固化土應(yīng)力-應(yīng)變力學(xué)特性及其影響因素分析①

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(1. 佳木斯大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2．長春建業(yè)集團(tuán)股份有限公司，吉林 長春 130000；3．長春市公路工程監(jiān)理咨詢有限公司，吉林 長春 130000)

0 引 言

固化加固技術(shù)是將土壤固化劑與土顆粒間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成膠結(jié)硬化物，能有效提升土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。Yuzhen Yu等[1]對固化土進(jìn)行三軸試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)破壞應(yīng)變與圍壓呈正比例關(guān)系。Byung Sik Chun等[2]采用FGC固化劑來加固土體，研究三種不同材料中固化劑最佳配比方案。同時(shí)，國內(nèi)學(xué)者也對各因素對固化土力學(xué)性能的影響及其規(guī)律作出一定研究。苗世超[6]對SH固化太原黃土進(jìn)行試驗(yàn)，研究各因素對其抗剪強(qiáng)度的影響表明，抗剪強(qiáng)度隨著干密度、固化劑摻量的增加而提升，含水率相反，建立多因素線性回歸方程。在脫水方式下，齡期對其抗剪強(qiáng)度參數(shù)無影響。武欣慧等[8]通過靜三軸試驗(yàn)研究內(nèi)蒙古水泥粉質(zhì)黏土力學(xué)特性發(fā)現(xiàn)，在低圍壓下其應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈軟化趨勢，脆性破壞特征，隨著圍壓增加，軟化程度減弱，強(qiáng)度有所提升。劉金輝[9]通過三軸試驗(yàn)研究鎂渣固化銀川粉砂土液化破壞特性，研究其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，不同齡期試樣內(nèi)摩擦角取決于水泥摻量；水泥和鎂渣復(fù)合摻入提升粉砂土黏聚力。從Aught-set固化路基土靜三軸試驗(yàn)入手，分析固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、圍壓對其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，探論固化土前后的強(qiáng)度及變形改善情況及其加固效果，為巖土工程施工與設(shè)計(jì)提供寶貴資料，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取土料為路基填土，將其進(jìn)行風(fēng)干粉碎碾壓后過2mm篩，剔除其中多余雜質(zhì)，將篩選好土料保存以備用。繪制路基土的顆粒分析曲線，計(jì)算得不均勻系數(shù)Cu=4.88、曲率系數(shù)Cc=1.23，屬于級配不良土，如圖1所示。對路基土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，繪制擊實(shí)曲線，計(jì)算得土的最大干密度1.973g/cm3和最優(yōu)含水量為10.12%，如圖2所示。

土壤固化劑材料采用Aught-Set固化劑，Aught-Set為一種高性能土壤固化劑，相比于傳統(tǒng)固化劑材料有其顯著優(yōu)點(diǎn)，早期強(qiáng)度較高，適合于快速施工的工程項(xiàng)目，具有良好的耐久性，可有效延長工程的使用壽命，材料低廉，高效而低耗，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，安全性無毒，環(huán)保材料，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路等路基工程。

1.2 試樣制備及其養(yǎng)護(hù)

土料制備，首先將土料與水均勻混合，為保證土中水分的均勻性把其裝入塑料袋中密封悶料12小時(shí)后，再放入一定量固化劑粉末拌合均勻，制備成固化土料。固化土試樣制備，應(yīng)采用壓樣法分層制備試樣，試樣為圓柱形，高度為125mm，直徑為61.8mm。應(yīng)保證同一工況的試樣同批制作，養(yǎng)護(hù)條件一致，以避免試件間存在差異性，減小誤差，盡量達(dá)到試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。將制備好的試樣放入養(yǎng)護(hù)箱中，保持溫度在20±3℃和濕度為90%情況下，待達(dá)到規(guī)定的養(yǎng)護(hù)時(shí)間取出試樣，放在三軸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載試驗(yàn)。

圖1 顆粒分析曲線

圖2 擊實(shí)曲線

1.3 試驗(yàn)儀器及試驗(yàn)方法

儀器采用應(yīng)變控制式SJ-1A.G靜三軸剪切儀，對試樣進(jìn)行不排水固結(jié)的試驗(yàn)方式，施加周圍壓力，加載速率為1.25mm/min，試樣應(yīng)變達(dá)到10%時(shí)停機(jī)。三軸試驗(yàn)機(jī)具有電腦控制系統(tǒng)，數(shù)控采集軸向應(yīng)變、軸向應(yīng)力、孔壓等數(shù)據(jù)。試驗(yàn)設(shè)計(jì)：固化劑摻量為0%、3%、4%、5%、6%、7%；養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3天、14天、21天、28天；圍壓為100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。為了研究不同影響因素對固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，進(jìn)行了多組三軸試驗(yàn)，以資對比固化劑對土體的加固效果，對素土試驗(yàn)也進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，分析固化劑摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間、圍壓對固化土力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖3、圖4、圖5固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可知，素土和固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的形狀基本一致，均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型，隨著應(yīng)變的增加，偏應(yīng)力增加，達(dá)到一定應(yīng)變后，應(yīng)力減小，存在一應(yīng)力峰值點(diǎn)，峰值點(diǎn)后有明顯應(yīng)力降，但依然保持一定的強(qiáng)度。特別強(qiáng)調(diào)，固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線軟化特征較為突出，峰值點(diǎn)呈尖端狀態(tài)，具有明顯應(yīng)力降，但素土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線軟化特征并不明顯，峰值后應(yīng)力衰減緩慢，沒有明顯的尖端現(xiàn)象。說明摻入固化劑后土中的軟化程度增加，且隨著固化劑摻量增加而顯著。

