復(fù)合加固劑加固福建軟土力學(xué)特性試驗(yàn)研究

郭磊，李棟偉，安令石

（東華理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，江西南昌 330013）

0 引言

軟土層廣泛分布于我國(guó)沿海地區(qū)， 具有顆粒細(xì)小、壓縮性高、孔隙比大、含水率較大等特點(diǎn)[1]。 這些特點(diǎn)導(dǎo)致富含軟土的土層承載能力差、土的流變能力強(qiáng)、極易發(fā)生較大規(guī)模沉降等不利于工程建設(shè)的現(xiàn)象。 我國(guó)學(xué)者對(duì)軟土的加固研究成果較多，包含化學(xué)加固、物理加固等方法。 其中化學(xué)加固法主要運(yùn)用水泥、石灰、水玻璃等，根據(jù)地域不同和加固要求不同而采用不同的材料[2]。 本文對(duì)福建平潭地區(qū)的軟土摻入復(fù)合加固劑，并進(jìn)行三軸剪切靜力學(xué)試驗(yàn)，分析在圍壓、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、加固劑摻入量、加固劑配比的變化下，加固后軟土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律， 從而為該地區(qū)工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用福建省平潭縣公安局附近軟土， 取土深度為10m，土質(zhì)較軟，顏色為灰色，含有輕微臭味。采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試得到的物理力學(xué)基礎(chǔ)性質(zhì)如表1 所示。

由表1 可見(jiàn)， 福建省平潭縣公安局附近的軟土工程性質(zhì)差，如滿足工程需要，需進(jìn)行加固處理，試驗(yàn)采用復(fù)合加固劑進(jìn)行加固。 試驗(yàn)使用復(fù)合加固劑為細(xì)水泥和水玻璃的混合物，試驗(yàn)變量為加固土的圍壓、加固土的養(yǎng)護(hù)天數(shù)、復(fù)合固化劑摻入量、復(fù)合固化劑配合比。 本文將分析在上述四個(gè)變量下，加固土的應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律。 試驗(yàn)方案如表2 所示。

表1 福建福州地區(qū)淤泥土物理指標(biāo)

表2 試驗(yàn)方案

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

試驗(yàn)采用的儀器為英國(guó)GDS 應(yīng)力路徑三軸儀，如圖1 所示。

圖1 GDS應(yīng)力路徑三軸儀

試驗(yàn)采用的試樣為Φ50mm*100mm 的圓柱形式樣。 試驗(yàn)前，計(jì)算每個(gè)式樣所需的干土、水泥、水玻璃和水，其中水的質(zhì)量按照天然含水率計(jì)算所得的質(zhì)量。 制備式樣時(shí)，先將所取軟土進(jìn)行烘干處理，在干燥的環(huán)境內(nèi)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(nèi)。最后將裝好的式樣放入養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)。 到達(dá)養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，按照GDS 應(yīng)力路徑三軸儀的標(biāo)準(zhǔn)操作進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。 剪切速率為1mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 圍壓對(duì)加固土的影響

試驗(yàn)分別采用50kPa、75kPa、125kPa 和175kPa 四種圍壓，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2 所示。

圖2 不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到不同圍壓下的強(qiáng)度和屈服點(diǎn)應(yīng)變值，如圖3、圖4 所示。

圖3 強(qiáng)度-圍壓

圖4 屈服點(diǎn)應(yīng)變值-圍壓

對(duì)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析可知，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)，不同圍壓的應(yīng)力應(yīng)變曲線會(huì)有所重合，并且其重合的應(yīng)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(nèi)，其物理力學(xué)性質(zhì)相似，并且外界荷載越小，加固土的物理力學(xué)性質(zhì)相似度越大。 在一定深度范圍內(nèi)，外力在加固土中能夠傳播并進(jìn)行擴(kuò)散，深度越大，影響越小。 即采用復(fù)合固化劑加固后的軟土，其物理力學(xué)性質(zhì)依舊與土相似。

