复合加固剂加固福建软土力学特性试验研究

郭磊，李栋伟，安令石

（东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西南昌 330013）

0 引言

软土层广泛分布于我国沿海地区， 具有颗粒细小、压缩性高、孔隙比大、含水率较大等特点[1]。 这些特点导致富含软土的土层承载能力差、土的流变能力强、极易发生较大规模沉降等不利于工程建设的现象。 我国学者对软土的加固研究成果较多，包含化学加固、物理加固等方法。 其中化学加固法主要运用水泥、石灰、水玻璃等，根据地域不同和加固要求不同而采用不同的材料[2]。 本文对福建平潭地区的软土掺入复合加固剂，并进行三轴剪切静力学试验，分析在围压、养护时间、加固剂掺入量、加固剂配比的变化下，加固后软土的应力-应变曲线的变化规律， 从而为该地区工程设计提供参考。

1 试验材料及试验方案

试验采用福建省平潭县公安局附近软土， 取土深度为10m，土质较软，颜色为灰色，含有轻微臭味。采用现场测试和室内试验测试得到的物理力学基础性质如表1 所示。

由表1 可见， 福建省平潭县公安局附近的软土工程性质差，如满足工程需要，需进行加固处理，试验采用复合加固剂进行加固。 试验使用复合加固剂为细水泥和水玻璃的混合物，试验变量为加固土的围压、加固土的养护天数、复合固化剂掺入量、复合固化剂配合比。 本文将分析在上述四个变量下，加固土的应力应变曲线的变化规律。 试验方案如表2 所示。

表1 福建福州地区淤泥土物理指标

表2 试验方案

注：试验方案中，水泥掺入量是指水泥与土的质量之比，水玻璃掺入量指水玻璃和水泥的掺入量之比。 试验a10 至a13 是研究复合固化剂含量对加固土的影响。

试验采用的仪器为英国GDS 应力路径三轴仪，如图1 所示。

图1 GDS应力路径三轴仪

试验采用的试样为Φ50mm*100mm 的圆柱形式样。 试验前，计算每个式样所需的干土、水泥、水玻璃和水，其中水的质量按照天然含水率计算所得的质量。 制备式样时，先将所取软土进行烘干处理，在干燥的环境内将已烘干土样碾碎。 然后将碾碎的土和水泥、水玻璃充分混合，再将水与干混物充分混合搅拌均匀，分层装入Φ50mm*100mm 的三瓣模具内。最后将装好的式样放入养护箱中养护。 到达养护时间后，按照GDS 应力路径三轴仪的标准操作进行三轴剪切试验。 剪切速率为1mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 围压对加固土的影响

试验分别采用50kPa、75kPa、125kPa 和175kPa 四种围压，应力-应变曲线如图2 所示。

图2 不同围压下应力-应变曲线

根据试验结果得到不同围压下的强度和屈服点应变值，如图3、图4 所示。

图3 强度-围压

图4 屈服点应变值-围压

对应力-应变曲线进行分析可知，在一定应变范围内，不同围压的应力应变曲线会有所重合，并且其重合的应变范围随着围压的增大而急剧减小。 这表明，加固土在一定深度范围内，其物理力学性质相似，并且外界荷载越小，加固土的物理力学性质相似度越大。 在一定深度范围内，外力在加固土中能够传播并进行扩散，深度越大，影响越小。 即采用复合固化剂加固后的软土，其物理力学性质依旧与土相似。

根据图3 和图4 所示，围压从50kPa 增加到175kPa 时，加固软土的强度从212.53kPa 增加到476.56kPa，强度增加趋势呈直线型增长。 屈服点应变值则呈现先增加后平缓的变化趋势。 即在一定范围内，围压越大，屈服点应变值越大；围压到达一定程度后，屈服点应变值保持不变。 该试验表明，围压对于加固土的强度依旧是重要的影响因素，围压越大，加固土内孔隙越少，含水量越少，加固土越密实，因此加固土强度越大。 同时围压越大，加固土在承受外力的作用下其抗破坏性能越强，加固土能在更大的应变下阻止破坏，屈服点应变越大。

2.2 养护时间对加固土的影响

加固剂的主要成分是水泥和水玻璃， 其中水玻璃早期强度高，水泥虽然早期强度低，但是其强度随着养护时间的增加而增加，因此软土采用复合加固剂加固时，养护时间对加固土强度有重要的影响。 该试验采用3d、7d、14d、28d 的养护时间，得到的应力-应变曲线如图5 所示。

