固化濱海鹽漬土的抗剪強(qiáng)度及偏應(yīng)力應(yīng)變特征分析

周曉鵬，王 沛

(1. 天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，天津 300000；2. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384)

固化濱海鹽漬土的抗剪強(qiáng)度及偏應(yīng)力應(yīng)變特征分析

周曉鵬1，王 沛2

(1. 天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，天津 300000；2. 天津城市建設(shè)學(xué)院，天津 300384)

采用石灰+粉煤灰和高分子材料 SH固土劑改性固化濱海鹽漬土，以滿足作為路堤填料強(qiáng)度和抗變形的要求．在對不同配合比固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果進(jìn)行對比的基礎(chǔ)上，選擇兩種固化方法進(jìn)行固化土的三軸壓縮試驗(yàn)，分析浸水前后固化土的抗剪強(qiáng)度變化及偏應(yīng)力應(yīng)變特性．結(jié)果表明：與單一無機(jī)固化材料的固化土相比，摻加 SH固土劑的固化土的黏聚力大幅增加，內(nèi)摩擦角變化相對較?。还袒恋膽?yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，試樣呈脆性破壞．兩種固化方法均可增強(qiáng)土的抗剪強(qiáng)度、水穩(wěn)性和抗變形能力，摻加SH固土劑的固化效果更優(yōu)．

濱海鹽漬土；固化土；抗剪強(qiáng)度；偏應(yīng)力應(yīng)變

濱海鹽漬土為細(xì)顆粒的黏性土，屬氯鹽漬土類型，具有鹽脹、溶陷和吸濕軟化的不良工程特性，用做路基填料時(shí)會(huì)引發(fā)路面泥濘、溶陷、路基翻漿等問題[1-2]．因此，在工程使用時(shí)需對該填料進(jìn)行固化處理．

固化土作為路堤填料使用時(shí)，其強(qiáng)度問題主要涉及抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度[3]．采用石灰、粉煤灰和 SH固土劑共同固化鹽漬土，制備不同配合比的固化土，對其進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)．經(jīng)固化土的掃描電鏡觀察證實(shí)，SH固土劑包裹了土顆粒，填充了部分孔隙，提高了土的憎水性．膠膜包裹土顆粒并在孔隙中形成了絲網(wǎng)狀聯(lián)結(jié)，增強(qiáng)了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力，使固化土的抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)性得到提高[4-6]．與鹽漬土相比，固化土的抗壓強(qiáng)度大幅提高，試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，選擇的固化方案可行．

依據(jù)固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，選擇其中兩種適宜的固化方法，并確定了最優(yōu)的固化材料配合比．隨后完成了石灰+粉煤灰固化鹽漬土、SH 固土劑+石灰+粉煤灰固化鹽漬土的三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，對抗剪強(qiáng)度的變化及偏應(yīng)力應(yīng)變性能進(jìn)行研究．

1 試驗(yàn)材料與樣品制備

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

試驗(yàn)用土取自天津?yàn)I海新區(qū)，為粉質(zhì)黏土，塑性指數(shù)為12.9，含鹽量2.64,%；水泥為32.5#的普通硅酸鹽水泥；石灰為二級生石灰粉，有效鈣鎂成分含量70,%；粉煤灰取自天津軍糧城發(fā)電廠；SH固土劑為水溶性液體高分子材料，無毒無污染，主要成分為改性的聚乙烯醇．

試驗(yàn)使用國家電力公司南京自動(dòng)化設(shè)備總廠制造的 SJ-1A型應(yīng)變控制式三軸剪力儀，選擇不固結(jié)不排水剪切，剪切速率為0.368,mm/min，圍壓為 100，200，300，400,kPa．

