固化劑加固凍結(jié)鹽漬土工程特性試驗(yàn)研究

禹冠男

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150090)

固化劑加固凍結(jié)鹽漬土工程特性試驗(yàn)研究

禹冠男

(黑龍江省龍建路橋第四工程有限公司, 黑龍江 哈爾濱 150090)

通過對(duì)凍結(jié)鹽漬土進(jìn)行三軸試驗(yàn)，研究固化劑加固前后凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度特性與強(qiáng)度相對(duì)提高率變化規(guī)律。研究表明，凍結(jié)鹽漬土的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線為應(yīng)變硬化型。為了有效改善鹽漬土性能采用固化劑進(jìn)行改良，有效增強(qiáng)土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性，固化劑是良好的改良材料。凍結(jié)固化鹽漬土的偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，隨著固化劑摻量增加早期強(qiáng)度、彈性模量和破壞強(qiáng)度呈先增后減變化趨勢，殘余強(qiáng)度增加，殘余強(qiáng)度比呈先減后增變化趨勢。固化劑對(duì)凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度相對(duì)提高率從兩方面進(jìn)行分析：強(qiáng)度提高系數(shù)(破壞時(shí)對(duì)比)和規(guī)格化應(yīng)力(整個(gè)受力變形過程對(duì)比)；固化劑加固后凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度相對(duì)提高率均大于1，說明固化劑對(duì)凍結(jié)鹽漬土有良好的加固作用；隨著固化劑摻量的增加，固化凍結(jié)鹽漬土的強(qiáng)度相對(duì)提高率呈先增后減變化趨勢。因此，固化劑摻量為6%時(shí)土體強(qiáng)度最佳，抵抗變形的能力最強(qiáng)，即最為合理的加固方案。

凍結(jié)鹽漬土; 三軸試驗(yàn); 固化劑; 偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系; 強(qiáng)度相對(duì)提高率

由于鹽漬土具有鹽脹性、腐蝕性與溶陷性等缺點(diǎn)，從工程性能和經(jīng)濟(jì)性考慮，宜采用土壤固化劑的方法對(duì)鹽漬土進(jìn)行改良處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足工程使用的優(yōu)質(zhì)土質(zhì)，具有良好強(qiáng)度和抗變形能力。Milburn等[1]采用石灰、火山灰與混凝土對(duì)鹽漬土進(jìn)行加固，分析不同凍融循環(huán)和干濕循環(huán)條件下改良鹽漬土力學(xué)特性。研究表明，在液塑限方面，三者改良鹽漬土均有所提升，其中，石灰鹽漬土改良成效更佳；在抗壓強(qiáng)度方面，石灰與混凝土改良效果更佳。Celik等[2]研究高爐礦渣微粉改良鹽漬土表明，石灰能有效抑制細(xì)顆粒膨脹土本身膨脹性，而高爐礦渣微粉則能有效減緩硫酸鹽在石灰改良鹽漬土的不良影響。王沛等[3]通過三軸壓縮試驗(yàn)研究不同加固材料(水泥、粉煤灰、石灰與高分子SH)改良濱海鹽漬土的強(qiáng)度與變形特性。研究表明，水泥與石灰、石灰與粉煤灰兩種固化土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為軟化型，石灰固化土表現(xiàn)為硬化型；SH固化劑可有效提升侵水前后鹽漬土強(qiáng)度、抗變形能力與水穩(wěn)定性；六種改良方案中，0.9%SH、12%石灰、36%粉煤灰共同加固最適宜。周琦等[4]采用石灰、水泥和SH高分子材料加固濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)具有較好的加固效果。方秋陽[5]研究不同凍融循環(huán)下固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度及變形特性表明，凍融前后鹽漬土表現(xiàn)為從應(yīng)變軟化型向硬化型轉(zhuǎn)化，石灰鹽漬土、石灰與SH固化鹽漬土均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型；3種加固鹽漬土均隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加抗壓強(qiáng)度減小，其中，石灰與SH固化鹽漬土最為有效；當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，石灰與SH固化鹽漬土隨著含水率增加抗壓強(qiáng)度減小，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線不斷趨于平穩(wěn)，脆性不斷減弱。

對(duì)于無優(yōu)質(zhì)路基填料地區(qū)，為了節(jié)省砂石料用量和降低工程造價(jià)，需采用就地取材改良鹽漬土提高力學(xué)性能達(dá)到工程需求，現(xiàn)已成為工程建設(shè)需要迫切解決的技術(shù)問題。

