復(fù)合固化高液限土的力學(xué)及水穩(wěn)性研究

譚鵬，謝振文，鄧奇春，趙曉薇，汪優(yōu)

(1.湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長沙410004；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙410015；3.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075)

高液限土一般指液限大于50%且塑性指數(shù)大于26的細(xì)粒土[1]，具有含水量高、塑性指數(shù)高、液限高、強(qiáng)度低和水穩(wěn)性差等特點(diǎn)，在路基填筑中難以壓實(shí)，屬于不良土質(zhì)的一類[2]。在路基填筑中如果不加處理而直接使用，會造成路面開裂、滑坡失穩(wěn)和不均勻沉降等工程問題，需采取合理的固化措施對其處理，使其符合規(guī)范要求[3]。現(xiàn)有的土壤固化劑品種繁多，按固化劑的主要成分可分為無機(jī)類固化劑、有機(jī)類固化劑、離子類固化劑和生物酶類固化劑[4]。4種土壤固化劑各有優(yōu)劣，無機(jī)類固化劑在激發(fā)劑作用下反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物可填充土顆粒間的孔隙，增高土壤密實(shí)度，同時附在土壤顆粒表面，交叉形成空間骨架，從而提高固化土強(qiáng)度。離子固化劑通過離子交換作用，減薄土顆粒周圍的雙電層厚度并減小土體顆粒間隙，同時通過電性中和減弱顆粒的靜電吸水性，提高其疏水性。有機(jī)土壤固化劑由大量表面帶有親水基團(tuán)的長鏈組成，通過氫鍵及陽離子交換作用與土顆粒形成緊密的連接結(jié)構(gòu)，而疏水性長鏈則滲透、纏繞在土顆粒表面及孔隙內(nèi)形成網(wǎng)狀膜結(jié)構(gòu)，使分散土顆粒成為一個整體，提高其土體強(qiáng)度。生物酶固化劑是由有機(jī)物發(fā)酵而來，通過物理催化作用改變土壤表面pH，生物酶與有機(jī)分子結(jié)合層中間有機(jī)物填充內(nèi)部孔隙[5]。許多學(xué)者對高液限土固化后的性能進(jìn)行了研究，分別以石灰、水泥和生物酶等材料作為固化材料進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，通常以黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度和抗?jié)B性能等作為評判土體改良效果的標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)表明固化后的高液限土的強(qiáng)度、水穩(wěn)性和黏聚力均優(yōu)于素土，可滿足相應(yīng)的工程質(zhì)量要求，可以為其作為路基填料提供指導(dǎo)[6-9]。常用的室內(nèi)試驗(yàn)方法有無側(cè)限抗壓試驗(yàn)、固結(jié)快剪試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、CBR試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)等，也有部分學(xué)者采用XRD，SEM和電鏡試驗(yàn)等分析固化土的微觀形態(tài)和物質(zhì)生成[10-16]。在改良方法上，學(xué)者們較少采用復(fù)合土壤固化劑對高液限土進(jìn)行改良研究；在研究內(nèi)容上，大多針對改良土體強(qiáng)度及路用性能研究，較少對其水穩(wěn)性進(jìn)行研究。且高液限土呈現(xiàn)明顯的地域性，現(xiàn)有研究中針對湖南洞庭湖地區(qū)高液限土相關(guān)研究較少。因此，本文依托湖南省洞庭湖地區(qū)，采用無機(jī)材料和磺化油復(fù)合固化劑對湖區(qū)高液限土進(jìn)行改良，通過無側(cè)限抗壓試驗(yàn)對比土體固化前后的力學(xué)及水穩(wěn)性變化規(guī)律，探討無機(jī)材料和磺化油對其強(qiáng)度及水穩(wěn)性的影響，并確定復(fù)合固化劑最優(yōu)配方。

