隧道洞口泥炭土地基固化研究現(xiàn)狀

曹佃光，白亞?wèn)|，黃志強(qiáng)

(1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100024；2.中交路橋北方工程有限公司，北京 100024；3.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 前 言

土質(zhì)地基的抗壓強(qiáng)度研究是地基穩(wěn)固性的重要指標(biāo)，而就如何提高軟弱土地基的抗壓強(qiáng)度更是研究的重點(diǎn)。大量的學(xué)者對(duì)不同軟土的固化研究已經(jīng)取得一定的成果。任慶福[1]對(duì)水泥、石灰等固化材料對(duì)軟弱土的固化機(jī)理進(jìn)行了研究，得出在固化材料的作用下，在弱土的各方面特性有了極大地改善；蔡光華[2]研究了MgO固化土經(jīng)二氧化碳碳化后各方面性質(zhì)的變化；朱書(shū)景等[3]進(jìn)行了黏土、淤泥質(zhì)黏土和砂土加入固化劑的研究，得出在一定范圍內(nèi)，隨著固化劑的摻量增加，可以明顯提高軟弱土的抗壓強(qiáng)度，固化劑加入7%時(shí)，軟弱土的加固強(qiáng)度最大；侯藝飛等[4]總結(jié)了一些對(duì)黃土有利于黃土固化的固化劑；Farid等[5]通過(guò)研究表明用硅酸鹽水泥復(fù)合固化劑加固處理淤泥質(zhì)土可以明顯提高其抗壓強(qiáng)度。高建東等[6]分別對(duì)淤泥質(zhì)土的固化效果進(jìn)行研究，并取得了一定效果；2012年王東星[7]研究得出摻入水泥-粉煤灰可以明顯提高淤泥質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度，比摻入粉煤灰-石灰粉效果更好。泥炭土是一種特殊的軟弱土，一些學(xué)者對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行了研究[8-10]，認(rèn)為其具有含水量大、孔隙比大、壓縮性強(qiáng)、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，固化仍需要進(jìn)行一定的研究。

1 摻固化劑對(duì)泥炭土的影響

1.1 摻入水泥對(duì)泥炭土強(qiáng)度的影響

李琴等[11]和蔣卓吟[12]對(duì)泥炭土中摻入水泥的研究得出了相同的結(jié)論，隨著水泥摻量的增加，泥炭土的強(qiáng)度增加，尤其是在水泥摻量在25%～35%時(shí)，上升幅度最大；而齡期在14 d前時(shí)，隨著時(shí)間的增加，泥炭土強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，甚至?xí)兴档?，這是因?yàn)?，在齡期較短時(shí)，水泥還沒(méi)有進(jìn)行充分地水化反應(yīng)，形成的膠凝物質(zhì)稀少，水泥膠結(jié)泥炭土能力不強(qiáng)，所以隨著水泥摻量的增加，沒(méi)有明顯地提高泥炭土的抗壓強(qiáng)度。而當(dāng)齡期在14～28 d時(shí)，泥炭土的抗壓強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，這是因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，水泥充分水化產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)大量增加，膠結(jié)泥炭土的能力大大增強(qiáng)。另一方面，泥炭土呈酸性，當(dāng)它遇到堿性的水泥時(shí)會(huì)發(fā)生酸堿中和反應(yīng)，減弱泥炭土顆粒間的排斥性，利于泥炭土的膠凝與固結(jié)。因此，固化泥炭土的強(qiáng)度隨著齡期延長(zhǎng)而增加。1994年黃新[13]研究了水泥固化土壤的原理，得出水泥在水化時(shí)會(huì)生成硅酸鈣，它可以膠結(jié)土粒使得土體形成一個(gè)整體，但是土體中還是有很多孔隙[13]，因此，還可以加入其他物質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的填充固化。其實(shí)水泥作為一種常用的膠凝材料，經(jīng)常作為基礎(chǔ)物質(zhì)與其他材料共同作為固化劑，不僅可以減少水泥的使用，還可以提高固化能力。