1.2 樣品制備

依據(jù)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，并結(jié)合濱海鹽漬土地區(qū)的路堤填筑經(jīng)驗(yàn)，選擇試樣的含水率為20,%，干密度1.65,g/cm3．按所需的水量，加水拌和濱海鹽漬土，再放入密閉的塑料袋中靜置 24,h，使水分均勻浸潤土顆粒．然后將固化材料加入土中，均勻拌和，使用千斤頂雙向靜力擠壓制備試樣，靜置 3,min后緩慢推出，放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù) 7,d．試樣直徑 39.1,mm、高80,mm．一組試樣養(yǎng)護(hù)結(jié)束后即進(jìn)行試驗(yàn)；另一組試樣在養(yǎng)護(hù)結(jié)束的前一天抽氣飽和，并在水下靜置24,h．

根據(jù)已完成的固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，制定鹽漬土的固化方案：A組為鹽漬土；B組為石灰∶粉煤灰∶土＝12∶48∶40；C組為石灰∶粉煤灰∶土∶SH固土劑＝12∶48∶40∶3．

2 固化土的抗剪強(qiáng)度

鹽漬土、石灰+粉煤灰+鹽漬土和 SH固土劑+石灰+粉煤灰+鹽漬土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)見表 1，其抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線見圖1．

表1 鹽漬土與固化土的抗剪強(qiáng)度

由表 1可以看出：試樣處于非飽和狀態(tài)時(shí)，與鹽漬土相比，B組的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別增加了37,%和20,%；飽和后，鹽漬土的內(nèi)摩擦角為0，B組黏聚力較非飽和狀態(tài)有所降低，但內(nèi)摩擦角的變化較??；C組與 A組相比，試樣處于非飽和狀態(tài)時(shí)，C組的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別增加了 94,%和 23,%；飽和后黏聚力增加了 436,%；C組黏聚力和內(nèi)摩擦角的增幅均大于B組．

圖1 抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線

由圖 1可以看出：抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線近似直線．依據(jù) Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，破壞面上的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力滿足函數(shù)關(guān)系

其中：c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角．

石灰+粉煤灰+鹽漬土的黏聚力增大的原因在于：將石灰、粉煤灰混合后，主要發(fā)生的固化反應(yīng)為硬凝反應(yīng)[7]．粉煤灰中含有大量的活性 SiO2、Al2O3、Fe2O3等酸性氧化物，含量約 475,%以上，只有少量的 CaO，使得粉煤灰的自凝性較差，在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)方面表現(xiàn)為黏聚力值較低；而生石灰中的化學(xué)成分主要是CaO，這兩種材料經(jīng)拌和壓實(shí)后，在一定含水率條件下發(fā)生一系列水化反應(yīng)，其反應(yīng)過程如下[8]

水化硅酸鈣(CaO·SiO2·nH2O)、水化鋁酸鈣(CaO·Al2O3·nH2O)以及水化鐵酸鈣(CaO·Fe2O3·n H2O)等化合物為不溶于水的穩(wěn)定性結(jié)晶生成物，可在空氣和水中逐漸硬化．將石灰和粉煤灰拌和物中的固體顆粒膠結(jié)在一起，形成了較大的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致固化鹽漬土的黏聚力和內(nèi)摩擦角顯著增大．

SH固土劑的主要成分是聚乙烯醇，與土顆粒接觸后會(huì)發(fā)生化學(xué)作用、螯合作用、吸附作用和絮凝作用[9]．將 SH 固土劑摻入土中，聚乙烯醇的羧基團(tuán)與黏土表面硅酸鹽層中的氧形成氫鍵，并牢固吸附于黏土顆粒表面，使土成為一個(gè)不溶性的、富有彈性的、網(wǎng)絡(luò)狀的膠凝整體．SH固土劑與土顆粒的物理化學(xué)作用是不可逆的．SH固土劑干燥后形成具有黏彈性長鏈狀的連續(xù)性絲狀膜層，膜與土顆粒牢固黏結(jié)成為整體．絲狀膜層在凹凸不平的土顆粒表面和細(xì)縫中穿梭連結(jié)，呈空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)．另外，SH固土劑在成膜過程中堵塞了土的毛細(xì)孔道和微孔隙，使土顆粒間的界面黏結(jié)強(qiáng)度增加，從而提高了固化土的強(qiáng)度[10]．固化土的微結(jié)構(gòu)見圖2．

