固化土加固技術力學特性研究

張 元，張國忠，賀俊鵬

(1.中誠祥建設工程有限公司，山東 青島 266000；2.佳木斯大學 建筑工程學院，黑龍江 佳木斯 154007；3.青島海德工程集團股份有限公司，山東 青島 266000)

1 引 言

固化土是把固化劑與土攪拌均勻，在水作用下發(fā)生化學反應，產生的膠凝物填充孔隙，土體密實度增強，因此，顯著提升土體的力學性能?，F(xiàn)階段，固化土的研究在強度及其抗變形能力兩方面研究比較多，尚未形成系統(tǒng)的研究體系，需進一步深入詳細研究；由于固化土化學反應及生成物的復雜性，對于本構關系方面研究相對較少，尚未形成確定的數(shù)學關系。本文對路基固化土進行靜三軸試驗研究，探討固化劑摻入對路基填料的應力-應變關系的影響，及其固化劑對其性能的提升效果，同時，分析了固化劑摻量對固化土強度特性的影響規(guī)律，及其提高效率，可作為巖土工程病害控制技術研究試驗依據(jù)。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

土樣采集鐵路路基的填料，將其從工程現(xiàn)場取回后進行風干，然后碾壓，通過2 mm篩把填料中多余的雜質去除。通過擊實試驗分析，填料的ρdmax為1.973 g/cm3、Wopt為10.12%。經(jīng)顆粒分析試驗得知，路基填料的曲率系數(shù)為1.23、不均勻系數(shù)為4.88，經(jīng)過分析該填料為級配不良土質，不能直接用于路基建設中，需進行加固改造后方可使用。加固材料選取Aught-Set高性能的土壤固化劑，具有較高的早期強度，耐久性好，使用年限長，材料價格便宜，環(huán)保無毒的特點。

2.2 試樣制備及其養(yǎng)護

在土中加入一定量的水，首先把兩者拌和均勻，裝入密封塑料袋中，靜置24 h后備用，制備試樣前再摻入固化劑，攪拌均勻。其中，含水率選取為最優(yōu)含水率多加3%，其中3%是在水作用下土壤固化劑與土顆粒發(fā)生化學反應而消耗的水量。對于同一工況的試樣應一批出樣，可減小試樣間誤差，進行對比分析時可保證數(shù)據(jù)的可靠性。試樣采用壓樣機靜壓制樣，高度為125 mm，直徑為61.8 mm。將制備好的固化土試樣放入恒溫恒濕的養(yǎng)護箱，養(yǎng)護到試驗齡期從養(yǎng)護箱中取出，將其放在三軸試驗機上進行操作。

2.3 試驗儀器及方案

試驗所用儀器為TSZ-3.0型三軸儀，配有數(shù)控采集系統(tǒng)。試驗為不固結不排水形式，加載速率為1.25 mm/min。試驗方案如下：固化劑摻量選取0%、3%、4%、5%、6%；養(yǎng)護齡期選取14 d；圍壓為100 KPa、200 KPa、300 KPa、400 KPa。試樣破壞標準確定為應變達到10%。本文為了研究固化劑摻入對路基填料的力學特性的影響，對路基填料和固化土兩種土分別進行試驗，以便更好的對比分析固化劑對路基填料加固作用。

3 試驗結果分析

3.1 固化劑對路基填料應力-應變關系的影響

為了將不良土性的填料應用于工程中，需添加一定量的固化劑材料來改善其力學性能，因此，本文對路基填料和固化路基填料(固化土)進行三軸試驗，對比分析固化劑對路基填料的應力-應變關系的影響，如圖1所示。

由圖1分析得，應變低于3%的情況下，路基填料和固化土應力隨應變的增加表現(xiàn)為基本線性關系，此階段兩者均為彈性變形階段；應變超過3%的情況下，路基填料和固化土的應力-應變關系曲線不斷彎曲，逐漸發(fā)展到屈服階段，曲線呈非線性變化趨勢，此階段兩者均為彈塑性變形階段。特此說明，僅在圍壓為100 KPa的條件下，路基填料和固化土應力-應變關系曲線從初始開始段曲線就不斷彎曲，開始屈服。

隨應變不斷增加，路基填料和固化土的應力均不斷提升，在應變處于4.3%(路基填料)、3.8%(固化土)時應力達到峰值點，接下來，應變繼續(xù)增加，應力加速下降，兩者的應力-應變關系曲線均表現(xiàn)為加工軟化型特征。但兩者也有一些差異，固化土的應力峰值點比路基填料發(fā)生得早，軟化程度也比路基填料更強。

