石灰與麥秸稈加筋固化濱海鹽漬土的強(qiáng)度增長(zhǎng)分析

張午斌，柴壽喜，余 沛

(天津城市建設(shè)學(xué)院 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

石灰與麥秸稈加筋固化濱海鹽漬土的強(qiáng)度增長(zhǎng)分析

張午斌，柴壽喜，余 沛

(天津城市建設(shè)學(xué)院 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

濱海鹽漬土易于吸濕軟化，強(qiáng)度較低，將濱海鹽漬土資源化，改良用作公路路基填料已經(jīng)成為重要的巖土工程問題．筆者提出使用麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土，并分別從石灰固化、壓密固結(jié)原理、加筋處理、密度、圍壓、顆粒級(jí)配等方面，對(duì)麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土的強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行分析.結(jié)果表明：麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土，利用石灰土的良好顆粒級(jí)配與麥秸稈對(duì)石灰土的有效約束，通過壓實(shí)提高土密度、增大麥秸稈與石灰土間的相互作用，改善濱海鹽漬土的強(qiáng)度與整體穩(wěn)定性.

濱海鹽漬土；麥秸稈；加筋；石灰固化土

天津?yàn)I海地區(qū)地下水位淺、礦化度高，鹽漬土主要以細(xì)顆粒的黏土和粉質(zhì)黏土為主，孔隙細(xì)小.受水分蒸發(fā)影響，發(fā)生鹽分結(jié)晶，一部分填充于土孔隙中，另一部分充當(dāng)顆粒骨架起承載作用；受毛細(xì)水上升影響，固體鹽顆粒溶化[1]，鹽漬土的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，強(qiáng)度降低.當(dāng)濱海鹽漬土直接用于工程生產(chǎn)時(shí)，會(huì)引發(fā)諸多病害.如：用作公路路基填料會(huì)出現(xiàn)路面泥濘、溶陷、路基翻漿、凍脹等現(xiàn)象[2-4].

對(duì)于缺乏優(yōu)質(zhì)路基填料(如級(jí)配碎石和礫石)的天津?yàn)I海鹽漬土地區(qū)，采用砂石料處理公路路基或填筑路面基層、底基層，將大幅度增加公路建設(shè)的成本[4]；同時(shí)，可采用有機(jī)固化材料對(duì)濱海鹽漬土進(jìn)行改性固化，投資成本也相對(duì)過高.因此，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保方面出發(fā)，在保證工程質(zhì)量、減少砂石、有機(jī)固化材料用量的條件下，采用新型改性固化方式對(duì)濱海鹽漬土進(jìn)行處理，進(jìn)而將濱海鹽漬土資源化.麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土價(jià)格低廉、施工方便，已有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：麥秸稈與石灰加筋固化可以有效提高濱海鹽漬土的強(qiáng)度[5-6].

鹽漬土的改性固化有物理、化學(xué)、物理化學(xué)方法.石灰固化是化學(xué)固化方法，壓密、加筋處理是物理方法.國(guó)內(nèi)外已有眾多學(xué)者對(duì)土的石灰固化、壓密固結(jié)原理、加筋處理進(jìn)行了研究.梁乃興[7]、薛煥東[8]等人研究了石灰加固土作用原理；姜景山[9]等人分析研究了密度和圍壓對(duì)粗粒土力學(xué)性質(zhì)的影響；王俊林[10]探討了土工織物抗拔力的作用機(jī)理；TEMEL Y[11]等人對(duì)離散型纖維加筋砂土的剪切強(qiáng)度性質(zhì)進(jìn)行了分析；PRABAKAR J[12]、ROBERTO M[13]等人進(jìn)行了劍麻纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)土強(qiáng)度的影響.

根據(jù)已有的研究成果，筆者從石灰固化、壓密固結(jié)原理、加筋處理、密度、圍壓、顆粒級(jí)配等方面，對(duì)麥秸稈與石灰加筋固化提高濱海鹽漬土強(qiáng)度的作用機(jī)制進(jìn)行了分析.

