固化土加固技术力学特性研究

张 元，张国忠，贺俊鹏

(1.中诚祥建设工程有限公司，山东 青岛 266000；2.佳木斯大学 建筑工程学院，黑龙江 佳木斯 154007；3.青岛海德工程集团股份有限公司，山东 青岛 266000)

1 引 言

固化土是把固化剂与土搅拌均匀，在水作用下发生化学反应，产生的胶凝物填充孔隙，土体密实度增强，因此，显著提升土体的力学性能。现阶段，固化土的研究在强度及其抗变形能力两方面研究比较多，尚未形成系统的研究体系，需进一步深入详细研究；由于固化土化学反应及生成物的复杂性，对于本构关系方面研究相对较少，尚未形成确定的数学关系。本文对路基固化土进行静三轴试验研究，探讨固化剂掺入对路基填料的应力-应变关系的影响，及其固化剂对其性能的提升效果，同时，分析了固化剂掺量对固化土强度特性的影响规律，及其提高效率，可作为岩土工程病害控制技术研究试验依据。

2 试验设计

2.1 试验材料

土样采集铁路路基的填料，将其从工程现场取回后进行风干，然后碾压，通过2 mm筛把填料中多余的杂质去除。通过击实试验分析，填料的ρdmax为1.973 g/cm3、Wopt为10.12%。经颗粒分析试验得知，路基填料的曲率系数为1.23、不均匀系数为4.88，经过分析该填料为级配不良土质，不能直接用于路基建设中，需进行加固改造后方可使用。加固材料选取Aught-Set高性能的土壤固化剂，具有较高的早期强度，耐久性好，使用年限长，材料价格便宜，环保无毒的特点。

2.2 试样制备及其养护

在土中加入一定量的水，首先把两者拌和均匀，装入密封塑料袋中，静置24 h后备用，制备试样前再掺入固化剂，搅拌均匀。其中，含水率选取为最优含水率多加3%，其中3%是在水作用下土壤固化剂与土颗粒发生化学反应而消耗的水量。对于同一工况的试样应一批出样，可减小试样间误差，进行对比分析时可保证数据的可靠性。试样采用压样机静压制样，高度为125 mm，直径为61.8 mm。将制备好的固化土试样放入恒温恒湿的养护箱，养护到试验龄期从养护箱中取出，将其放在三轴试验机上进行操作。

2.3 试验仪器及方案

试验所用仪器为TSZ-3.0型三轴仪，配有数控采集系统。试验为不固结不排水形式，加载速率为1.25 mm/min。试验方案如下：固化剂掺量选取0%、3%、4%、5%、6%；养护龄期选取14 d；围压为100 KPa、200 KPa、300 KPa、400 KPa。试样破坏标准确定为应变达到10%。本文为了研究固化剂掺入对路基填料的力学特性的影响，对路基填料和固化土两种土分别进行试验，以便更好的对比分析固化剂对路基填料加固作用。

3 试验结果分析

3.1 固化剂对路基填料应力-应变关系的影响

为了将不良土性的填料应用于工程中，需添加一定量的固化剂材料来改善其力学性能，因此，本文对路基填料和固化路基填料(固化土)进行三轴试验，对比分析固化剂对路基填料的应力-应变关系的影响，如图1所示。

由图1分析得，应变低于3%的情况下，路基填料和固化土应力随应变的增加表现为基本线性关系，此阶段两者均为弹性变形阶段；应变超过3%的情况下，路基填料和固化土的应力-应变关系曲线不断弯曲，逐渐发展到屈服阶段，曲线呈非线性变化趋势，此阶段两者均为弹塑性变形阶段。特此说明，仅在围压为100 KPa的条件下，路基填料和固化土应力-应变关系曲线从初始开始段曲线就不断弯曲，开始屈服。

随应变不断增加，路基填料和固化土的应力均不断提升，在应变处于4.3%(路基填料)、3.8%(固化土)时应力达到峰值点，接下来，应变继续增加，应力加速下降，两者的应力-应变关系曲线均表现为加工软化型特征。但两者也有一些差异，固化土的应力峰值点比路基填料发生得早，软化程度也比路基填料更强。