图5 不同养护时间的应力-应变曲线

根据试验结果得到不同养护时间下的强度和屈服点应变值如图6、图7 所示。

图6 强度-养护时间

图7 屈服点应变值-养护天数

试验结果显示，加固土在3d 到7d 的强度只增加了1.2%，从7d 到第14d， 强度增加了16.78%， 从14d 到28d， 强度增加了9.62%，加固土强度提升速度先增加后减小。 在反应初期，一方面水玻璃与水反应形成骨架结构，导致加固土内孔隙逐渐变大。 因此，土体的水更容易迁移到加固土内未反应的区域；另一方面水泥-水玻璃与水反应放热，逐渐加快了加固土内化学反应速度，从而加快强度的提升。 在加固土后期，随着水和水泥的减少，加固土内参与化学反应的材料减少，生成C-S-H 的速度逐渐减缓，因此强度增加逐渐减缓。

根据图7 所示，随着养护时间的增加，加固土屈服点应变值先减小后增加，表明加固土在10d 内的抗破坏能力下降，而在10d后，其抗破坏能力加强。 在前期，加固土随着反应的进行，虽然形成了骨架结构，但是骨架与骨架之间的粘结力下降，因此，更容易破坏。 而在反应后期，生成的C-S-H 凝胶逐渐加强了骨架与土颗粒的粘结能力，因此，抗破坏能力逐渐增强。

2.3 复合固化剂含量对加固土的影响

试验分别采用3%、6%、9%和12%的固化剂掺入量， 得到的试验结果如图8—图10 所示。

图8 不同固化剂的应力应变曲线图

图9 强度-固化剂添加量

图10 屈服点应变值-固化剂添加量

根据试验结果显示，固化剂添加越多，加固土强度越高，其强度增加趋势呈现直线型；屈服点应变值随着固化剂掺入量的增加而减少；加固土的软化现象随着固化剂的增加而更明显，软化后的残余应力随着固化剂的增加而增加。 这表明，加固剂对加固土的强度提升起着显著的作用，但是对加固土的抗破坏能力有负面影响。一方面，加固土体在固化剂的增加作用下水分减少，孔隙比减少，加固土更加密实；另一方面，加固土内形成骨架结构，对强度的提升起着主要作用。 同时，加固土内粘聚力减少，因此更容易产生软化现象。

2.4 水玻璃含量对加固土的影响

试验采用0、1%、2%和4%含量的水玻璃， 得到的应力-应变曲线如图11—图13 所示。

图11 不同含量水玻璃的应力-应变曲线图

图12 强度-水玻璃含量

图13 屈服点应变值-水玻璃含量

试验结果显示，水玻璃含量越多，加固土强度越大，其增长趋势呈直线型。 屈服点应变值则随着水玻璃含量的增加而减小，其减小趋势逐渐减缓。 从应力-应变曲线中看出，当水玻璃的含量逐渐增高，加固土的软化现象越明显，加固土体到达屈服点后应力-应变曲线下降越快，但是加固土软化后的残余应力增加很少。 这表明，添加水玻璃能显著增加加固土的强度，但是会减弱加固土抵抗破坏的能力，并且破坏后加固土的承载能力会显著下降。

水玻璃与水反应产生碱性溶液，软土中的碱金属在该溶液中产生相应的二氧化硅盐和水化硅酸盐，这两种产物与水结合产生凝胶状物质，提高了软土颗粒之间的胶合力，使得分散的软土颗粒形成较大的颗粒骨架[3-6]。 同时，水泥与水玻璃发生反应：两者在水中产生具有一定强度的水化硅酸钙；水玻璃降低水泥产生的氢氧化钙浓度，加速了水泥的水化反应[4]。 因此，水玻璃能提高复合固化剂的加固强度。 同时，水玻璃与水泥的反应物使得加固土降低了土体的流动性和粘聚力，使得加固土破坏后，其结构更加不稳定。

水泥和水玻璃在加固土中形成了骨架性结构，承担了加固土强度提高的主要作用。 水玻璃越多，骨架性结构的强度越高。 但是，骨架性结构一旦破坏，加固土强度会迅速降低。 残余应力则由破坏后的骨架碎片维持， 水玻璃难以提高破坏后的骨架碎片强度。

3 结论

（1） 对于福建平潭地区软土，复合固化剂能显著增加其强度，强度增加趋势在一定范围内为直线，能增加其残余应力值。 但是，复合固化剂会减少加固土屈服点的应变值， 其减少趋势逐渐减缓。 并且，复合固化剂会加强加固土的软化现象。

（2） 围压越大，加固土的强度越大；在一定围压范围内，围压越大，加固土屈服的应变值越大，围压增加到一定值时，加固土屈服的应变值几乎不增加。

（3） 复合加固土的早期强度较高，养护时间可以提升加固土的强度，其增加趋势为慢—快—慢。 在养护前期，屈服点的应变值减少；养护后期，屈服点的应变值增加。

（4） 水玻璃会提升复合固化剂加固土的强度，降低加固土屈服点的应变值，同时加速加固土的软化，对残余应力值的提升无明显效果。