陸衛(wèi)東

（江蘇中設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 無錫 214081）

1 概述

長三角、珠三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，公路、鐵路等路網(wǎng)密集。公路、鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中遇到了大量的軟弱土，該部分軟弱土孔隙比大、含水率高、強(qiáng)度低、壓縮性大，難以滿足地基土體強(qiáng)度和變形控制的要求。工程中常采用換填、CFG 樁、拋石擠淤、強(qiáng)夯、排水固結(jié)、深層攪拌、固化、高壓旋噴注漿等進(jìn)行改良處理。其中，固化處理是目前軟弱土處置較常用的方法，該方法既可解決軟弱土處置占用土地和環(huán)境污染問題，也可為工程建設(shè)提供填料。

硅酸鹽水泥是目前軟弱土固化最常用的固化劑。水泥通過水化、火山灰反應(yīng)生成水化產(chǎn)物，使自由水轉(zhuǎn)化為礦物結(jié)合水，并利用水化產(chǎn)物的膠結(jié)和填充作用形成土骨架以提高軟弱土的強(qiáng)度［1］。隨著水泥等固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化土中水化產(chǎn)物的含量增大，其抗剪強(qiáng)度也逐漸增加［2］。近年來，研究人員開始研究低碳、環(huán)保的新型土壤固化劑或固化方法來全部或者部分取代傳統(tǒng)的硅酸鹽水泥，如采用工業(yè)副產(chǎn)品磨細(xì)高爐礦渣［3］、粉煤灰［4］、木質(zhì)素［5］等對土體進(jìn)行固化處理。研究發(fā)現(xiàn)，礦渣、粉煤灰等能夠有效改善土體的力學(xué)特性，但對固化土早期強(qiáng)度的發(fā)展貢獻(xiàn)不大，甚至?xí)?dǎo)致早期強(qiáng)度降低，限制了上述材料的大規(guī)模使用。

固化軟弱土作為人工膠結(jié)填土材料多處于非飽和狀態(tài)，其工程性質(zhì)相比飽和土更為復(fù)雜，經(jīng)典飽和土力學(xué)原理與概念難以解決非飽和土的工程問題。由于降雨－蒸發(fā)、水位升降等原因，固化軟弱土的含水率常處于周期性變化狀態(tài)。如公路、鐵路通車運(yùn)營后在浸潤、降雨、蒸發(fā)和地下水影響下，路基內(nèi)產(chǎn)生水分遷移和濕度重分布，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較施工時(shí)增大2% ～10%［6］。已有的研究表明固化土浸水軟化后強(qiáng)度有所降低［7－11］。當(dāng)固化土本身的強(qiáng)度較低時(shí)（如進(jìn)行填埋時(shí)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度僅需滿足不小于50 kPa［12］） ，浸水濕化對固化土強(qiáng)度的影響更為顯著。忽略浸水濕化的影響顯然難以反映實(shí)際情況，從而造成不必要的浪費(fèi)或引發(fā)安全事故。

因此，采用固化軟弱土修筑地基或路基等土工構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)注意評價(jià)濕化條件下土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性和濕化變形。而解決這些問題的關(guān)鍵在于對不同濕化程度下固化軟弱土力學(xué)特性和變形特性的全面掌握和深刻認(rèn)識。鑒于此，本文以無錫地區(qū)典型淤泥質(zhì)黏土為研究對象，采用工程上常用的水泥進(jìn)行固化并進(jìn)行濕化處理，研究不同含水率情況下固化土的力學(xué)和變形特性，為評價(jià)濕化條件下土工構(gòu)筑物的穩(wěn)定性和濕化變形提供科學(xué)依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方案

2．1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為無錫地區(qū)典型淤泥質(zhì)黏土。依據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)，該土屬于高液限黏土，其主要化學(xué)成分為SiO2，Al2O3，F(xiàn)e2O3，MgO，其物理性質(zhì)指標(biāo)見表1，顆粒級配曲線如圖1 所示。試驗(yàn)所用固化劑為標(biāo)號P．C32．5 復(fù)合硅酸鹽水泥。

圖1 試驗(yàn)用土的顆粒級配曲線

表1 試驗(yàn)用土的物理性質(zhì)指標(biāo)