1.2 摻入水泥，石膏對(duì)泥炭土強(qiáng)度的影響

石膏是一種常用的固化材料，在很多固化劑中都加有石膏，如CG固化劑。1994年，黃新[13]對(duì)水泥-石膏固化劑(CG)進(jìn)行了探索研究，得出，水泥發(fā)生水化反應(yīng)產(chǎn)生硅酸鈣膠結(jié)土粒使得土體的整體性的到加強(qiáng)，土體的抗壓強(qiáng)度也得到了提高，同時(shí)石膏可與含鋁相反應(yīng)產(chǎn)生鈣礬石，鈣礬石可以有效地填充泥炭土的孔隙，同時(shí)鈣礬石晶體會(huì)與水化硅酸鈣形成空間結(jié)構(gòu)，以此填充孔隙，泥炭土的孔隙減少，其強(qiáng)度增加。CG固化劑具有膠結(jié)土粒和膨脹填充孔隙兩種特性，所以對(duì)泥炭土這種多孔隙土具有良好的固化作用。李琴[11]和蔣卓吟[12]對(duì)加入不同摻量的石膏進(jìn)行泥炭土的固化進(jìn)行了研究，在固定水泥摻量為20%的條件下，隨著石膏摻入量的增加，泥炭土抗壓強(qiáng)度基本成正比例增加。石膏摻量為6%時(shí)，且時(shí)間為60 d時(shí)，泥炭土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。其原因?yàn)樵谑鄵搅?%并養(yǎng)護(hù)到60 d時(shí)，膨脹物質(zhì)已完成膨脹，且土的孔隙基本都得到了填充。但是石膏摻量如果過(guò)多會(huì)形成過(guò)多的鈣礬石，從而破壞與CSH的空間晶體結(jié)構(gòu)，使得泥炭土的強(qiáng)度降低。

1.3 摻入水泥，粉煤灰對(duì)泥炭土的影響

粉煤灰作為固化劑添加材料已經(jīng)很早應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，在水泥中加入粉煤灰不但可以起到一定的固化效果，還可以有效地節(jié)省水泥的使用。2012年，王東星在淤泥質(zhì)土中摻入水泥-粉煤灰，明顯地提高了淤泥質(zhì)土的抗壓性及彈性模量；2013年，單梅[13]對(duì)粉煤灰固化淤泥質(zhì)土進(jìn)行了研究，加入粉煤灰與生石灰可以明顯提高淤泥質(zhì)土抗壓強(qiáng)度，說(shuō)明粉煤灰作為固化劑有極大的可行性。李琴[11]和蔣卓吟[12]對(duì)用水泥，粉煤灰作為固化劑進(jìn)行固化泥炭土進(jìn)行了研究，研究表明，在固定水泥摻量為20%的條件下，加入粉煤灰，在齡期較短時(shí)，泥炭土的抗壓強(qiáng)度比單摻水泥時(shí)只有微小的增加。這是由于粉煤灰在時(shí)間較短時(shí)沒(méi)有發(fā)生反應(yīng)，只是靠本身的體積填充了部分孔隙。隨著時(shí)間的增加，泥炭土的抗壓強(qiáng)度有了明顯的提高，這是由于粉煤灰與水泥發(fā)生了火山灰反應(yīng)，生成很多的膠凝物質(zhì)，且與未反應(yīng)的水泥顆粒和土顆粒進(jìn)行了膠結(jié)，形成塊狀體填充了泥炭土的孔隙。固化泥炭土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而增長(zhǎng)。但對(duì)于泥炭土抗壓強(qiáng)度的下降段作者也沒(méi)有說(shuō)明，還需要研究討論。