1 試驗(yàn)材料

1.1 土樣

土樣取自湖南省平益高速K95+380斷面左側(cè)邊坡坡腳，取土深度為3 m，根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》[1]相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對土樣進(jìn)行基本土工性能測試，試驗(yàn)獲得土樣基本物理性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明土樣液限達(dá)到67.3%，塑性指數(shù)為33.4，根據(jù)《中國土壤系統(tǒng)分類》，該工點(diǎn)土樣屬于典型的高液限土。對土樣進(jìn)行顆粒級配分析后發(fā)現(xiàn)試樣中土顆粒主要為細(xì)粒土。

表1 土樣基本物理性質(zhì)Table 1 Properties of the samples

1.2 無機(jī)固化材料

試驗(yàn)所用無機(jī)固化材料為水泥、生石灰及粉煤灰。其中水泥為普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5；生石灰為普通建筑用生石灰，其中氧化鈣純度大于95%；粉煤灰是一種綠色的膠凝材料，來自湖北省黃岡市某發(fā)電廠，微觀狀態(tài)下為光滑球形，主要成分為SiO2及Al2O3。

1.3 陰離子表面活性劑

試驗(yàn)所用陰離子表面活性劑為磺化蓖麻油，以下簡稱為磺化油(SO)，主要應(yīng)用于皮革、紡織及造紙等工業(yè)中，是一種兩親性表面活性劑?；腔蛯儆谒苄杂?，大多采用濃硫酸(H2SO4)或發(fā)煙硫酸(H2SO4·X SO3其中X定義為每摩爾中三氧化硫的含量)處理脂肪油酸制備。典型的磺化油分子通常表示為R-(SO2)OH?，由帶負(fù)電的親水性或極性頭部(即(SO2)OH?)和疏水性尾部(即R，其中R是碳?xì)浠衔?組成。

SO進(jìn)入土體后，會對土顆粒產(chǎn)生物理化學(xué)及潤滑等多種作用，這是由SO的分子結(jié)構(gòu)決定的。SO分子帶負(fù)電的親水頭會吸附土顆粒表面的正陽離子，減薄土顆粒周圍的雙電層厚度，從而降低土壤離子交換能力，親水頭將土顆粒的親水性轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷曰蚓芩?，如圖1所示。潤滑作用主要取決于孔隙流體的黏度。SO摻量的增加，會使A```土壤顆粒間變得更加潤滑，其中疏水尾則起到潤滑劑的作用，在壓實(shí)過程中降低水分的表面張力，有助于顆粒的滑動，這種滑動可能導(dǎo)致強(qiáng)度剛度的下降但也會增加土體延展性[17-18]。本研究將SO作為復(fù)合土壤固化劑的重要組分，旨在改善高液限土的水穩(wěn)定性問題。

圖1 SO作用機(jī)理Fig.1 mechanism of action

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)樣品制備

正式制備試樣之前依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，對各組固化土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，以確定每組試樣最優(yōu)含水率；制樣過程中，水量依據(jù)各組最優(yōu)含水率進(jìn)行摻加。強(qiáng)度試驗(yàn)所用試樣尺寸為直徑50 mm，高50 mm的圓柱形試樣。將制備合格的試件放入塑料袋后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，待養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后在每種試樣中取出一半試件浸泡于(20±2)℃水中，要求水面高于試件頂面2.5 cm，浸泡時長為24 h。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.2.1 單摻試驗(yàn)方案

為探究無機(jī)材料及SO在單獨(dú)作用下對固化土強(qiáng)度及水穩(wěn)定性的作用，分別設(shè)計(jì)無機(jī)材料與SO單摻試驗(yàn)方案，如表2和表3所示。同時，單摻試驗(yàn)結(jié)果可為后續(xù)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供摻量選擇范圍。以下?lián)郊颖壤鶠閾郊觿┡c烘干土的質(zhì)量比。由于SO質(zhì)量占比小，為使其在土樣中分布均勻，使用前將其溶解在水中，使用時與水一同加入。