2．2 試樣制備

土樣烘干后進(jìn)行粉碎并過2 mm 篩，排除可能異物。將過篩后的干土置于盆中，按照含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 70%倒入相應(yīng)質(zhì)量的水配置泥水混合物。按每立方米泥水混合物添加100 kg，200 kg，300 kg 水泥，攪拌10 min 后抽真空30 min 消除氣泡。然后，將混合物裝入61．8 mm ×20 mm的環(huán)刀中制備固結(jié)試樣，裝入39．1 mm×80 mm 的三軸飽和器中制備無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣。制樣過程中不斷振動(dòng)模具，排除氣泡使試樣密實(shí)。然后在室溫下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)1 d 成型。成型結(jié)束后對試樣脫模，為防止水分蒸發(fā)，采用不透水保鮮膜包裹試樣并移至恒溫恒濕箱（溫度為20 ℃，濕度大于95%） 養(yǎng)護(hù)。

由于水泥的水化作用極易受到含水量的影響，且水泥的水化程度與時(shí)間有關(guān)，在90 d 后基本穩(wěn)定。為保證在進(jìn)行固結(jié)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度等試驗(yàn)時(shí)同一水泥摻量下不同含水率固化土試樣具有相同的水化程度，本文將固化土試樣統(tǒng)一在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)90 d 后再進(jìn)行不同含水率條件下的固結(jié)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，確保試驗(yàn)結(jié)果的可對比性。

2．3 試驗(yàn)方案

試樣養(yǎng)護(hù)至預(yù)定齡期后進(jìn)行抽真空飽和處理，獲得飽和環(huán)刀試樣和三軸試樣，開展飽和狀態(tài)下固化土的固結(jié)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探究水泥摻量對固化土強(qiáng)度和變形特性的影響。為探討含水率對固化土強(qiáng)度和變形的影響，將水泥摻量100 kg/m3固化土環(huán)刀試樣和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣進(jìn)行自然風(fēng)干處理，獲得預(yù)定含水率后進(jìn)行不同含水率條件下的固結(jié)試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案見表2。固結(jié)試驗(yàn)加載等級為

表2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、固結(jié)、回彈試驗(yàn)方案

12．5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 600 kPa，3 200 kPa，每級荷載加載時(shí)間為24 h。固結(jié)試驗(yàn)完成后開展回彈試驗(yàn)研究，按照3 200 kPa，1 600 kPa，800 kPa，400 kPa，200 kPa，100 kPa，50 kPa 等級進(jìn)行卸載，并記錄回彈變形，每級荷載穩(wěn)定時(shí)間為24 h。需要指出，由于固結(jié)試驗(yàn)和回彈試驗(yàn)時(shí)間較長，為防止試驗(yàn)過程中因水分蒸發(fā)而引起試樣含水率發(fā)生變化，需對傳統(tǒng)固結(jié)儀進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的固結(jié)試驗(yàn)裝置如圖2 所示。改進(jìn)后的固結(jié)試驗(yàn)裝置通過密閉容器將環(huán)刀試樣與外界環(huán)境進(jìn)行隔離，能夠有效避免試驗(yàn)過程中由于水分蒸發(fā)而對試樣的含水率產(chǎn)生影響。

圖2 改進(jìn)的固結(jié)試驗(yàn)裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3．1 水泥摻量對固化土力學(xué)和變形特性的影響

為研究水泥摻量對固化土力學(xué)和壓縮特性的影響，取水泥摻量分別為100 kg/m3，200 kg/m3，300 kg/m3三個(gè)配比進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和固結(jié)試驗(yàn)。飽和條件下不同水泥摻量固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線和壓縮曲線分別如圖3，圖4 所示。由圖3 可知，水泥摻量100 kg/m3試樣在剪切初期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著剪切應(yīng)變的增加逐漸增大，之后趨于穩(wěn)定，試樣表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象，出現(xiàn)柔性破壞。水泥摻量200 kg/m3，300 kg/m3試樣在剪切初期也表現(xiàn)出無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨剪切應(yīng)變增加而逐漸增大的趨勢，但當(dāng)試樣的強(qiáng)度達(dá)到峰值后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，出現(xiàn)脆性破壞。水泥摻量越高，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大。對比各水泥摻量試樣峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變發(fā)現(xiàn)，水泥摻量越高，峰值強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變越小，即試樣越早出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。上述結(jié)果表明隨著水泥摻量的增大，雖然試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，但試樣的脆性越強(qiáng)，越容易發(fā)生脆性破壞。這主要在于水泥摻量的增加使得水化產(chǎn)物增多，土顆粒間膠結(jié)作用越強(qiáng)，試樣的膠結(jié)結(jié)構(gòu)性越強(qiáng)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越大，脆性越明顯。