1.4 摻入水泥，石灰粉對(duì)泥炭土的影響

石灰是工程中常用的無(wú)機(jī)膠凝材料,它具有來(lái)源廣、成本低、易生產(chǎn)等特點(diǎn)，被廣泛用于工程中。2010年，鞏尊玄[15]的研究得出石灰粉加入淤泥質(zhì)土中可以明顯降低土的液限和塑性指數(shù)，增加大顆粒土的數(shù)量，由此推出石灰粉也可用于固化泥炭土。李琴[11]和蔣卓吟[12]對(duì)泥炭土中摻入水泥-石灰粉進(jìn)行了研究，在石灰粉摻入量為8%以前，隨石灰粉摻量的增加，泥炭土的抗壓強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，但超過(guò)8%后，泥炭土的抗壓強(qiáng)度降低。所以在石灰粉摻入量為8%時(shí)，泥炭土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了峰值，為最佳配比。其原理為齡期較短時(shí)，水泥還沒(méi)有進(jìn)行充分的水化反應(yīng)，石灰以其本身的體積填充泥炭土孔隙，所以泥炭土的抗壓強(qiáng)度只是比只加水泥時(shí)略有增加，但是當(dāng)齡期增加時(shí)，在摻入石灰粉超過(guò)8%時(shí)，泥炭土抗壓強(qiáng)度明顯降低，這是因?yàn)槭曳圻^(guò)多會(huì)抑制水泥水化反應(yīng)，產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)減少，也就不能更好的膠凝土顆粒，使得孔隙加大，泥炭土強(qiáng)度下降。因此隨石灰增加泥炭土的抗壓強(qiáng)度降低。但相比于單摻 20%水泥的固化土，隨著齡期的增加，泥炭土的抗壓強(qiáng)度明顯大幅度增強(qiáng)。但其原理還不是太清楚，可能是石灰粉填充了泥炭土的孔隙，使其強(qiáng)度增加，也可能是石灰與泥炭土中的水發(fā)生了反應(yīng)，減少了泥炭土的含水率；還可能是體系中生成了鈣礬石填充了孔隙。具體原理還有待探究。

1.5 摻入水泥-硫酸鈉對(duì)泥炭土的影響

李琴等[11]對(duì)水泥-硫酸鈉固化泥炭土進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在固定水泥為20%時(shí)，硫酸鈉摻入0.6%時(shí)，固化效果非常好。7 d時(shí)就比單純加入水泥時(shí)的固化強(qiáng)度增加了10倍，但是并不是硫酸鈉越多越好，隨著硫酸鈉的增加，泥炭土的固化強(qiáng)度會(huì)降低。但是對(duì)于硫酸鈉的固化原理還不清楚，有待于進(jìn)行深入的研究。

2 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)比以上不同固化劑對(duì)泥炭土強(qiáng)度的影響得出，當(dāng)只用水泥為固化劑時(shí)，水泥摻量為35%時(shí)效果最好，但不建議只加水泥，這樣會(huì)增加成本，且固化效果不能達(dá)到最佳。

加入水泥-粉煤灰固化劑時(shí)，泥炭土的抗壓強(qiáng)度優(yōu)于單摻20%水泥，且粉煤灰廉價(jià)，且屬于工業(yè)廢料，有助于環(huán)保，推薦使用。

在水泥摻量為20%時(shí)，摻入8%的石膏對(duì)泥炭土強(qiáng)度增加效果最好，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單摻水泥時(shí)泥炭土的抗壓強(qiáng)度，既可以節(jié)約材料，又可以提高固化效果，推薦使用。

加入8%的石灰粉可以明顯增加泥炭土的抗壓強(qiáng)度，但是對(duì)于它的固化原理還有待于進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

加入硫酸鈉對(duì)泥炭土的固化效果最好，明顯高于其他固化劑，這對(duì)工程來(lái)說(shuō)具有重要意義。水泥-硫酸鈉固化劑值得推廣使用，但它的作用機(jī)理還需進(jìn)行研究，以更好提高其固化效果。

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