1 濱海鹽漬土的改性固化

1.1 濱海鹽漬土強(qiáng)度降低的原因

濱海鹽漬土在改性固化前后，由于土中毛細(xì)水上升、水分蒸發(fā)共同作用引起鹽分的相態(tài)變化而導(dǎo)致鹽漬土強(qiáng)度較低.在傳統(tǒng)的石灰改性固化以后，由于石灰土受壓變形過大和少量微裂縫的存在與發(fā)展共同導(dǎo)致濱海鹽漬土強(qiáng)度降低．通過消除鹽漬土中鹽分的相態(tài)變化這一方式來提高土強(qiáng)度、降低成本，但實(shí)際中很少使用.為了將濱海鹽漬土資源化，在對(duì)濱海鹽漬土進(jìn)行改性固化處理時(shí)，應(yīng)該從阻止土的過大變形與微裂縫的發(fā)展來提高濱海鹽漬土的強(qiáng)度.

1.2 濱海鹽漬土的改性固化方法

鹽漬土的改性固化有物理方法、化學(xué)方法、物理化學(xué)方法.物理方法主要有壓密、加筋處理、換填土層；化學(xué)方法主要有固化材料的固化；物理化學(xué)方法主要是通過物理與化學(xué)方法的結(jié)合.

壓密是通過對(duì)土施加豎向荷載來增大土密度而提高土強(qiáng)度．加筋處理是通過抗拉材料對(duì)土的側(cè)向約束來減小土的側(cè)向變形、阻止裂縫發(fā)展而提高土的強(qiáng)度．其中，側(cè)向約束與圍壓間的關(guān)系可以用等效附加應(yīng)力原理進(jìn)行解釋[14]．固化材料改性固化是通過固化材料與有一定含水量的鹽漬土混合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成大量的富含結(jié)晶水的針狀結(jié)晶體穿插在土孔隙中搭接成網(wǎng)，形成強(qiáng)度骨架．其次，生成硅酸鹽類水化產(chǎn)物填充在骨架之中，使固化體系進(jìn)一步密實(shí)[15]，進(jìn)而提高土強(qiáng)度．換填土層是通過換填較大顆粒的碎石、砂土等來提高土強(qiáng)度.

濱海鹽漬土以細(xì)顆粒的黏土和粉質(zhì)黏土為主，孔隙細(xì)小．在黏性土中加入石灰，其中發(fā)生反應(yīng)而形成大量粗粒料，由于粗粒料的支撐作用而抵抗土的較大變形[16]，減小土中微裂縫的發(fā)展．粗粒土的結(jié)構(gòu)性是決定其力學(xué)性質(zhì)的根本原因．對(duì)于同一種粗粒土，初始密度決定了粗粒土的初始結(jié)構(gòu)性；圍壓形成了不同的應(yīng)力誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)性；密度和圍壓是決定其結(jié)構(gòu)性的重要因素[9]．提高石灰土的密度、增大石灰土的圍壓可以有效提高其抗剪強(qiáng)度[17-18]．從密度、側(cè)限、顆粒級(jí)配對(duì)鹽漬土進(jìn)行改性固化，可以達(dá)到實(shí)際可行的最佳效果[9].

1.3 加筋固化材料的選用

麥秸稈是具有一定的拉力和延伸率的線狀材料[12]，其極限拉力為63～68,kN、極限延伸率為1.24%～1.38%、平均極限拉力為 65,kN、平均極限延伸率為 1.3%．拉力與延伸率的變化規(guī)律協(xié)調(diào)一致，表明麥秸稈能夠適應(yīng)較大的土變形，適宜作加筋材料使用[19].

石灰土造價(jià)低廉且具有較高的強(qiáng)度、較強(qiáng)的板體性等特征，工程上大多采用石灰對(duì)濱海鹽漬土進(jìn)行改性固化[20-21]．在改性固化過程中，石灰與土發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，使土的結(jié)構(gòu)變得密實(shí)、土顆粒增大，鹽漬土的強(qiáng)度得到較大提高[7-8].

用化學(xué)固化方法中的石灰固化與物理方法中的加筋處理來共同提高濱海鹽漬土強(qiáng)度，應(yīng)該會(huì)取得較好的效果．李敏[6]、楊繼位[5]利用麥秸稈與石灰對(duì)濱海鹽漬土進(jìn)行改性固化試驗(yàn)，結(jié)果表明：麥秸稈與石灰共同提高濱海鹽漬土強(qiáng)度的效果優(yōu)于單一的石灰固化或麥秸稈加筋固化濱海鹽漬土.

