无机结合料加固吹填海砂土的三轴试验研究

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(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.南通市公路管理处，江苏 南通 226000;3.启东市交通运输局，江苏 启东 226200)

1 研究背景

随着沿海城市建设及对外开放的需要，围海造陆已经成为沿海工程建设和海岸开发中的重要组成成分。临海省高等级公路应江苏省沿海开发需要而建，沿线经过连云港、盐城和南通3市，全长526 km，临海而建，直接服务于滩涂开发、农业示范区建设和港区发展。临海高等级公路南通段地处软土地基区域，路基填筑存在3大问题：①南通段地势平坦，河塘水系发达，土源严重匮乏；②可供选择的填料少；③从外地购土造价高，运费昂贵，也不符合保护有限农田耕地的原则。因此，本着“就地取材、变废为宝”的原则，从技术、经济和环保的角度出发，利用吹填海砂资源，辅以必要的工程改性措施，是临海高等级公路路基填筑的技术可行、经济节约、环境友好的新思路。

海砂土黏粒含量少，黏聚力小，一般工程性能较差，容易受到雨水冲刷而导致路基破坏。国内外学者均对固化土开展过研究，刘莹等[1]采用水泥作为固化剂，通过室内模拟试验及相关测试，对吹填土的固化效果进行了分析，揭示其加固原理。刘科等[2]采用掺加单一水泥或生石灰的方式，通过大量室内试验得到不同条件下的无侧限抗压强度，并分析到低配比下的单一水泥土强度差于同比例掺量的石灰土强度。 Tomohisa等[3]提出用混凝土粉末、纸浆渣、粉煤灰和火山灰土加固处理含水量高和有机质含量高的土壤。Zalihe等[4]用粉煤灰和石灰来固化含有石灰质的膨胀性黏土。朱志铎等[5]通过不固结不排水三轴剪切试验对变掺量、变龄期条件下粉土及其稳定土的强度和变形特性进行了研究，研究结果表明：粉土及其稳定土的应力-应变曲线主要为软化型，固化剂在改善粉土凝聚力方面起了很大作用。

结合现场实际情况，本文着眼于在海砂土吹填后不久使用石灰、水泥等固化剂进行固化处理。在室内利用不固结不排水剪切试验对变掺量、变龄期、变含水量、变干密度等条件下吹填砂及其稳定土的强度和变形特性进行了研究。

2 吹填海砂土的基本性质

图1 颗粒大小分布曲线

海砂土土样取自江苏省临海高等级公路南通段K114+100，K110+100，K116+000，K119+300四个具有代表性的取土坑。

2.1 颗粒分析试验

按照JTG E40—2007《公路土工试验规范》[6]，采用筛分法对土样进行分析，结果如图1，粒径大于0.074 mm的颗粒含量超过50%，属于粗粒土，且颗粒均小于2 mm，属于砂类土，因为细粒组(0.075～0.005 mm)含量为45.1%，该土是属于细粒土质砂。

2.2 界限含水率试验

按照JTG E40—2007《公路土工试验规范》，采用液塑限联合测定仪对土样进行界限含水率试验。试验结果见表1。

2.3 击实试验

按照JTG E40—2007《公路土工试验规范》，采用标准击实仪对土样进行击实试验，试验结果见表1。

表1 土样基本性质试验数据

3 试验设备和制样

对于素土试样，土样黏聚力较小，使用对开模进行制样，并严格控制试样干密度最大，含水率最优。而石灰稳定土和水泥稳定土则采用高度控制式击样器击实制样，制样前，先将三瓣膜洗净、擦干组装好，并在内壁和底座内壁均匀涂上一层凡士林，再贴上一层塑料薄膜，防止脱模时试样损坏。为了严格控制干密度，采用击实棒分5层加料进行击实。

4 吹填海砂及其固化土的三轴试验

4.1 素土试样的三轴试验结果

三向受力状态能更好地模拟土样的原始应力状态，所以采用三轴试验对海砂土的强度进行分析。

根据击实试验结果，土样的最大干密度为1.61 g/cm3，最优含水率为14.5%。素土试样的UU三轴试验结果如图2所示，在不同围压条件下应力-应变曲线如图3所示。