2.1 固化劑摻量對固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響

由圖3可知，固化劑摻量對固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。加載初期階段，固化土和素土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線幾乎重合，說明在小變情況時(shí)固化劑對土體的加固作用并不明顯；應(yīng)變繼續(xù)增加，固化土和素土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線開始分離，固化土明顯高于素土，說明當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值后，固化劑才開始不斷起到加固作用，應(yīng)變越大加固效果越明顯。固化劑可將不良土質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)良工程土對于固化土來說，加載初期階段，不同固化劑摻量的固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線比較接近，說明在小應(yīng)變時(shí)固化劑摻量的增加對固化土的加固作用影響不大；應(yīng)變繼續(xù)增加，固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線開始不斷分離，說明達(dá)到一定的應(yīng)變后，固化劑對土體的加固作用才能不斷發(fā)揮效果，應(yīng)變越大效果越好。隨著固化劑摻量的增加，固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線增高，應(yīng)變越大提升幅度越大，說明固化劑摻量越多，固化土的強(qiáng)度和抗變形能力越強(qiáng)。這是由于固化劑摻量越多，土中礦物與固化劑發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)越完全越充分，生產(chǎn)的膠凝硬化產(chǎn)物越多，孔隙越小，土體越密實(shí)，因此，力學(xué)性能越好。

2.2 養(yǎng)護(hù)時(shí)間對固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響

由圖4可知，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化型特征，應(yīng)變達(dá)到約為3.6%時(shí)存在一峰值點(diǎn)。當(dāng)應(yīng)變小于峰值應(yīng)變時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，應(yīng)力快速增加，說明在初始加載階段土中固化劑就開始體現(xiàn)出早期良好的加固效果，且應(yīng)變越大效果越明顯；當(dāng)應(yīng)變大于峰值應(yīng)變時(shí)，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，應(yīng)力卻減小，但依然保持一定的應(yīng)力。養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線越高，早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度越強(qiáng)，說明隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，固化土的強(qiáng)度和抗變形能力越強(qiáng)，固化劑加固效果越好。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，固化劑與土中礦物發(fā)生膠凝硬化反應(yīng)越徹底，生產(chǎn)的產(chǎn)物越完全，孔隙填充越好，更為密實(shí)，工程性能越好。

圖3 不同固化劑摻量固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖4 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖5 不同圍壓固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.3 圍壓對固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系影響

由圖5發(fā)現(xiàn)，圍壓對固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響。隨著圍壓增加，固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線越高，斜率越陡。應(yīng)變處于峰值點(diǎn)前時(shí)，固化土的應(yīng)力隨著圍壓增加提升較快，應(yīng)變超過峰值點(diǎn)后，固化土的應(yīng)力隨著圍壓增加衰減也較快，但保持有一定應(yīng)力。但總體上，隨著圍壓的增加，固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線不斷升高，初始彈性模量增加，峰值強(qiáng)度提升，殘余強(qiáng)度越大。這是由于圍壓越大，試樣所受側(cè)向約束力越大，產(chǎn)生相同軸向變形量時(shí)側(cè)向變形量要小，土體壓縮的更為緊密，因此，圍壓越大，固化土的力學(xué)性能越好。

3 結(jié) 語

采用三軸試驗(yàn)研究了固化路基土在多因素影響下的力學(xué)特性，如下：

(1)固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線明顯高于素土，說明固化劑加固土體具有很好的效果，明顯改善了土體的工程性能。但大應(yīng)變時(shí)，加固作用更為顯著。

(2)隨著固化劑摻量的增加，固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線升高，斜率變陡，說明隨著固化劑摻量的增加，固化土的強(qiáng)度和抗變形能力增加，力學(xué)性質(zhì)提升。

(3)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系增高，早期和后期強(qiáng)度增加均較明顯，說明隨著時(shí)間效益的推移，固化劑加固效果更為突出。

(4)隨著圍壓增加，固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線越高，曲線越陡，初始彈性模量增加，峰值強(qiáng)度提升，殘余強(qiáng)度增加，固化土的力學(xué)性能越好。

總之，固化土有其獨(dú)特的良好性能，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛，土體強(qiáng)度可根據(jù)固化劑摻量調(diào)整，早期和后期強(qiáng)度較高，可將不良土質(zhì)進(jìn)行加固處理成為良好工程用土，做到就地取材節(jié)省造價(jià)的目的。