圖3 不同水泥摻量固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

由圖4 所示壓縮曲線可知，水泥摻量越低，固化土初始孔隙比越大。屈服前，三種水泥摻量固化土的孔隙比變化均較??；隨著固結(jié)壓力的增大，低水泥摻量固化土先發(fā)生屈服，孔隙迅速被壓縮，孔隙比減小，壓縮曲線逐漸向高水泥摻量下方發(fā)展；隨著固結(jié)壓力繼續(xù)增大，高水泥摻量固化土也發(fā)生屈服，且水泥摻量越大，孔隙比下降的速度越緩慢。采用Butterfield［12］提出的雙對數(shù)方法確定固化土的屈服應(yīng)力。圖5 為飽和條件下三種水泥摻量固化土的屈服應(yīng)力。由圖5 可知，水泥摻量越高，屈服應(yīng)力越大。

圖4 不同水泥摻量固化土的壓縮曲線

圖5 飽和條件下不同水泥摻量固化土的屈服應(yīng)力

上述試驗(yàn)現(xiàn)象的原因在于： 低水泥摻量固化土由于水泥摻量較少，生成的水化產(chǎn)物較少，孔隙較多，使得低水泥摻量固化土初始孔隙比大于高水泥摻量固化土初始孔隙比。屈服前，固化土土顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞，處于彈性變形狀態(tài)，孔隙比無明顯變化，低水泥摻量壓縮曲線位于高水泥摻量上方。隨著固結(jié)壓力的增大，由于低水泥摻量固化土土顆粒間膠結(jié)作用較弱，土骨架抵抗變形能力較差而率先發(fā)生屈服，孔隙被迅速壓縮，孔隙比下降速率較快； 高水泥摻量固化土顆粒間膠結(jié)作用較強(qiáng)，土骨架抵抗變形能力較強(qiáng)，屈服應(yīng)力較大，屈服后孔隙比下降速率較慢，使得低水泥摻量固化土的壓縮曲線逐漸向高水泥摻量固化土的下方發(fā)展。

圖6 為飽和條件下不同水泥摻量固化土的回彈曲線?？梢钥闯?，由于在固結(jié)壓縮過程中低水泥摻量固化土試樣產(chǎn)生了較大的壓縮變形，使得低水泥摻量固化土回彈曲線的起始孔隙比明顯小于高水泥摻量。隨著豎向壓力的逐漸減小，三種水泥摻量條件下的固化土孔隙比均呈現(xiàn)線性增長的趨勢，表明卸載過程中固化土試樣產(chǎn)生回彈變形。此外，從圖6 還可以看出，三種水泥摻量固化土回彈曲線幾乎平行，表明水泥摻量對固化土回彈指數(shù)的影響并不明顯。在工程設(shè)計(jì)過程中可近似忽略水泥摻量對固化土回彈指數(shù)的影響。

圖6 飽和條件下不同水泥摻量固化土的回彈曲線

3．2 含水率對固化土力學(xué)和變形特性的影響

為探究含水率對固化土力學(xué)和變形特性的影響，對水泥摻量100 kg/m3固化土試樣開展不同含水率（飽和度） 條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、固結(jié)試驗(yàn)和回彈試驗(yàn)研究。圖7 為不同含水率條件下水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線?？梢钥闯觯袒恋暮蕦υ嚇拥臒o側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在較顯著影響。當(dāng)試樣處于飽和狀態(tài)（水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為58%） 時(shí)，剪切初期試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變增加持續(xù)增大，當(dāng)剪切應(yīng)變到達(dá)4%時(shí)，隨著剪切應(yīng)變的進(jìn)一步增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為柔性破壞。隨著固化土試樣含水率的降低，試樣逐漸處于非飽和狀態(tài)（水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為43%，20%，17%） ，此時(shí)試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在剪切早期隨應(yīng)變增加而增大，但到達(dá)峰值后抗壓強(qiáng)度開始隨著應(yīng)變的增大而下降，表現(xiàn)為脆性破壞。隨含水率的降低，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線呈從柔性破壞向脆性破壞發(fā)展的趨勢。對比各含水率條件下試樣的峰值強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)，試樣的含水率越大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度越小，表明濕化過程會(huì)使得固化土試樣的強(qiáng)度逐漸降低。

