張 元，張國(guó)忠，李鵬軍

（1、中誠(chéng)祥建設(shè)集團(tuán)有限公司 山東青島266000；2、佳木斯大學(xué)建筑工程學(xué)院 黑龍江佳木斯154007）

0 引言

巖土工程建設(shè)常遇到不良土質(zhì)的工程問(wèn)題，此類(lèi)土并不能滿(mǎn)足工程要求，為降低工程造價(jià)，做到就地取材，需加固處理來(lái)提升不良土體的工程力學(xué)性能，將其應(yīng)用于工程中［1，2］，采用土壤固化劑進(jìn)行改良，將固化劑摻入土性不良的土中，在水的作用下發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，孔隙會(huì)被新產(chǎn)生的物質(zhì)填充，形成高強(qiáng)度膠凝硬化物，把不良土體轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝阅芄こ滩牧?，變廢為寶，因此，具有極高的工程與經(jīng)濟(jì)價(jià)值［3］。從加固技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性考慮，用固化劑來(lái)改良土體性能具有很好的應(yīng)用與發(fā)展前景［4-6］。本文通過(guò)三軸試驗(yàn)手段，對(duì)固化后土體的加固效果進(jìn)行研究，分析內(nèi)外因素［7］固化劑摻量和圍壓對(duì)其力學(xué)特性的影響，探討路基工程中新型路基固化填筑材料的可行性，為工程建設(shè)提供技術(shù)保障［8-10］。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

土體取自鐵路沿線(xiàn)路基填料，將施工現(xiàn)場(chǎng)取回的路基填料放置于烘箱中，烘箱溫度控制為105～110 ℃，烘12 h取出粉碎過(guò)2 mm篩，以去除其中存在的雜質(zhì)，裝入塑料袋中密封保存以待備用。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究，擊實(shí)試驗(yàn)得土的wopt=10.12%、ρdmax=1.973 g∕cm3，顆粒分析試驗(yàn)得土的Cc=1.23、Cu=4.88，通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析可知該填料級(jí)配不良。為了降低工程造價(jià)，就地取材，需對(duì)該填料進(jìn)行改良處理后應(yīng)用于工程實(shí)際中，因此，本文選取Aught-Set 高性能土壤固化劑作為加固材料。

1.2 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

試樣制作時(shí)，稱(chēng)取所需質(zhì)量的干土，按照設(shè)計(jì)的含水率，把干土料與水混合，攪拌均勻，悶料24 h。制樣前取出，加入一定量的固化劑，攪拌均勻。將攪拌好的土樣分3次裝樣擊實(shí)，試樣尺寸如下：高度為125 mm，直徑為61.8 mm。然后對(duì)固化土試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，放在養(yǎng)護(hù)箱中，使試樣處于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境中，恒溫恒濕溫度控制在20±5 ℃，養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)齡期后取出進(jìn)行三軸試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用的儀器為T(mén)SZ-3.0型三軸儀，試驗(yàn)為應(yīng)變控制形式，剪切環(huán)境為不固結(jié)不排水，以1.25 mm∕min速率進(jìn)行加載。試樣養(yǎng)護(hù)齡期選取14 d，固化劑摻量選取0%、3%、4%、5%、6%，圍壓為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。軸向應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)三軸試驗(yàn)機(jī)停止加載。本文以固化劑摻量和圍壓兩因素，研究固化土力學(xué)特性，及進(jìn)行加固效果分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 固化劑摻量對(duì)固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響

對(duì)固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)（見(jiàn)圖1）進(jìn)行分析，結(jié)果表明，固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)變化趨勢(shì)不受固化劑摻量的影響，均屬于加工軟化型；固化土試樣整個(gè)加載過(guò)程中變形可用應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)描述，分為：第一階段，加載的初期階段，由于固化劑的存在，路基填料膠結(jié)形成具有一定結(jié)構(gòu)性的膠凝硬化產(chǎn)物，小應(yīng)變逐漸增加，應(yīng)力近似表現(xiàn)為直線(xiàn)，且不斷提升，表現(xiàn)為彈性變形階段；第二階段，隨著應(yīng)變的增加，試樣內(nèi)部應(yīng)力水平不斷增加，超過(guò)膠凝硬化產(chǎn)物所能承受的極限，膠結(jié)作用破壞，膠凝硬化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)性被喪失，應(yīng)力增加不斷變慢，逐漸達(dá)到應(yīng)力峰值，表現(xiàn)為損傷變形階段；第三階段，試樣內(nèi)部出現(xiàn)各個(gè)小的微裂縫連通起來(lái)的破壞面，固化土結(jié)構(gòu)性大量喪失，應(yīng)力水平快速地減小，強(qiáng)度降低，表現(xiàn)為脆斷變形階段。