2 麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土的加筋補(bǔ)強(qiáng)機(jī)制

麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土是將一定長(zhǎng)度的劈裂麥秸稈、石灰、鹽漬土按一定的比例隨機(jī)拌和并經(jīng)壓實(shí)而形成的共同受力、協(xié)調(diào)變形的均勻復(fù)合體．受外荷載作用時(shí)，麥秸稈與石灰固化土間就會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)或錯(cuò)動(dòng)趨勢(shì)，通過相互間的摩擦力將麥秸稈的抗拉性能與石灰土的高抗壓強(qiáng)度相互結(jié)合，從而進(jìn)一步提高濱海鹽漬土的強(qiáng)度與整體穩(wěn)定性.

加筋土的抗剪作用決定于土的強(qiáng)度、筋材的抗拉性能以及筋材與土間的力的傳遞[22]．從石灰與濱海鹽漬土間的相互作用、麥秸稈與石灰土間的相互作用兩個(gè)方面，筆者對(duì)麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土的強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行了分析.

2.1 石灰與濱海鹽漬土間的相互作用

粗粒料是加筋土工程中的優(yōu)選填料[17]．在鹽漬土中加入石灰，由于石灰在施工過程中不可能徹底的粉碎，石灰土間的拌和也不可能完全均勻，所以化學(xué)反應(yīng)就只限于石灰與土粒間的接觸面．在土粒表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的硅酸鈣、硅酸鋁將內(nèi)部土顆粒包裹并與相鄰?fù)令w粒膠合而形成一個(gè)整體[8]．石灰土的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷松散粒狀結(jié)構(gòu)、顆粒間產(chǎn)生凝膠、膠結(jié)土顆粒部分凝膠結(jié)晶、形成連成一體的整體結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化過程[7]．其中未參與反應(yīng)且未被包裹的小土顆粒填充于石灰土孔隙當(dāng)中，使石灰土具有良好的顆粒級(jí)配.

2.2 麥秸稈與石灰土間的相互作用

無機(jī)結(jié)合料固化鹽漬土的一個(gè)明顯缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低、抗變形能力差[16]．石灰土在碾壓完成一段時(shí)間之后往往會(huì)由于土的干縮而出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫[20]．麥秸稈相對(duì)柔軟，填筑碾壓時(shí)可與填土緊密結(jié)合，甚至形成波浪形，提供較好的抗拉拔能力，使土與筋帶間共同抵抗變形的能力增強(qiáng)[23]，從而提高土的抗拉強(qiáng)度與抗變形能力.

石灰土的抗剪強(qiáng)度隨著圍壓的增加而增大[17-18].麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土受壓產(chǎn)生變形增大與微裂縫發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，石灰土中各個(gè)方向的麥秸稈與石灰土間的黏結(jié)應(yīng)力共同作用，在垂直于裂縫方向上產(chǎn)生局部黏結(jié)應(yīng)力，使裂縫兩邊的石灰土受拉，麥秸稈與石灰土間形成一種“拉錨效應(yīng)”．加大土圍壓，增強(qiáng)土顆粒間的咬合作用，阻斷剪切面的延伸，表現(xiàn)為土的似摩擦角、準(zhǔn)黏聚力的提高，從而提高其側(cè)向約束，減小側(cè)向變形．其中，側(cè)向約束與圍壓間的關(guān)系可以用等效附加應(yīng)力原理進(jìn)行解釋[14].

麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土這種隨機(jī)拌和的布筋方式可以有效地避免單向加筋土的單向加筋效果．單向加筋土?xí)捎诓糠旨羟忻嫜刂咏罘较虬l(fā)生，使加筋作用未能得到充分發(fā)揮而抗剪強(qiáng)度較低[24]．同時(shí)，麥秸稈與石灰加筋固化提高濱海鹽漬土強(qiáng)度也可以用纖維土的補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理[25-26]加以解釋．彎曲加筋：麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土承受外力作用時(shí)，在麥秸稈的受壓彎曲凹側(cè)面將會(huì)產(chǎn)生對(duì)土顆粒的反壓力與摩擦力，起到加固土作用；交織加筋：麥秸稈與石灰土均勻地拌和在一起，這種無序分布的加筋方式使麥秸稈相互間存在許多交織點(diǎn).通過這些交織點(diǎn)相互牽制，共同作用，對(duì)土起到空間的約束作用．受壓彎曲麥秸稈與石灰土顆粒均勻地交織在一起形成空間骨架，通過石灰土顆粒間的咬合、麥秸稈與石灰土間的摩擦力、麥秸稈對(duì)石灰土的空間約束力，使加筋土整體受力，協(xié)調(diào)變形，如圖1所示.