表2 無機(jī)類材料單摻試驗(yàn)表Table 2 Single doping test table for inorganic materials

表3 SO單摻試驗(yàn)表Table 3 Single doping test table for inorganic materials

2.2.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)單摻試驗(yàn)結(jié)果確定復(fù)合固化劑各組分的摻量范圍，以探究高液限土復(fù)合固化劑的最佳配比。本試驗(yàn)涉及四因素四水平，采用正交試驗(yàn)可在保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，有效地減少試驗(yàn)次數(shù)。正交設(shè)計(jì)表如表4所示。針對復(fù)合穩(wěn)定土將進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)試驗(yàn)和浸水強(qiáng)度試驗(yàn)。

表4 正交試驗(yàn)表Table 4 Orthogonal test table

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單摻試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1.1 無機(jī)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

針對素土及各種無機(jī)固化土進(jìn)行的7 d和28 d UCS測試中所得應(yīng)力?應(yīng)變曲線如圖2～3所示。測試結(jié)果顯示素土在7 d及28 d時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度σ分別為0.763 MPa及0.696 MPa，楊氏模量E分別為20.16 MPa及19.22 MPa；2種齡期無機(jī)材料摻量均與固化土強(qiáng)度及剛度密切相關(guān)：無機(jī)材料總摻量越大，則無機(jī)固化土的σ及E均顯著增大；當(dāng)無機(jī)材料總摻量為15%時(水泥、生石灰和粉煤灰各5%)，σ和E達(dá)到峰值，其中7 d齡期時，σ1max=4.439 MPa，E1max=73.74 MPa，28 d齡期時，σ2max=5.903 MPa，E2max=89.18 MPa。

圖2 無機(jī)固化土在7 d時的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curves of inorganic stabilized soil at 7 days

圖3 無機(jī)固化土在28 d時的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of inorganic stabilized soil at 28 day

2種單摻試驗(yàn)結(jié)果表明，相比SO，無機(jī)材料在改善土體的強(qiáng)度及剛度方面表現(xiàn)更加突出。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長，σ及E也逐漸提高，而在實(shí)際施工過程中7 d至28 d的強(qiáng)度增長率是工程是否能夠持續(xù)穩(wěn)定及高效推進(jìn)的重要保障。若令參數(shù)G表示σ及E在7 d至28 d的增長率，則σ和E的增長率計(jì)算見式(1)及式(2)。其中當(dāng)摻量為15%時，增長比Gσmax=32.98%，GEmax=20.94%，其他各組增率G值變化如圖4所示。

圖4 無機(jī)固化土的強(qiáng)度和剛度增長比Fig.4 Strength and stiffness growth ratio of inorganic stabilized soil

式中：σ1為試件7 d時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；σ2為試件28 d時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

式中：E1為試件在7 d時的楊氏模量；E2為試件在28 d時的楊氏模量。

圖4表明素土的Gσ和GE均小于0，這是由于試驗(yàn)所用土樣中含有部分蒙脫石，在無側(cè)限濕養(yǎng)條件下土結(jié)構(gòu)吸水后發(fā)生少量自膨脹同時造成強(qiáng)度降低。隨著無機(jī)材料摻量增大，其水化產(chǎn)物增多，現(xiàn)有成果表明試驗(yàn)所用3種無機(jī)材料的水化產(chǎn)物主要是CSH凝膠、氫氧化鈣晶體及鈣礬石。這些水化產(chǎn)物在土結(jié)構(gòu)中起到框架和鏈接作用，大大提高了土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，因此在數(shù)據(jù)上表現(xiàn)出摻量越大，強(qiáng)度和剛度越高。試驗(yàn)所用3種常用固化材料在合理的養(yǎng)護(hù)條件下隨著時間的延長，水化程度加大，強(qiáng)度和剛度能夠得到較大提高，同時增長速度也會逐漸提高并最終穩(wěn)定。

