jī)質(zhì)由多種成分組成，胡敏酸、富里酸和胡敏素是其中最具有代表性的3種。其中胡敏素為緊結(jié)腐殖質(zhì)的物質(zhì)組成，而胡敏酸與富里酸則存在于松結(jié)態(tài)與穩(wěn)結(jié)態(tài)腐殖質(zhì)中。

采用《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》中的試驗方法對試樣中的有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行測試，結(jié)果見表5。

由表5可看出，福州1的有機(jī)質(zhì)總量要大于福州2的有機(jī)質(zhì)總量，兩個土樣有機(jī)質(zhì)的主要成分都是富里酸，胡敏酸其次，胡敏素最少。因為有機(jī)質(zhì)中胡敏酸和富里酸對水泥加固軟土效果的影響較大，所以可以忽略胡敏素的影響。對土礦物質(zhì)破壞更強(qiáng)的富里酸中，松結(jié)態(tài)占大多數(shù)，故對土的影響更大。

表5 原樣有機(jī)質(zhì)含量

富里酸可以與鋁生成絡(luò)合物，而這些絡(luò)合物被接觸礦物吸收會形成一層吸附膜層，阻礙水泥的水化。而且富里酸對鋁鐵硅酸鹽礦物具有分解能力，可以分解水泥水化過程中已生成的水化鋁酸鈣、水化硫鋁酸鈣及水化鐵鋁酸鈣晶體，破壞水泥土結(jié)構(gòu)的形成[13]。胡敏酸會與水泥水化中產(chǎn)生的大量鈣離子相作用，生成不溶物質(zhì)，從而阻礙結(jié)晶物質(zhì)的形成，影響水泥土的強(qiáng)度。

2 加固后土樣力學(xué)性質(zhì)

2.1 外摻擠選取

水泥加固軟土地基時，水泥的水化、硬化過程是一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)，可以使軟土地基強(qiáng)度增長。當(dāng)土中含有一定數(shù)量的有機(jī)質(zhì)時，其就會與水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生相互作用。而有機(jī)質(zhì)的特殊結(jié)構(gòu)決定了它必然會阻礙和延緩水泥水化產(chǎn)物的形成，同時也會影響水泥水化產(chǎn)物與黏土顆粒間的作用，最終導(dǎo)致軟土地基加固效果不理想。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量過高時，水泥加固甚至?xí)プ饔谩?/p>

因此，進(jìn)行軟土地基加固時，如果軟土中含有一定數(shù)量的有機(jī)質(zhì)，就必須加入一業(yè)的外摻劑來抵消有機(jī)質(zhì)的消極影響?，F(xiàn)有的水泥外摻劑種類繁多，常用的有早強(qiáng)劑、減水劑、緩凝劑、引氣劑等。

本實驗選用硫酸鈉及兼有緩凝和早強(qiáng)作用的硫酸鈣。由于富里酸容易與含鋁多的礦物質(zhì)顆粒結(jié)合，形成吸附層可以延緩水泥水化的進(jìn)程。而且，富里酸的分解作用使水化產(chǎn)物解體，從而破壞水泥土結(jié)構(gòu)的形成[14]。故為了減少這種影響，再選用硫酸鋁。3種早強(qiáng)劑的摻入比皆為1%。由于過多地加入氯鹽，會對建筑物產(chǎn)生一定的腐蝕，影響加固效果，所以沒有選取氯化物。減水劑則選取了工程中常用的UNF減水劑，其主要成分為β-萘磺酸鹽，摻入比為0.8%。

2.2 試樣制備

試驗所用土樣來自福州地區(qū)，均屬于濱海沉積相軟土。將土風(fēng)干后粉碎，過2 mm篩。參考福州地區(qū)軟土和淤泥類土的情況，按60 %的含水率將水分別加到各土樣中，浸泡 24 h 后，按 15 %的摻入比加入水泥，然后加入不同的外摻擠，在控制容重大致相同的情況下(測得密度為1.66 g/cm3)，采用機(jī)械攪拌、人工振搗，制作成邊長為7.07 cm 的標(biāo)準(zhǔn)立方試件，成型 24 h 后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室的溫度為 (20±3)℃，相對濕度 100 %。試樣養(yǎng)護(hù)到28 d齡期后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，取 3 個平行試樣測試結(jié)果的平均值作為該組試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

2.3 加固后力學(xué)性質(zhì)