根據(jù)圖3 和圖4 所示，圍壓從50kPa 增加到175kPa 時(shí)，加固軟土的強(qiáng)度從212.53kPa 增加到476.56kPa，強(qiáng)度增加趨勢(shì)呈直線型增長(zhǎng)。 屈服點(diǎn)應(yīng)變值則呈現(xiàn)先增加后平緩的變化趨勢(shì)。 即在一定范圍內(nèi)，圍壓越大，屈服點(diǎn)應(yīng)變值越大；圍壓到達(dá)一定程度后，屈服點(diǎn)應(yīng)變值保持不變。 該試驗(yàn)表明，圍壓對(duì)于加固土的強(qiáng)度依舊是重要的影響因素，圍壓越大，加固土內(nèi)孔隙越少，含水量越少，加固土越密實(shí)，因此加固土強(qiáng)度越大。 同時(shí)圍壓越大，加固土在承受外力的作用下其抗破壞性能越強(qiáng)，加固土能在更大的應(yīng)變下阻止破壞，屈服點(diǎn)應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

2.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)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(qiáng)度高，水泥雖然早期強(qiáng)度低，但是其強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增加，因此軟土采用復(fù)合加固劑加固時(shí)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)加固土強(qiáng)度有重要的影響。 該試驗(yàn)采用3d、7d、14d、28d 的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5 所示。

圖5 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的強(qiáng)度和屈服點(diǎn)應(yīng)變值如圖6、圖7 所示。

圖6 強(qiáng)度-養(yǎng)護(hù)時(shí)間

圖7 屈服點(diǎn)應(yīng)變值-養(yǎng)護(hù)天數(shù)

試驗(yàn)結(jié)果顯示，加固土在3d 到7d 的強(qiáng)度只增加了1.2%，從7d 到第14d， 強(qiáng)度增加了16.78%， 從14d 到28d， 強(qiáng)度增加了9.62%，加固土強(qiáng)度提升速度先增加后減小。 在反應(yīng)初期，一方面水玻璃與水反應(yīng)形成骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致加固土內(nèi)孔隙逐漸變大。 因此，土體的水更容易遷移到加固土內(nèi)未反應(yīng)的區(qū)域；另一方面水泥-水玻璃與水反應(yīng)放熱，逐漸加快了加固土內(nèi)化學(xué)反應(yīng)速度，從而加快強(qiáng)度的提升。 在加固土后期，隨著水和水泥的減少，加固土內(nèi)參與化學(xué)反應(yīng)的材料減少，生成C-S-H 的速度逐漸減緩，因此強(qiáng)度增加逐漸減緩。

根據(jù)圖7 所示，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，加固土屈服點(diǎn)應(yīng)變值先減小后增加，表明加固土在10d 內(nèi)的抗破壞能力下降，而在10d后，其抗破壞能力加強(qiáng)。 在前期，加固土隨著反應(yīng)的進(jìn)行，雖然形成了骨架結(jié)構(gòu)，但是骨架與骨架之間的粘結(jié)力下降，因此，更容易破壞。 而在反應(yīng)后期，生成的C-S-H 凝膠逐漸加強(qiáng)了骨架與土顆粒的粘結(jié)能力，因此，抗破壞能力逐漸增強(qiáng)。

2.3 復(fù)合固化劑含量對(duì)加固土的影響

試驗(yàn)分別采用3%、6%、9%和12%的固化劑摻入量， 得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖8—圖10 所示。

圖8 不同固化劑的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖

圖9 強(qiáng)度-固化劑添加量

圖10 屈服點(diǎn)應(yīng)變值-固化劑添加量

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果顯示，固化劑添加越多，加固土強(qiáng)度越高，其強(qiáng)度增加趨勢(shì)呈現(xiàn)直線型；屈服點(diǎn)應(yīng)變值隨著固化劑摻入量的增加而減少；加固土的軟化現(xiàn)象隨著固化劑的增加而更明顯，軟化后的殘余應(yīng)力隨著固化劑的增加而增加。 這表明，加固劑對(duì)加固土的強(qiáng)度提升起著顯著的作用，但是對(duì)加固土的抗破壞能力有負(fù)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(shí)；另一方面，加固土內(nèi)形成骨架結(jié)構(gòu)，對(duì)強(qiáng)度的提升起著主要作用。 同時(shí)，加固土內(nèi)粘聚力減少，因此更容易產(chǎn)生軟化現(xiàn)象。