3.1.2 SO固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

針對素土及各種摻量下SO固化土進(jìn)行7 d及28 d UCS試驗(yàn)所獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5和圖6所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，7 d及28 d強(qiáng)度測試中，當(dāng)SO摻量少于0.2%時，應(yīng)力-應(yīng)變軌跡表明，SO摻量與固化土強(qiáng)度及剛度表現(xiàn)出較強(qiáng)的正相關(guān)。相反，當(dāng)SO摻量達(dá)到0.25%時固化土的強(qiáng)度和剛度有所下降，但仍略優(yōu)于天然土壤；與無機(jī)材料改良相比，SO改良下試樣強(qiáng)度峰值點(diǎn)處的應(yīng)變ε有所增大，能夠相對避免脆性破壞。隨著SO摻量增加，強(qiáng)度峰值處的ε也逐漸增大。當(dāng)SO摻量為0.2%時，σ及E峰值最大，7 d齡期時σ1max=1.787 MPa，E1max=28.37 MPa，28 d齡期時，σ2max=1.702 MPa，E2max=27.28 MPa；根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)SO摻量小于0.25%時，同一組試驗(yàn)中，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，28 d的強(qiáng)度及剛度較7 d的強(qiáng)度及剛度略有減小，相反，當(dāng)SO的摻量為0.25%時，強(qiáng)度和剛度均略有增大。

圖6 SO固化土在28 d時的應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of SO stabilized soil at 28 days

SO的摻量小于或等于0.2%時，隨摻量的增加σ和E增大，表明在這種情況下，SO對于加強(qiáng)土壤結(jié)構(gòu)方面的主導(dǎo)作用為物理化學(xué)作用。然而，當(dāng)SO摻量達(dá)到0.25%時，σ和E開始減小，ε顯著增大，這表明此時潤滑作用占據(jù)主導(dǎo)地位，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，這2種作用博弈的關(guān)鍵為SO的摻量。在SO摻量較低(＜0.2%)時，土顆粒周圍還沒有完全布滿SO分子，與土顆粒結(jié)合的SO分子對于增大土體結(jié)構(gòu)性發(fā)揮作用。此時土顆粒的孔隙中沒有多余的SO分子，潤滑作用沒有得到發(fā)揮，物理化學(xué)作用大于潤滑作用，土體的強(qiáng)度和剛度得到改善。然而，隨著摻量的增加，土顆粒周圍逐漸布滿SO分子，強(qiáng)度及剛度增長達(dá)到極致；若繼續(xù)增加SO摻量，多余的SO分子進(jìn)入土顆粒間的孔隙中，產(chǎn)生潤滑作用，此時土體強(qiáng)度及剛度逐漸下降，同時延展性得到提高。因此，選擇SO作為高液限土的固化劑時要選擇適當(dāng)?shù)膿搅俊?/p>

此外，低摻量和高摻量固化土的強(qiáng)度及剛度隨養(yǎng)護(hù)時間變化出現(xiàn)差異，當(dāng)SO的摻量小于或等于0.2%時，固化土28 d的強(qiáng)度及剛度較7 d下降，而當(dāng)SO摻量等于0.25%時強(qiáng)度及剛度上升。出現(xiàn)該現(xiàn)象是因?yàn)樵陴B(yǎng)護(hù)的過程中，SO不可避免地由于揮發(fā)或其他原因造成部分流失。因此當(dāng)SO的摻量小于或等于0.2%時，SO分子的流失使得土顆粒周圍的磺化油分子減少，物理化學(xué)作用減弱，對固化土的強(qiáng)度及剛度增強(qiáng)作用有所削弱；但當(dāng)SO摻量等于0.25%時，土顆粒孔隙中的SO分子率先流失，使得潤滑作用減弱，但土顆粒周圍的SO分子量不變，甚至達(dá)到適宜量，物理化學(xué)作用未出現(xiàn)削弱，因此固化土強(qiáng)度及剛度后期也并未出現(xiàn)削弱。