對福州1及福州2不同外摻劑加固后強(qiáng)度測試結(jié)果見表6。

表6 加固后試樣強(qiáng)度測試結(jié)果

從表6可以看出，福州1和福州2在不同外摻劑下加固后的強(qiáng)度呈現(xiàn)相似的規(guī)律。即當(dāng)僅用水泥進(jìn)行加固時，強(qiáng)度相對較低。而添加一定外摻劑后，強(qiáng)度有所提高。但是不同的外摻劑下，強(qiáng)度提高的程度不一樣。首先，同時添加早強(qiáng)劑與減水劑的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于只添加減水劑的。其次，對于同時添加早強(qiáng)劑與減水劑的試樣，早強(qiáng)劑種類不同，強(qiáng)度提高的程度也不相同。就本次實驗來看，添加硫酸鈣的試樣，強(qiáng)度提高最大，硫酸鋁次之。

出現(xiàn)這樣結(jié)果的原因分析如下：

根據(jù)實驗結(jié)果，福州1福州2都含有一定量的有機(jī)質(zhì)和易溶鹽，其對水泥加固土樣的效果產(chǎn)生了很大的影響。有機(jī)質(zhì)中主要的成分為富里酸和胡敏酸，會與水泥水化產(chǎn)物形成絡(luò)合物，阻礙水泥水化。而當(dāng)以硫酸鋁與硫酸鈣作為早強(qiáng)劑時，不僅可以促進(jìn)早期強(qiáng)度，還可以補(bǔ)充一定量的鋁離子與鈣離子，以彌補(bǔ)富里酸、胡敏酸對鈣離子與鋁離子的消耗，從而水泥水化及硬化等反應(yīng)可以正常進(jìn)行，進(jìn)而提高水泥加固土強(qiáng)度。

從表6還可以發(fā)現(xiàn)，對于硫酸鈣和硫酸鋁兩種早強(qiáng)劑，硫酸鈣加固的土樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高于硫酸鋁加固的。比較富里酸和胡敏酸，兩種物質(zhì)都對水泥水化有很大的影響，但是與富里酸不同的是，胡敏酸僅對鈣離子有很強(qiáng)的化學(xué)親合勢，因此選取硫酸鋁作為早強(qiáng)劑時，對胡敏酸的影響較少，因此水泥加固土的強(qiáng)度相對硫酸鈣的較低。而加入硫酸鈣時，為水土體系補(bǔ)充了鈣離子，這樣不僅減弱了富里酸的影響，也減弱了胡敏酸的影響，因此水泥土加固土強(qiáng)度更高。

對比福州1、福州2相同外摻劑方案的試驗結(jié)果，福州2的單軸抗壓強(qiáng)度稍高。綜合分析，首先福州2的黏粒含量、易溶鹽含量及陽離子交換量都略低于福州1，原樣性質(zhì)相對較好。其次，福州2有機(jī)質(zhì)含量總量略少，尤其是起重要破壞作用的富里酸含量相對比較少，因此對水泥水化的進(jìn)程延緩程度低，對水泥土結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的形成破壞小。因此，強(qiáng)度會稍高。

3 結(jié)論

1)福州地區(qū)軟土屬于黏土，粉粒為主，黏粒含量較高；土中含有一定量的易溶鹽；具有一定的陽離子交換能力。

2)福州地區(qū)軟土有機(jī)質(zhì)含量較高。有機(jī)質(zhì)成分以富里酸為主，胡敏酸次之，還有少量的胡敏素。其中富里酸又以松結(jié)態(tài)為主，而胡敏酸松結(jié)態(tài)和穩(wěn)結(jié)態(tài)相差不多。

3)對于福州地區(qū)土樣，當(dāng)采用減水劑和不同的早強(qiáng)劑作為外摻劑時，單軸抗壓強(qiáng)度相對于僅用水泥加固的都有所提高，其中以硫酸鈣作為早強(qiáng)劑的試樣強(qiáng)度提高最多，硫酸鋁次之，硫酸鈉提高的最少；這就說明對于有機(jī)質(zhì)土，其中含有的大量富里酸和胡敏酸影響了土的加固效果，應(yīng)選取對富里酸和胡敏酸同樣都有抑制作用的外摻劑。

4)黏粒含量越多，易溶鹽含量越大，土的強(qiáng)度越低。說明影響水泥加固效果的因素很多，除有機(jī)質(zhì)的含量外，還包括土樣的粒度成分、易溶鹽、陽離子交換容量等等。因此，對于福州及沿海地區(qū)的高黏性、高有機(jī)質(zhì)含量的軟土，在采用水泥作為固化劑時，應(yīng)結(jié)合其粒度成分、易溶鹽、有機(jī)質(zhì)總量和分量綜合考慮，選擇合適的外摻劑。