在應變相同時，圍壓的增加使得路基填料和固化土應力均提升，同時，兩者的彈性模量增加，早期和峰值強度提高。原因在于圍壓越高，對土所產生的側向約束力越大，土體密實度越大，因此，土體的力學性能越好。

把圖1(a)與(b)兩種不同土進行對比分析發(fā)現(xiàn)，當應變相同時，固化土的應力高于路基填料，這說明固化劑摻入有效改善了路基填料的強度及力學性能，使得固化土的力學性能優(yōu)于路基填料，固化劑起到很好的加固效果，是一種有效提升土體性能的加固材料。

圖1 固化劑對路基填料應力-應變關系曲線的影響

3.2 固化劑對路基填料破壞強度特性的影響

由表1和圖2研究固化劑對路基填料破壞強度的影響發(fā)現(xiàn)，不管固化劑摻量多少，固化劑摻入后路基填料破壞強度明顯增加，固化劑對路基填料破壞強度具有很好的改善作用。固化土的破壞強度大于路基填料，說明固化劑對于抵抗路基填料的變形破壞起到增強作用，固化劑是一種優(yōu)良的抗破壞變形材料。

圖2 固化劑對土體破壞強度的影響

表1 固化劑對土體破壞強度的影響(單位：KPa)

路基填料和固化土的破壞強度均隨固化劑摻量增加不斷提升，近似呈線性變化趨勢。同時，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增加，兩者破壞強度增強，但在固化劑摻量高時其提升的效果更加增強。因此，可采取增加固化劑摻量的方法提升土體工程力學性能，為兼顧經(jīng)濟性考慮，固化劑摻量不易取值過高，避免浪費和成本升高，經(jīng)大量研究成果表明固化劑摻量取5%～6%比較適宜。

3.3 固化劑對土體強度提高效果分析

為了更加明顯對比固化劑對路基填料的加固效果，提出強度提高系數(shù)的概念，即固化土破壞強度與路基填料破壞強度之比。

從表2和圖3分析可知，固化土的強度提高系數(shù)均大于1，這說明固化劑對路基填料強度起到很好的提升作用，但由于固化劑摻量的不同，提升率不同。隨著固化劑摻量的增加，固化劑對路基填料強度提升率越大，加固效果提升率更好。

圖3 固化土強度提高系數(shù)曲線

隨著圍壓的增加，固化劑對路基填料強度提升系數(shù)呈不斷下降的趨勢，但下降程度越來越緩慢，最后不斷趨于平穩(wěn)。這說明在小圍壓情況下，固化劑對路基填料強度提升率更高，固化劑材料所發(fā)揮加固效果提升率越大，材料的利用率越高，越經(jīng)濟合理。

4 結 語

在本試驗方案范圍內，通過三軸壓縮試驗研究固化劑對路基填料力學性能的影響，取得一些成果如下。

(1)路基填料和固化土應力隨應變的變化過程可分為兩段，直線段的彈性變形階段、曲線段的彈塑性變形階段，兩者均存在應力峰值點現(xiàn)象，均表現(xiàn)為加工軟化型特征。但有所不同的是，固化土的應力-應變關系曲線峰值點比路基填料發(fā)生得早，軟化程度比路基填料更強。

(2)隨著圍壓的增加，路基填料和固化土的彈性模量、早期強度和峰值強度增加，土體的力學性能越好。固化劑摻入有效改善了路基填料的強度及力學性能，使得固化土的力學性能優(yōu)于路基填料，固化劑起到很好的加固效果，是一種有效提升土體性能的加固材料。

(3)固化土的破壞強度高于路基填料，固化劑具有很好的抵抗破壞的能力。路基填料和固化土均隨固化劑摻量增多破壞強度提升，兩者隨圍壓的增加破壞強度增強。說明提升固化劑摻量和/或增加圍壓，可明顯增加土體抵抗破壞的加固效果。

(4)固化劑對于路基填料強度性能有效改良，效果提升率明顯，固化劑對路基填料強度提升率隨著固化劑摻量的增多提升，加固效果提升率同時也更多。固化土的強度提高系數(shù)隨著圍壓的增加不斷降低，逐漸變緩，最后不斷趨于平穩(wěn)。說明在低圍壓下，加固路基填料強度提升率更高，材料的利用率更高，更為合理。