圖1 固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 Stress-strain Curve of Solidified Soil

固化劑對(duì)土體強(qiáng)度的提升更好，對(duì)土體具有很好的加固效果，抗變形能力增強(qiáng)。固化土的強(qiáng)度隨著固化劑摻量增加有效提升，土體的加固效果越好，抗變形能力越強(qiáng)。雖路基填料和固化土均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征，但路基填料相比于固化土的軟化性和軟化程度要小，變化相對(duì)也比較平穩(wěn)，固化土軟化表現(xiàn)更強(qiáng)，且這一軟化程度也隨著固化劑摻量的增加顯現(xiàn)越強(qiáng)。

2.2 固化劑摻量對(duì)土體彈性模量的影響

對(duì)表1 和圖2 固化劑摻量對(duì)土體彈性模量的影響進(jìn)行分析，結(jié)果表明，摻入固化劑的土體彈性模量高于路基填料，且4種圍壓情況下均如此，說(shuō)明固化劑摻入有效提升了土體的彈性模量。

表1 固化劑摻量對(duì)土體彈性模量的影響Tab.1 Influence of Curing Agent on Elastic Modulus of Soil

圖2 固化劑摻量對(duì)土體彈性模量的影響Fig.2 Influence of Curing Agent on Elastic Modulus of Soil

固化土的彈性模量隨著固化劑摻量的增加均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，且越來(lái)越快。這是由于固化劑摻入量的提升，固化劑與土體在水的作用下反應(yīng)越完全，膠凝硬化產(chǎn)物越多，所形成的固化土性能越好，因此，彈性模量提升越多。

2.3 圍壓對(duì)土體彈性模量的影響

表2和圖3圍壓對(duì)土體彈性模量的影響分析結(jié)果表明，隨著圍壓的增加，路基填料和固化土的彈性模量均逐漸增加；圍壓越大，兩者彈性模量增長(zhǎng)越快，但在高圍壓時(shí)路基填料的彈性模量增長(zhǎng)率大于固化土。僅在固化劑摻量為4%時(shí)，高圍壓時(shí)固化土彈性模量的增長(zhǎng)率低于路基填料。這是由于在小圍壓時(shí)土體側(cè)向束縛作用相對(duì)較小，圍壓對(duì)2 種土體本身的彈性影響穩(wěn)步增長(zhǎng)，路基填料和固化土表現(xiàn)出的變化趨勢(shì)基本一致；但在高圍壓時(shí)側(cè)向約束作用較大，圍壓對(duì)土體本身彈性的影響比較大，加快了彈性的發(fā)揮，相比小圍壓彈性模量要大，還有2種土體本身性能的差別，固化劑土相比于路基填料更加密實(shí)更加堅(jiān)硬，致使高圍壓時(shí)固化土彈性模量增加不如路基填料大，表現(xiàn)出在高圍壓時(shí)路基填料彈性模量增長(zhǎng)率明顯大于固化土。

表2 圍壓對(duì)土體彈性模量的影響Tab.2 Influence of Confining Pressure on Eastic Modulus of Soil Mass （kPa）

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)，研究固化劑摻量和圍壓對(duì)固化土的強(qiáng)度和彈性模量的影響，基于本試驗(yàn)方案范圍內(nèi)取得一些研究成果如下：

圖3 圍壓對(duì)土體彈性模量的影響Fig.3 Influence of Confining Pressure on Elastic Modulus of Soil Mass

⑴固化土受力變形整個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系變化過(guò)程分為：彈性、損傷、脆斷3個(gè)變形階段。

⑵固化劑的摻入增強(qiáng)土體力學(xué)性能，且固化劑摻量越多，固化土強(qiáng)度越高。固化劑可提升土體的軟化程度，且固化土的軟化程度隨著固化劑增加而增強(qiáng)。

⑶提升土體的彈性模量可以采用固化劑加固的方法，固化劑摻量越多對(duì)路基填料彈性模量提升越大，且摻量越多增長(zhǎng)率越快。

⑷隨著圍壓的增加，路基填料和固化土的彈性模量均逐漸增加；圍壓越大，兩者彈性模量增長(zhǎng)越快，但在高圍壓時(shí)路基填料的彈性模量增長(zhǎng)率大于固化土。