圖2 養(yǎng)護(hù)一周浸水后的固化土微結(jié)構(gòu)形貌

圖2為土樣養(yǎng)護(hù)一周后再浸水24 h的微結(jié)構(gòu)形貌．孔隙中和土顆粒周圍依然吸附有 SH固土劑(照片中的淺色部分)，表明 SH固土劑在一周齡期內(nèi)已形成了初步的吸附和絲狀連結(jié)．

3 鹽漬土和固化土的偏應(yīng)力應(yīng)變特征

3.1 鹽漬土的偏應(yīng)力應(yīng)變特征

圖3為鹽漬土的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線．

鹽漬土的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線沒有出現(xiàn)明顯的峰值，呈現(xiàn)應(yīng)變硬化型，試樣為塑性破壞．軸向應(yīng)變大于 4%，發(fā)生塑性應(yīng)變，應(yīng)力不再繼續(xù)增加，塑性應(yīng)變持續(xù)發(fā)展，直至鹽漬土破壞．

3.2 石灰+粉煤灰固化土的偏應(yīng)力應(yīng)變特征

圖 4為石灰+粉煤灰固化土的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線．

圖3 鹽漬土的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線

圖4 石灰+粉煤灰固化土的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線

圖 4顯示：曲線的初始階段為直線，固化土處于彈性變形階段；達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)，固化土除彈性變形以外，還出現(xiàn)了不可恢復(fù)的塑性變形，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈非線性關(guān)系．

石灰+粉煤灰固化土的偏應(yīng)力達(dá)到峰值后，偏應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而降低，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型，試樣表現(xiàn)為脆性破壞．

在非飽和狀態(tài)時(shí)，曲線出現(xiàn)峰值后急劇下降，殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度相差較大，在圍壓為100 kPa時(shí)表現(xiàn)最為明顯．在圍壓為 100，300 kPa時(shí)，偏應(yīng)力降到一定值后，隨著應(yīng)變的增大偏應(yīng)力逐漸增大，表現(xiàn)出應(yīng)變硬化現(xiàn)象；但在飽和狀態(tài)下，沒有出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象．

3.3 SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土的偏應(yīng)力應(yīng)變特征

圖 5為 SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線．

SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化趨勢與石灰+粉煤灰固化土的基本相同，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型．

圖5 SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變曲線

與圖4相比，在各級圍壓下，SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土的峰值強(qiáng)度增大，應(yīng)力應(yīng)變曲線變化較為平緩，殘余強(qiáng)度和峰值強(qiáng)度的差值明顯減小，表明SH固土劑的固化作用提高了土的抗剪強(qiáng)度．

在非飽和狀態(tài)和飽和狀態(tài)下，隨著圍壓的增加，SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線逐漸由應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型．說明SH固土劑明顯改善了土的抗變形能力．

4 破壞形態(tài)

鹽漬土、SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土試樣在三軸壓縮試驗(yàn)后的破壞形態(tài)如圖6所示．

圖6 三軸壓縮試驗(yàn)后的試樣破壞形態(tài)

鹽漬土試樣以塑性變形為主，呈鼓脹性破壞，沒有明顯的剪切面，試樣的鼓脹部分表面出現(xiàn)了 45°且相互交叉的微裂紋；SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土試樣的破壞沒有明顯的鼓脹，而呈脆性破壞，在試樣表面出現(xiàn)了與水平面呈約 45°的剪切破壞面，并伴隨有許多微裂縫．

5 結(jié) 論

(1)在采用石灰+粉煤灰+SH固土劑固化的濱海鹽漬土中，SH固土劑包裹了土顆粒，封閉了部分孔隙，增強(qiáng)了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，使固化土的黏聚力大幅增加，而內(nèi)摩擦角的增量相對較?。?/p>