3.1.3 水穩(wěn)性分析

對高液限土來說，強(qiáng)度及剛度并不是唯一的改良需求，水穩(wěn)定性改良更必不可少。水穩(wěn)定性指土體浸水前后在強(qiáng)度及剛度方面的穩(wěn)定性，一般用水穩(wěn)系數(shù)HS來表示，水穩(wěn)系數(shù)的計(jì)算如式(3)所示。其中：σ'為正常養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期前一天，將試樣浸泡1 d后測得的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，σ為正常養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期后測得的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

素土、無機(jī)固化土及SO固化土在7 d和28 d時測得的水穩(wěn)系數(shù)曲線如圖7所示。其中組號由1～6分別表示單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中2種固化劑摻量由0%至最大的6組取值。

水穩(wěn)系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明素土的水穩(wěn)系數(shù)為0，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)素土試件在浸水后會很快崩解，無法進(jìn)行強(qiáng)度測試，浸水后的強(qiáng)度為0 MPa。無機(jī)材料和SO在改善高液限土的水穩(wěn)定性方面均有一定的作用。其中7 d齡期時，伴隨無機(jī)固化劑的摻量，固化土的水穩(wěn)系數(shù)最高可由0%增長至33.9%，而伴隨SO的摻量，固化土的水穩(wěn)系數(shù)可由0%增長至79.5%。28 d齡期下，無機(jī)固化土的水穩(wěn)系數(shù)伴隨其摻量最高可達(dá)到48.6%，SO固化土的水穩(wěn)系數(shù)伴隨其摻量最高可達(dá)到75.7%。顯然SO在水穩(wěn)定性方面的作用更顯著。從單一的固化土來看，無論是無機(jī)固化土還是SO固化土，7 d及28 d的水穩(wěn)定性均隨其摻量表現(xiàn)正相關(guān)；從養(yǎng)護(hù)時間上來看，同一摻量下無機(jī)固化土的水穩(wěn)系數(shù)自7 d至28 d有所增長，而同一摻量下SO固化土的水穩(wěn)系數(shù)從自7 d至28 d有稍許下降。在同一摻量下，隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，SO分子在養(yǎng)護(hù)過程中的部分流失使得土顆粒周圍附著的SO分子減少，因此，同一摻量下SO固化土的28 d水穩(wěn)系數(shù)略小于7 d的水穩(wěn)系數(shù)，但仍大幅度優(yōu)于無機(jī)固化土。

根據(jù)水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果，SO相比無機(jī)材料能夠更加顯著地改善高液限土的水穩(wěn)定性，然而根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，SO固化劑并不能改善其力學(xué)性能強(qiáng)度。而力學(xué)性質(zhì)和水穩(wěn)定性作為高液限土在路基填筑中的2個重要的指標(biāo)缺一不可。因此，為了探究兩者同時使用時對于高液限土力學(xué)性能及水穩(wěn)定性的改良效果，本研究進(jìn)一步針對無機(jī)材料及SO組成的復(fù)合土壤固化劑進(jìn)行了正交試驗(yàn)研究。

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

根據(jù)正交試驗(yàn)方案，對16組試樣分別進(jìn)行了7 d及28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得的7 d和28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖8所示。相比于素土，復(fù)合固化土的強(qiáng)度得到顯著提高，其中7 d強(qiáng)度最高可達(dá)4.789 MPa，28 d強(qiáng)度最高可達(dá)8.255 MPa。7 d強(qiáng)度作為衡量路基填筑用土的有效強(qiáng)度指標(biāo)，該路基填筑用土的設(shè)計(jì)要求為4 MPa，16組試樣中共有8組合格，分別為第2，3，6，9，11及13～15組。

圖8 各組復(fù)合固化土的強(qiáng)度Fig.8 Strength of composite solidified soil in each group