圖1 麥秸稈加筋土的彎曲機(jī)理與交織機(jī)理示意

麥秸稈與石灰固化土間的可靠黏結(jié)，是保證麥秸稈與石灰土這兩種力學(xué)性能截然不同的材料在同一受力體系中共同工作的基本前提．麥秸稈與石灰固化土間的黏結(jié)力主要有兩部分組成：一部分是麥秸稈與石灰固化土接觸面上的化學(xué)吸附作用力，也就是化學(xué)膠結(jié)力．這種力一般很小，當(dāng)接觸面發(fā)生相對(duì)滑移時(shí)就消失，僅在局部無滑移區(qū)內(nèi)起作用；另一部分是麥秸稈與石灰固化土間的摩擦力，也就是石灰土凝固收縮將麥秸稈包裹而產(chǎn)生的摩擦力.

麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土間的可靠黏結(jié)力來源主要有：①石灰與濱海鹽漬土間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成較大團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，改變相互間的位置較為困難，從而增加麥秸稈與石灰土間的摩擦系數(shù)；②用劈裂麥秸稈作為加筋材料，與自然狀態(tài)的麥秸稈相比，既可以在相同用量的情況下增大它與土顆粒間的接觸面，增加相互間的摩擦力，進(jìn)而增強(qiáng)石灰土對(duì)麥秸稈的摩擦力，又可以避免自然狀態(tài)的麥秸稈由于橫向受壓、變形而引起麥秸稈與石灰土間的擠壓力減小，摩擦力降低；③石灰土的強(qiáng)度隨著密度的增加而增長(zhǎng)[17-18]，密度每增減1%，強(qiáng)度相應(yīng)的增減4%[8]，且加筋土的摩擦力隨正應(yīng)力的增加而增大[10,17,27]．用夯實(shí)法、堆載預(yù)壓法[28]等提高麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土密度的同時(shí)，可將其含水率控制為最優(yōu)含水率，增強(qiáng)麥秸稈與石灰土間的相互作用．

3 結(jié) 語

麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土是利用石灰土的良好顆粒級(jí)配與麥秸稈對(duì)石灰土的有效約束，通過壓實(shí)提高土密度、增大麥秸稈與石灰土間的相互作用，從而有效地改善濱海鹽漬土強(qiáng)度與整體穩(wěn)定性，將濱海鹽漬土資源化．

濱海鹽漬土的改性固化可以在傳統(tǒng)的加筋處理中嘗試使用更多的廉價(jià)加筋材料與不同的布筋方式，在節(jié)約成本的同時(shí)達(dá)到相應(yīng)的加筋效果；在擴(kuò)展加筋材料使用范圍的同時(shí)又可以豐富物理化學(xué)固化方法的內(nèi)容．麥秸稈與石灰加筋固化濱海鹽漬土這一新型改性固化方式具有廣闊的應(yīng)用前景．

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Analysis of Strength Increasing of Solidified Lime-Saline Soil by Wheat Straw

ZHANG Wu-bin，CHAI Shou-xi，YU Pei
(Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TIUC，Tianjin 300384，China)

Owing to some problems of saline soil in inshore such as softening，lower strength，etc．，the saline soil in inshore is utilized as resources by means of improving saline soil in inshore for highway embankment fillings. Solidifying saline soil in inshore by using wheat straw and lime is put forward in this paper，meanwhile the strength increasing mechanism of solidifying lime-saline soil by using wheat straw and lime is analyzed respectively from the aspects of lime stabilization principle，loading consolidation principle，reinforcement treatment，as well as the point of views on density，confining pressure，particle gradation. The results show that the strength and stability of saline soil in inshore is effectively improved while it is solidified by wheat straw and lime which respectively possesses effective steric constraints and good lime-soil particle gradation，and the interaction between wheat straw and lime-soil is greatly increased by increasing density of soil through compaction．

saline soil in inshore；wheat straw；reinforcement；lime-soil

TU448

A

1006-6853(2010)04-0233-04

2010-03-22；

2010-04-06

國(guó)家自然科學(xué)基金（40772166）；天津市自然科學(xué)基金（07JCYBJC12900）

張午斌（1984—），男，山西忻州人，天津城市建設(shè)學(xué)院碩士生．

（編輯：張?zhí)m娜）