在应变相同时，围压的增加使得路基填料和固化土应力均提升，同时，两者的弹性模量增加，早期和峰值强度提高。原因在于围压越高，对土所产生的侧向约束力越大，土体密实度越大，因此，土体的力学性能越好。

把图1(a)与(b)两种不同土进行对比分析发现，当应变相同时，固化土的应力高于路基填料，这说明固化剂掺入有效改善了路基填料的强度及力学性能，使得固化土的力学性能优于路基填料，固化剂起到很好的加固效果，是一种有效提升土体性能的加固材料。

图1 固化剂对路基填料应力-应变关系曲线的影响

3.2 固化剂对路基填料破坏强度特性的影响

由表1和图2研究固化剂对路基填料破坏强度的影响发现，不管固化剂掺量多少，固化剂掺入后路基填料破坏强度明显增加，固化剂对路基填料破坏强度具有很好的改善作用。固化土的破坏强度大于路基填料，说明固化剂对于抵抗路基填料的变形破坏起到增强作用，固化剂是一种优良的抗破坏变形材料。

图2 固化剂对土体破坏强度的影响

表1 固化剂对土体破坏强度的影响(单位：KPa)

路基填料和固化土的破坏强度均随固化剂掺量增加不断提升，近似呈线性变化趋势。同时，发现随着围压的增加，两者破坏强度增强，但在固化剂掺量高时其提升的效果更加增强。因此，可采取增加固化剂掺量的方法提升土体工程力学性能，为兼顾经济性考虑，固化剂掺量不易取值过高，避免浪费和成本升高，经大量研究成果表明固化剂掺量取5%～6%比较适宜。

3.3 固化剂对土体强度提高效果分析

为了更加明显对比固化剂对路基填料的加固效果，提出强度提高系数的概念，即固化土破坏强度与路基填料破坏强度之比。

从表2和图3分析可知，固化土的强度提高系数均大于1，这说明固化剂对路基填料强度起到很好的提升作用，但由于固化剂掺量的不同，提升率不同。随着固化剂掺量的增加，固化剂对路基填料强度提升率越大，加固效果提升率更好。

图3 固化土强度提高系数曲线

随着围压的增加，固化剂对路基填料强度提升系数呈不断下降的趋势，但下降程度越来越缓慢，最后不断趋于平稳。这说明在小围压情况下，固化剂对路基填料强度提升率更高，固化剂材料所发挥加固效果提升率越大，材料的利用率越高，越经济合理。

4 结 语

在本试验方案范围内，通过三轴压缩试验研究固化剂对路基填料力学性能的影响，取得一些成果如下。

(1)路基填料和固化土应力随应变的变化过程可分为两段，直线段的弹性变形阶段、曲线段的弹塑性变形阶段，两者均存在应力峰值点现象，均表现为加工软化型特征。但有所不同的是，固化土的应力-应变关系曲线峰值点比路基填料发生得早，软化程度比路基填料更强。

(2)随着围压的增加，路基填料和固化土的弹性模量、早期强度和峰值强度增加，土体的力学性能越好。固化剂掺入有效改善了路基填料的强度及力学性能，使得固化土的力学性能优于路基填料，固化剂起到很好的加固效果，是一种有效提升土体性能的加固材料。

(3)固化土的破坏强度高于路基填料，固化剂具有很好的抵抗破坏的能力。路基填料和固化土均随固化剂掺量增多破坏强度提升，两者随围压的增加破坏强度增强。说明提升固化剂掺量和/或增加围压，可明显增加土体抵抗破坏的加固效果。

(4)固化剂对于路基填料强度性能有效改良，效果提升率明显，固化剂对路基填料强度提升率随着固化剂掺量的增多提升，加固效果提升率同时也更多。固化土的强度提高系数随着围压的增加不断降低，逐渐变缓，最后不断趋于平稳。说明在低围压下，加固路基填料强度提升率更高，材料的利用率更高，更为合理。