1 試樣制備與試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)材料與試樣制備

試驗(yàn)用土取自黑龍江省大慶市，為粉質(zhì)粘土。重型擊實(shí)試驗(yàn)的最優(yōu)含水量為15.8%，最大干密度為1.78 g/cm3。鹽漬土試樣的制備采用壓樣法，依據(jù)高速公路與鐵路基床填料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，鹽漬土和固化鹽漬土的壓實(shí)度控制均為95%。圓柱形試樣尺寸高度為125 mm，直徑為61.8 mm。首先，將土料與水拌合均勻放入塑料袋中，密封悶料24 h，制樣前摻入所需量固化劑，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方法對(duì)制備好試樣進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28 d備用。為了探索固化劑改良前后凍結(jié)鹽漬土的強(qiáng)度與變形性能，分別對(duì)凍結(jié)鹽漬土和凍結(jié)固化鹽漬土進(jìn)行三軸試驗(yàn)。凍結(jié)方法如下：將試樣置入-30 ℃的冷凍箱中凍結(jié)24 h，凍結(jié)完全后置入-6 ℃的恒溫箱24 h，再置入0 ℃的恒溫箱中融化24 h，完成一個(gè)融化過程，將其放入-6 ℃的冷凍箱快速凍結(jié)24 h，完成一個(gè)凍結(jié)過程。將試樣凍融循環(huán)3次后，放入溫度-6 ℃的恒溫箱內(nèi)24 h備用。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用設(shè)備為應(yīng)變式低溫三軸剪切儀，為了評(píng)價(jià)固化劑加固效果，對(duì)比凍結(jié)鹽漬土固化劑改良前后性能變化，對(duì)未加固凍結(jié)鹽漬土也進(jìn)行了試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)加載速率為1.25 mm/min。破壞標(biāo)準(zhǔn)：無應(yīng)力峰值點(diǎn)，應(yīng)變以達(dá)到20%為破壞；有峰值點(diǎn)，以應(yīng)力峰值點(diǎn)為破壞。試樣凍融循環(huán)3次，施加周圍壓力為300 kPa，溫度為-6 ℃，固化劑摻量為3%、4%、5%、6%、7%。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 固化劑改良凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度特性

由圖1可知，凍結(jié)鹽漬土偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線無明顯峰值點(diǎn)，隨著應(yīng)變?cè)黾樱珣?yīng)力不斷增加，最后趨于平穩(wěn)，呈應(yīng)變加工硬化型。凍結(jié)固化鹽漬土隨著應(yīng)變?cè)黾悠珣?yīng)力呈線性增加變化趨勢，但峰值點(diǎn)后偏應(yīng)力卻迅速減小，呈非線性變化趨勢，應(yīng)變達(dá)到較大值后，偏應(yīng)力不斷保持穩(wěn)定，呈應(yīng)變加工軟化型。

凍結(jié)鹽漬土彈性階段偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線緩坡上升，與凍結(jié)固化鹽漬土有所不同，凍結(jié)固化鹽漬土快速陡坡上升。固化劑摻入有效提高凍結(jié)鹽漬土的早期強(qiáng)度與彈性模量，且隨著固化劑摻量增加呈先增后減變化趨勢，在固化劑摻量為6%時(shí)早期性能最佳。

圖1 不同固化劑摻量凍結(jié)固化鹽漬土偏應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

由圖1、圖2和表1可知，為了滿足工程需求,采用固化劑進(jìn)行改良處理，固化劑對(duì)凍結(jié)鹽漬土的屈服強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度有明顯的提升能力，且峰值強(qiáng)度隨著固化劑摻量增加呈先增后減變化趨勢，而殘余強(qiáng)度表現(xiàn)增加趨勢，殘余強(qiáng)度比呈先減后增變化趨勢，研究表明固化劑摻量為6%時(shí)后期強(qiáng)度最佳。

究其原因發(fā)現(xiàn)固化劑摻入土中，使土中顆粒、礦物與固化劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)膠結(jié)硬化，土顆粒間孔隙被有效填充，改善土體結(jié)構(gòu)與性能，有效提升土體的強(qiáng)度和抗變形能力；同時(shí)，固化劑摻量越多，土與固化劑之間反應(yīng)越充分，膠結(jié)硬化產(chǎn)物越多，固化土性能越好，但達(dá)到一定固化劑摻量后，增加固化劑摻量已不能有效提高土體性能，反而增加工程造價(jià)，因此，選取合理的固化劑摻量顯得尤為重要。以上分析表明，固化劑摻量為6%時(shí)凍結(jié)固化鹽漬土的強(qiáng)度最好，抵抗變形的能力最強(qiáng)。