图2 海砂土三轴剪切试验结果

图3 不同围压条件下应力-应变曲线

试验结果表明，海砂土黏聚力c为6.2，内摩擦力φ为36°，破坏峰值不明显，表现为塑性破坏、应变硬化特性。

海砂土塑性小，保水性差，水分散失快。用海砂土填筑路基，即使碾压成型，但是随着水分的蒸发散失，表层土体会出现松散，在车辆荷载的反复作用下，易形成较深的车辙，所以固化土的关键在于有效增加海砂土的黏聚力。

对掺入石灰或水泥等不同无机结合料的吹填海砂进行UU试验，以研究在不同掺量、不同龄期、不同延迟时间、不同含盐量、不同干密度、不同含水率等条件下的非饱和土体强度和变形特征。

取剪跨比λ为4，轴压比ηk为0.1，配筋率ρl为0.96%在不同纵筋强度的三种矩形空心墩，纵筋强度分别为464 MPa、507 MPa、542 MPa，进行Pushover分析，其对应的能力曲线如图12所示，由图12可知，纵筋强度的提高对空心墩的承载能力有所提高，但空心墩位移延性随着纵筋强度的提高而减小。

4.2 加固土的应力-应变关系特性

水泥、石灰石加固海砂土的应力-应变曲线如图4和图5，试样的含水量为14.5%，标准养护7 d，干密度为1.6 g/cm3。由图可得：水泥固化土比石灰固化土峰值应力大，但当水泥掺量增大至7%时，海砂土的塑性逐渐消失，变得硬脆，破坏峰值也变明显，随后残余强度下降较多。但当围压增大到300 MPa时，试样重新趋于塑性破坏。而石灰的掺入对于降低塑性效果不大。

图4 水泥加固海砂土应力-应变曲线

图5 石灰加固海砂土应力-应变曲线

掺水泥7%和掺石灰7%的试样破坏形态如图6。试样的含水量为14.5%，标准养护7 d，干密度为1.60 g/cm3。由图可以看出，掺水泥7%时，试样呈脆性破坏，45°方向出现剪切破坏带。掺石灰7%时，试样呈塑性破坏，竖向应变较大。

4.3 强度特性

4.3.1 干密度的影响

不同干密度试样的黏聚力和内摩擦角如图7所示。试样的含水量为14.5%，标准养护7 d，干密度分别为1.50,1.60,1.70 g/cm3。掺入水泥和石灰后，海砂土的黏聚力有大幅度提升，内摩擦角提升幅度较小。随着试样的干密度增大，海砂土的黏聚力和内摩擦角均增大，干密度从1.50 g/cm3变化到1.70 g/cm3的过程中，石灰固化土黏聚力增加20.5%，内摩擦角增加了5.5%；水泥固化土增加19.5%，内摩擦角增加了5.3%。

图7 干密度对强度参数的影响

图8 含水量对强度参数的影响

4.3.2 含水量的影响

不同含水量试样的黏聚力和内摩擦角如图8所示。试样的干密度为1.6 g/cm3，标准养护7 d，含水量分别为10%,14.5%,18%。由图可得：随着含水量的升高，水泥固化土和石灰固化土的黏聚力和内摩擦角都均匀减小，但水泥固化土的减小幅度更大，含水量从10%到18%时，黏聚力c值减小32.5%。同时并未发现界限含水量的现象。

4.3.3 龄期的影响

不同龄期试样的黏聚力和内摩擦角如图9所示。试样的干密度为1.60 g/cm3，标准养护7 d，含水量为14.5%。分别标准养护7,14,28 d。随着养护龄期的增加，无论是水泥固化土还是石灰固化土的强度均有提升，但规律不同，石灰土前期强度增加较快，后期趋于平缓，水泥土则是在14 d以后强度增加较快。

图9 龄期对强度参数的影响

4.3.4 击实延迟时间的影响

不同击实延迟时间试样的黏聚力和内摩擦角如图10所示。试样的干密度为1.60 g/cm3，标准养护7 d，含水量为14.5%，标准养护7 d，延迟击实时间分别为0，3，5,7 d。延迟击实是指加入石灰或水泥后没有做到立即击实，而是延迟若干天后再做击实制样。随着延迟时间的增加，无论是水泥固化土还是石灰固化土的强度均减小，其中水泥固化土的下降幅度更大，达到45.4%，而石灰固化土只有33.3%。