(2)鹽漬土的偏應(yīng)力應(yīng)變曲線無明顯峰值，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變硬化型，試樣以塑性變形為主，為鼓脹破壞，沒有明顯的剪切面．

(3)石灰+粉煤灰固化土、SH 固土劑+石灰+粉煤灰的固化土的偏應(yīng)力應(yīng)變曲線在初始階段為直線，固化土處于彈性變形階段；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力時(shí)，固化土偏應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而降低，應(yīng)力應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型，為脆性破壞．

(4)SH固土劑提高了固化土的強(qiáng)度和抗變形能力．在各級圍壓下，SH固土劑+石灰+粉煤灰固化土的峰值強(qiáng)度大幅增加，應(yīng)力應(yīng)變曲線變化平緩，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，由應(yīng)變軟化型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變硬化型，峰值與殘余強(qiáng)度的差值減小．

［1］周 琦，鄧 安，韓文峰，等. 固化濱海鹽漬土耐久性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)，2007，28(6)：1 129-1 132.

［2］趙海艷，張 淵，韓文峰. 我國北方濱海鹽漬土的工程特性研究[J]. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，11(4)：250-253.

［3］劉迎春，李 浩，徐永福. 濱海鹽漬土的工程特性[J].路基工程，2007，3：57-59.

［4］劉付華，柴壽喜，張學(xué)兵，等. 二灰固化濱海鹽漬土抗壓強(qiáng)度的影響因素[J]. 湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28(2)：118-122.

［5］柴壽喜，王曉燕，魏 麗，等. 五種固化濱海鹽漬土強(qiáng)度與工程適用性評價(jià)[J]. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，28(1)：59-62.

［6］周 琦，韓文峰，鄧 安，等. 濱海鹽漬土作公路路基填料試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(9)：1.177-1.180.

［7］劉付華. 二灰和高分子材料固化濱海鹽漬土作公路路堤填料試驗(yàn)研究[D]. 天津：天津城市建設(shè)學(xué)院，2006.

［8］覃銀輝，何 瑋，柴壽喜，等. 濱海鹽漬土固化后物理力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J]. 西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，39(3)：408-412.

［9］柴壽喜. 固化濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性研究[D]. 蘭州：蘭州大學(xué)，2006.

［10］劉付華，郭 英，曹 權(quán)，等. 濱海鹽漬土改良與利用新途徑試驗(yàn)研究[J]. 天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，11(4)：254-257.

Analysis on Shear Strength and Deviator Stress-strain of Solidified Saline Soil in Inshore

ZHOU Xiao-peng1，WANG Pei2
(1. Tianjin Binhai New Area Construction and Investment Group Co.，Ltd.，Tianjin 300000，China；2. Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China)

The mixture consisting of lime, flyash and polymer (SH agent) can be used to solidify saline soil in inshore, which can satisfy the demand for high strength and anti-deformation in the use of road fillings. On the basis of optimizing the results of differently unconfined compressive strength tests of solidified soils, two kinds of solidified soils are selected for triaxial shear test. And then the characteristics of the shear strength and deviator stress-strain of the solidified soils are analyzed. The results show that the cohesion of the solidified soils consisting of SH agent is much better than that of saline soil, and their friction angle hardly increases. Meanwhile the results indicate that the deviator stress-strain of the solidified soils belongs to strain-softening type,and the samples appear in a brittle failure state, and the shear strength and anti-deformation of two kinds of solidified soils increases greatly, and the solidified soils consisting of SH agent are much better.

saline soil in inshore；solidified soils；shear strength；deviator stress-strain

TU448

A

1006-6853(2010)02-0095-04

2010-01-06；

2010-03-15

周曉鵬（1977—），男，天津人，天津?yàn)I海新區(qū)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司工程師.