3.2.2 水穩(wěn)性分析

對16組復(fù)合固化土進(jìn)行的水穩(wěn)定性試驗(yàn)獲得了7 d及28 d水穩(wěn)系數(shù)曲線如圖9所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，16組試件在浸水24 h后，均未發(fā)生脫落或崩解，試件依舊保持完整。相較于素土和單摻固化土，相同比例的復(fù)合固化土水穩(wěn)系數(shù)更大，7 d的水穩(wěn)系數(shù)最大為95.10%，28 d的水穩(wěn)系數(shù)最大為82.76%。該路基填筑用土的設(shè)計(jì)要求為7 d水穩(wěn)系數(shù)大于80%，在復(fù)合固化土中，有8組合格，分別為第5，7～11，13及15組。

圖9 各組復(fù)合固化土的水穩(wěn)系數(shù)Fig.9 Water stability coefficient of composite solidified soil in each group

16組試驗(yàn)中同時滿足強(qiáng)度及水穩(wěn)定性要求的共有3組，即第9，11和15組，因此這3組可作為湖區(qū)高液限土復(fù)合土壤固化劑的參考配合比。

3.2.3 正交試驗(yàn)方差分析

為更直觀地反映復(fù)合固化土中各摻加劑在強(qiáng)度及水穩(wěn)定性方面所發(fā)揮的作用，對復(fù)合固化土7 d和28 d情況下的強(qiáng)度及水穩(wěn)系數(shù)進(jìn)行了主效應(yīng)分析，得到復(fù)合固化土的主效應(yīng)分析結(jié)果如表5所示。根據(jù)顯著性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在7 d及28 d強(qiáng)度的主效應(yīng)分析中，認(rèn)為水泥和生石灰對復(fù)合固化土的7 d強(qiáng)度有顯著性效果，水泥、生石灰及粉煤灰對復(fù)合固化土的28 d強(qiáng)度有顯著性效果；在7 d及28 d水穩(wěn)系數(shù)的主效應(yīng)分析中，認(rèn)為SO對復(fù)合固化土的7 d和28 d水穩(wěn)定性有顯著效果，這均與單摻試驗(yàn)所得到的結(jié)果保持一致。

表5 復(fù)合固化土的主效應(yīng)檢驗(yàn)Table 5 Main effect test of composite solidified soil

3.2.4 成本分析

將正交試驗(yàn)中獲得的3組合格的復(fù)合固化劑方案與換填土方案進(jìn)行成本比較。經(jīng)市場調(diào)查，固化材料市場價格為：水泥525元/t，生石灰340元/t，粉煤灰210元/t，磺化油3 000元/t。余土棄置38.31元/m3，外購?fù)?6.09元/m3。各方案中每m3的材料成本如圖10所示。由圖可知，相比換填土方案，復(fù)合固化土的材料成本更低，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，最終選擇第9組復(fù)合土壤固化劑配合比，即水泥4.5%，生石灰1.5%，粉煤灰2.5%，磺化油0.2%。

圖10 4種高液限土處置方案的材料成本比較Fig.10 Material cost comparison of four high liquid limit soil disposal schemes

4 數(shù)值模擬

4.1 模型建立及參數(shù)

為對比固化土和素土2種材料在路堤填筑中的適用性能，利用FlAC3D有限差分軟件對素土和固化土在不同高度下的路堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析。對模型進(jìn)行簡化，路基寬度20 m，坡度比取1:1.5，路堤高度分別取4，6，8，10，12和14 m。模型尺寸如圖11所示。

圖11 模型尺寸Fig.11 Model dimensions

為了驗(yàn)證上述復(fù)合土壤固化劑最佳配比的合理性，針對最佳配合比改良下的高液限土進(jìn)行了壓實(shí)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)和承載比試驗(yàn)。素土、復(fù)合固化土及地基土層的物理力學(xué)指標(biāo)的對比情況如表6所示。土體本構(gòu)模型均選用摩爾庫倫模型。