圖7 不同含水率條件下水泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線

圖8，圖9 分別為固化土在不同含水率條件下的固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果和屈服應(yīng)力。從圖8 可以看出，不同含水率固化土試樣在未達(dá)到屈服前孔隙比變化較為平緩，以彈性變形為主；屈服后孔隙比發(fā)生較明顯變化，隨著荷載的增大，相同荷載條件下高含水率固化土的孔隙比逐漸小于低含水率固化土，壓縮曲線表現(xiàn)為高含水率固化土的曲線位于低含水率固化土曲線下方?；貜楇A段的孔隙比均隨荷載的減小呈線性增加趨勢，高含水率固化土的回彈曲線位于低含水率固化土下方，且不同含水率固化土的回彈曲線無明顯交叉現(xiàn)象。圖9 可以看出，隨著固化土試樣含水率的增加，屈服應(yīng)力逐漸減小，且呈現(xiàn)近似線性變化。為進(jìn)一步探究含水率對固化土變形特性的影響，對固化土在不同含水率條件下的壓縮指數(shù)進(jìn)行分析。圖10 為壓縮指數(shù)與含水率關(guān)系曲線?？梢钥闯?，隨著含水率的逐漸增大，固化土試樣的壓縮指數(shù)逐漸增大。

圖8 不同含水率條件下水泥固化土的壓縮曲線

圖9 屈服應(yīng)力與含水率關(guān)系曲線

圖10 壓縮指數(shù)與含水率關(guān)系曲線

上述試驗(yàn)現(xiàn)象表明，隨著固化土試樣含水率的增加，固化土試樣的壓縮性逐漸增大，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和屈服應(yīng)力減小，說明在濕化作用下，由于固化土含水率的提高，固化土工構(gòu)筑物可能出現(xiàn)由于土體強(qiáng)度降低和壓縮性增大而引起失穩(wěn)或產(chǎn)生附加變形。

造成上述現(xiàn)象的原因主要是固化土處于非飽和狀態(tài)時(shí)（水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于58%） ，土體孔隙中存在毛細(xì)彎液面，該毛細(xì)彎液面的表面張力有助于增大土體的有效應(yīng)力，增強(qiáng)了土骨架，土體的強(qiáng)度和抵抗變形的能力增加，使得相同荷載條件下非飽和狀態(tài)下固化土相對于飽和狀態(tài)下固化土能夠維持較大的孔隙比，且含水率越低，毛細(xì)彎液面對土骨架的增強(qiáng)作用越明顯，土體抵抗變形的能力越強(qiáng)，導(dǎo)致高含水率固化土的壓縮曲線逐漸位于低含水率固化土下方。

4 結(jié)論

本文以無錫地區(qū)典型淤泥質(zhì)黏土為研究對象，采用水泥進(jìn)行固化處理，分析了水泥摻量和固化土含水率對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和壓縮變形特性的影響，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1） 水泥摻量的增加有助于提高固化土的強(qiáng)度、降低固化土的壓縮變形。隨著水泥摻量的增加，固化土試樣逐漸由柔性破壞向脆性破壞轉(zhuǎn)變，且水泥摻量越高，試樣的脆性越強(qiáng)，越容易發(fā)生脆性破壞。固結(jié)過程中，固化土屈服前的孔隙比變化較小，屈服后孔隙迅速被壓縮，孔隙比減小，低水泥摻量固化土的壓縮曲線逐漸向高水泥摻量下方發(fā)展。水泥摻量越高，固化土抵抗變形的能力越強(qiáng)，壓縮性越小，但水泥摻量對固化土回彈指數(shù)的影響并不明顯。在工程設(shè)計(jì)過程中可近似忽略水泥摻量對固化土回彈指數(shù)的影響。

2） 飽和狀態(tài)時(shí)，固化土表現(xiàn)為柔性破壞，隨著固化土試樣含水率的降低，試樣逐漸處于非飽和狀態(tài)，試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線表現(xiàn)為脆性破壞。

3） 隨著含水率的增加，固化土的屈服應(yīng)力逐漸減小，壓縮指數(shù)逐漸增大。在采用固化土修筑土工構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)重視因地下水上升或降雨入滲引起的濕化作用而導(dǎo)致的土體強(qiáng)度降低和壓縮性增大，應(yīng)對固化土土工構(gòu)筑物在濕化作用下的穩(wěn)定性和附加變形進(jìn)行分析。必要時(shí)應(yīng)注意做好固化土工構(gòu)筑物的防排水措施，盡量減少濕化作用的影響，保障固化土工構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定。