從工程適宜性與成本分析，在寒冷地區(qū)采用土壤固化劑對(duì)鹽漬土進(jìn)行改性，固化后可明顯提高鹽漬土強(qiáng)度與承載力，增強(qiáng)抵抗變形能力，可有效滿足工程技術(shù)要求，最合理固化劑處理方案為6%。

表1 凍結(jié)固化鹽漬土峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度比關(guān)系

圖2 凍結(jié)固化鹽漬土峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度與殘余強(qiáng)度比關(guān)系

2.2 凍結(jié)固化鹽漬土強(qiáng)度相對(duì)提高率分析

固化劑對(duì)凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度相對(duì)提高率從兩方面進(jìn)行分析，分別為：強(qiáng)度提高系數(shù)(破壞時(shí)對(duì)比)和規(guī)格化應(yīng)力(整個(gè)受力變形過程對(duì)比)。

2.2.1 強(qiáng)度提高系數(shù)

為了評(píng)價(jià)試樣破壞時(shí)固化劑加固效果，提出強(qiáng)度提高系數(shù)：

Rσ=(σ1-σ3)fg/(σ1-σ3)fs.

(4)

式中：Rσ為強(qiáng)度提高系數(shù)，(σ1-σ3)fg為固化土破壞偏應(yīng)力；(σ1-σ3)fs為未固化土的破壞偏應(yīng)力。

由圖3可知，固化劑加固后凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度提高系數(shù)均大于1，說明固化劑對(duì)凍結(jié)鹽漬土有良好的加固作用，破壞偏應(yīng)力相對(duì)提高率較明顯，固化劑能顯著改善凍結(jié)鹽漬土性能。隨著固化劑摻量的增加，凍結(jié)固化鹽漬土的強(qiáng)度提高系數(shù)呈先增后減變化趨勢，存在明顯峰值現(xiàn)象；即隨著固化劑摻量的增加，破壞偏應(yīng)力相對(duì)提高率增大，但當(dāng)達(dá)到一定的摻量后，再增加固化劑摻量，破壞應(yīng)力相對(duì)提高率不再增加反而減小因此，固化劑摻量為6%時(shí)破壞強(qiáng)度相對(duì)提高率最大，加固效果最為合理。

圖3 凍結(jié)固化鹽漬土強(qiáng)度提高系數(shù)

2.2.2 規(guī)格化強(qiáng)度分析

為了更好地對(duì)固化劑加固凍結(jié)鹽漬土前后整個(gè)受力變形過程進(jìn)行對(duì)比分析，提出規(guī)格化應(yīng)力(固化劑加固凍結(jié)鹽漬土前后應(yīng)力比)-應(yīng)變關(guān)系。

由圖4可知，規(guī)格化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分3個(gè)變化階段。急速下降段(0～5%)：加載初期小應(yīng)變情況下，固化劑對(duì)凍結(jié)鹽漬土加固效果最為明顯，偏應(yīng)力相對(duì)提高率較大，但隨著應(yīng)變?cè)黾?，?guī)格化應(yīng)力快速減??；勻速下降段(5%～15%)：隨著應(yīng)變?cè)黾?，?guī)格化應(yīng)力勻速減小，曲線斜率不斷變緩；平穩(wěn)匯交段(大于15%)：當(dāng)應(yīng)變較大，達(dá)到一定值后，隨著應(yīng)變?cè)黾?，?guī)格化應(yīng)力增加相對(duì)比較小，不斷趨于平穩(wěn)，且匯交于一條線，說明到此應(yīng)變階段凍結(jié)鹽漬土加固效果不再受固化劑摻量的影響。

整個(gè)試驗(yàn)受力變形過程中，規(guī)格化應(yīng)力均大于1，說明在加載過程中每一時(shí)刻固化劑均起到很好的加固作用，每一應(yīng)變處強(qiáng)度相對(duì)均明顯提高，固化劑表現(xiàn)出良好的加固性能。隨著固化劑摻量的增加，固化劑對(duì)凍結(jié)鹽漬土加固作用相對(duì)提高率呈先增后減變化趨勢，在固化劑摻量為6%時(shí)效果最佳，特別是加載初期階段效果更為明顯，但當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥?5%后，加固作用不再受固化劑摻量的影響，即固化劑摻量增多對(duì)土體加固作用提升不明顯。

圖4 凍結(jié)固化鹽漬土規(guī)格化應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

3 結(jié)束語

1)固化劑摻入明顯改變凍結(jié)鹽漬土應(yīng)力應(yīng)變類型，由凍結(jié)鹽漬土的應(yīng)變硬化型特征轉(zhuǎn)變?yōu)楣袒瘍鼋Y(jié)鹽漬土的應(yīng)變軟化型特征。