表6 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 6 Physical and mechanical parameters of plain soil and solidified soil

4.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在坡度相同的情況下，得到6 m高度下固化土路基沉降云圖如圖12所示，6 m高度下固化土最大位移為5.28 cm。其他高度下的位移沉降規(guī)律整體一致，路堤沉降最大位置位于路堤頂面，整個路堤沉降呈現(xiàn)出盆形，中部位置較兩邊沉降量大，整體對稱。

圖12 6 m高度下素土和固化土路堤沉降云圖Fig.12 Settlement cloud diagram of soil embankment with solidified soil at 6 m height

提取出高液限素土和固化土在不同路堤高度下的路堤沉降，如表7所示。4，6，8和10 m路堤對應(yīng)現(xiàn)場的4個監(jiān)測斷面K95+350，K98+665，K78+100和K86+330。填筑期內(nèi)，路堤頂面中心處的最大沉降對比如圖13所示。從沉降結(jié)果來看，填筑期內(nèi)的現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果較為接近。隨著路堤高度的增加，3組數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)上升趨勢，并且增長速率也隨之增大。同樣是固化土路堤，在相同的填筑高度下，現(xiàn)場監(jiān)測的沉降數(shù)值要稍大一些，差距在10%以內(nèi)?，F(xiàn)場填筑的方法為分層填筑，數(shù)值模擬為一次填筑，而且現(xiàn)場填筑施工難免受到各種干擾因素的影響，因此沉降數(shù)據(jù)偏大。

表7 素土和固化土的路堤沉降對比Table 7 Comparison of embankment settlement between plain soil and solidified soil

圖13 不同路堤高度下的路堤沉降曲線Fig.13 Embankment settlement curves at different embankment heights

5 結(jié)論

1)在高液限土強(qiáng)度改良方面，無機(jī)材料效果更顯著。無機(jī)材料摻量與固化土的σ及E存在顯著正相關(guān)；而對于SO改良，當(dāng)其摻量少于0.2%時，SO固化土的σ及E隨摻量增加而增大，當(dāng)摻量達(dá)到0.25%時，σ及E與SO摻量轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)。

2)在高液限土水穩(wěn)定性改良方面，SO的改良效果明顯優(yōu)于無機(jī)材料。7 d時無機(jī)固化土水穩(wěn)系數(shù)最高可達(dá)33.9%，28 d時最高可達(dá)48.6%；SO固化土在改善高液限土的水穩(wěn)定性方面更顯著，7 d時SO固化土水穩(wěn)系數(shù)最高可達(dá)79.5%，28 d時可達(dá)75.7%。

3)復(fù)合土壤固化劑能夠同時改善高液限土強(qiáng)度及水穩(wěn)定性。通過強(qiáng)度、水穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求及成本分析確定了針對湖區(qū)高液限土的復(fù)合固化劑最佳配比為：水泥4.5%，生石灰1.5%，粉煤灰2.5%，磺化油0.2%。

4)根據(jù)正交試驗(yàn)主效應(yīng)分析結(jié)果，水泥和生石灰對固化土7 d強(qiáng)度有顯著效果；而3種無機(jī)固化材料均對固化土28 d強(qiáng)度有顯著性效果，表明復(fù)合固化土主要由無機(jī)材料改良強(qiáng)度。在水穩(wěn)定性方面，SO對固化土的7 d及28 d水穩(wěn)定性皆有顯著效果，表明復(fù)合固化土主要由SO改良水穩(wěn)定性。

5)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果表明，素土路堤沉降小于固化土沉降，且隨著路堤高度的增加改良效果愈發(fā)明顯，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果相比略大于固化土模擬結(jié)果，誤差在10%以內(nèi)，證明室內(nèi)試驗(yàn)得到的復(fù)合固化配方可有效改善高液限土的路用。