2.4 水玻璃含量對(duì)加固土的影響

試驗(yàn)采用0、1%、2%和4%含量的水玻璃， 得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖11—圖13 所示。

圖11 不同含量水玻璃的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

圖12 強(qiáng)度-水玻璃含量

圖13 屈服點(diǎn)應(yīng)變值-水玻璃含量

試驗(yàn)結(jié)果顯示，水玻璃含量越多，加固土強(qiáng)度越大，其增長(zhǎng)趨勢(shì)呈直線型。 屈服點(diǎn)應(yīng)變值則隨著水玻璃含量的增加而減小，其減小趨勢(shì)逐漸減緩。 從應(yīng)力-應(yīng)變曲線中看出，當(dāng)水玻璃的含量逐漸增高，加固土的軟化現(xiàn)象越明顯，加固土體到達(dá)屈服點(diǎn)后應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降越快，但是加固土軟化后的殘余應(yīng)力增加很少。 這表明，添加水玻璃能顯著增加加固土的強(qiáng)度，但是會(huì)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(huì)顯著下降。

水玻璃與水反應(yīng)產(chǎn)生堿性溶液，軟土中的堿金屬在該溶液中產(chǎn)生相應(yīng)的二氧化硅鹽和水化硅酸鹽，這兩種產(chǎn)物與水結(jié)合產(chǎn)生凝膠狀物質(zhì)，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(shí)，水泥與水玻璃發(fā)生反應(yīng)：兩者在水中產(chǎn)生具有一定強(qiáng)度的水化硅酸鈣；水玻璃降低水泥產(chǎn)生的氫氧化鈣濃度，加速了水泥的水化反應(yīng)[4]。 因此，水玻璃能提高復(fù)合固化劑的加固強(qiáng)度。 同時(shí)，水玻璃與水泥的反應(yīng)物使得加固土降低了土體的流動(dòng)性和粘聚力，使得加固土破壞后，其結(jié)構(gòu)更加不穩(wěn)定。

水泥和水玻璃在加固土中形成了骨架性結(jié)構(gòu)，承擔(dān)了加固土強(qiáng)度提高的主要作用。 水玻璃越多，骨架性結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度越高。 但是，骨架性結(jié)構(gòu)一旦破壞，加固土強(qiáng)度會(huì)迅速降低。 殘余應(yīng)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(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1） 對(duì)于福建平潭地區(qū)軟土，復(fù)合固化劑能顯著增加其強(qiáng)度，強(qiáng)度增加趨勢(shì)在一定范圍內(nèi)為直線，能增加其殘余應(yīng)力值。 但是，復(fù)合固化劑會(huì)減少加固土屈服點(diǎn)的應(yīng)變值， 其減少趨勢(shì)逐漸減緩。 并且，復(fù)合固化劑會(huì)加強(qiáng)加固土的軟化現(xiàn)象。

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

（3） 復(fù)合加固土的早期強(qiáng)度較高，養(yǎng)護(hù)時(shí)間可以提升加固土的強(qiáng)度，其增加趨勢(shì)為慢—快—慢。 在養(yǎng)護(hù)前期，屈服點(diǎn)的應(yīng)變值減少；養(yǎng)護(hù)后期，屈服點(diǎn)的應(yīng)變值增加。

（4） 水玻璃會(huì)提升復(fù)合固化劑加固土的強(qiáng)度，降低加固土屈服點(diǎn)的應(yīng)變值，同時(shí)加速加固土的軟化，對(duì)殘余應(yīng)力值的提升無(wú)明顯效果。