2)采用固化劑加固鹽漬土，有效提升凍結(jié)鹽漬土強(qiáng)度，增強(qiáng)其抵抗變形的能力。隨著固化劑的增加，凍結(jié)固結(jié)鹽漬土的早期強(qiáng)度、彈性模量和破壞強(qiáng)度均存在一個(gè)峰值點(diǎn)，表現(xiàn)為先增加后減小的變化規(guī)律，這表明固化劑摻量為6%時(shí)加固效果最佳；隨著固化劑的增加，凍結(jié)固化鹽漬土的殘余強(qiáng)度增加，殘余強(qiáng)度比表現(xiàn)為先減小后增加的變化規(guī)律。

3)固化劑對(duì)凍結(jié)鹽漬土改良的提升效果采用強(qiáng)度相對(duì)提高率來評(píng)價(jià)，從強(qiáng)度提高系數(shù)和規(guī)格化應(yīng)力兩個(gè)不同評(píng)價(jià)方式分析。經(jīng)固化劑改良后凍結(jié)鹽漬土加固效果明顯，強(qiáng)度相對(duì)提高率均表現(xiàn)為大于1，能有效改善凍結(jié)鹽漬土工程性能。

4)固化劑摻量對(duì)改良后鹽漬土有重要的影響。隨著固化劑摻量的增加，固化凍結(jié)鹽漬土的強(qiáng)度相 對(duì)提高率變化規(guī)律表現(xiàn)為先增加后減小的趨勢，存在明顯峰值點(diǎn)。因此，固化劑最為合理的加固方案為摻量6%，此時(shí)固化土體現(xiàn)出最佳的強(qiáng)度和抵抗變形的能力。

5)對(duì)于凍結(jié)固化鹽漬土，當(dāng)應(yīng)變大于15%時(shí)，隨著應(yīng)變?cè)黾悠湟?guī)格化應(yīng)力趨于平穩(wěn)，匯聚為一條平滑曲線，表明當(dāng)應(yīng)變大于15%時(shí)固化劑摻量對(duì)凍結(jié)鹽漬土改良效果的影響并不明顯。

[1] MILBURN J P, PARSONS R L. Performance of Soil Stabilization Agents[R]. Lawrence, Kansas: University of Kansas, 2004.

[2] CELIK E, NALBANTOGLU Z. Effects of ground granulated blastfurnace slag (GGBS) on the swelling properties of lime-stabilized sulfate-bearing soils[J]. Engineering Geology, 2013, 163: 20-25.

[3] 王沛, 王曉燕, 柴壽喜. 濱海鹽漬土的固化方法及固化土的偏應(yīng)力-應(yīng)變[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(12): 3939-3944.

[4] 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): 1177-1180.

[5] 方秋陽, 柴壽喜, 李敏, 等. 凍融循環(huán)對(duì)固化鹽漬土的抗壓強(qiáng)度與變形的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2016, 35(5): 1041-1047.

[責(zé)任編輯：郝麗英]

Experimental study on the engineering characteristics of stabilized frozen saline soil

YU Guannan

(Longjian No.4 Road and Bridge Engineering Co. Ltd of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China)

Characteristics and variations of relative improve rate of strength of frozen saline soil before and after stabilization are investigated using triaxial tests. Test results show that the deviatoric stress-strain relationship is of strain hardening. In order to improve the performance of frozen saline soil, the soil stabilizer, as one kind of good improve material, is employed to enhance the strength and stability of frozen saline soil effectively. The deviatoric stress-strain relationship of stabilized frozen saline soil exhibits strain softening property. As stabilizer content increases, the early strength, elastic modulus and failure strength increase firstly followed by declines, residual strength increases, whereas residual strength ratio decreases firstly and then increases. The enhancement effect of stabilizer on relative improve rate of frozen saline soil could be analyzed from both sides: strength improve coefficient (comparison at failure) and normalized stress (comparison over the entire deformation process). The value of relative improve rate of stabilized frozen saline soil above 1 illustrates that the stabilizer has an important enhancement effect on frozen saline soil. With increasing stabilizer content, the relative improve rate of strength of stabilized frozen saline soil increases followed by attenuation. Therefore, the soil reaches its optimum anti-deformability at stabilizer content of 6%, where the optimal reinforcement scheme achieves.

frozen saline soil; triaxial test; stabilizer; deviatoric stress-strain relationship; relative improve rate of strength

2017-03-21

禹冠男(1981-)，男，工程師，研究方向：凍土加固技術(shù).

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.04.002

TU448

A

1671-4679(2017)04-0004-04