图10 击实延迟时间对强度参数的影响

击实延迟造成固化土强度减小的原因是由于混合料在静置时间内，土和固化剂之间的物理化学反应已经开始，形成了初步强度，有一定的胶结程度，此时再对它击实会使试样整体骨架结构变松散，造成延迟击实成型后试样强度降低[7]。

4.3.5 含盐量的影响

土壤含盐量是指土中所含盐分的质量占干土质量的百分数。滨海地区土壤盐分主要以可溶性氯盐为主，由于地下水位高且时常变化，土中盐类遇水后溶解，经过一系列积盐、脱盐以及与土体内部化学物质产生反应的过程，影响土的物理力学性质，降低土体强度、产生地基溶陷和路基沉降等工程问题。本文针对不同含盐量影响固化土强度规律进行了研究。

不同含盐量试样的黏聚力和内摩擦角如图11所示。试样的干密度为1.6 g/cm3，标准养护7 d，含水量为14.5%。含盐量分别为1%,3%,7%,10%。由图可得：当含盐量小于3%时，水泥固化土的黏聚力和内摩擦角均随含盐量的增大而增大，当含盐量大于3%时，黏聚力和内摩擦角则随含盐量的增大而减小，所以认为3%为含盐量对水泥土、石灰土强度影响的阈值。

图11 含盐量对强度参数的影响

水泥固化土、石灰固化土是在一定的含水量和孔隙率的土中掺入少量的水泥或石灰拌制而成的，因掺量少，土中含水量高，黏土矿物对Ca(OH)2有一定的吸附能力，故水泥、石灰土中产生的膨胀反应的物质较少，Ca(OH)2浓度低。另外硫酸盐浓度较低时，膨胀生成物的量必然也很少，水泥土中孔隙较多，土粒团有较大的可压缩性，允许一定的膨胀，此膨胀均匀地分布在整个水泥土中，填满原有孔隙，孔隙水被排出，有效应力增大，有利于土体固结；同时膨胀反应产生的膨胀力也不会超过水泥土自身的黏结强度，不会影响其结构特性。所以水泥土强度反而会增大。换而言之，当含盐量低于某一数值时，水泥、石灰土的强度会随着含盐量的增加而增加，当含盐量高于这一阈值时，水泥、石灰土中会产生的较多的膨胀物质，特别是在工程实际中存在硫酸盐类与镁盐类同时作用时，这样不仅膨胀量超过土的孔隙体积，膨胀力也大于土自身的黏结强度，必然使土强度降低甚至破坏[8]。

4.3.6 无机料含量的影响

不同无机料含量试样的黏聚力和内摩擦角如图12所示。试样的干密度为1.6 g/cm3，标准养护7 d，含水量为14.5%，而结合料掺量分别为3%，5%，7%。由图可得：随着水泥、石灰掺量的增加，海砂土的黏聚力和内摩擦角均增大，水泥土的幅度更大。同时它们的变化规律都是在掺量小于5%时增长速度较快，而超过5%后增长速度放缓。

图12 无机结合料掺量对强度参数的影响

5 结 论

以水泥和石灰加固的吹填海砂为研究对象，通过三轴剪切试验对其强度和变形特征进行研究，得出以下几点结论：

(1) 海砂土和石灰加固土的应力-应变曲线主要为应变硬化型，破坏峰值不明显；当水泥含量超过5%时，水泥加固海砂土倾向于脆性破坏，破坏试样有明显的剪切破坏面。

(2) 无论是采用石灰还是水泥作为无机结合料，都能有效提升海砂土的黏聚力，改善其工程性能。

(3) 干密度、结合料掺量、养护龄期均为固化海砂土强度影响的正相关因子；含水率、延迟击实时间则为负相关因子；含盐量对固化海砂土强度有阈值的影响，小于3%含盐量时，强度随含盐量增加而增加，大于3%时，强度随含盐量增加而减小。

这些规律可对海砂土填筑路基工程现场提供技术帮助，例如控制含水率压实，或者是掺石灰或掺水泥后对延迟时间的控制等，都能使工程效益达到最大化。

参考文献：

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