湿化条件下水泥固化土的强度与变形特性分析

陆卫东

（江苏中设集团股份有限公司，江苏 无锡 214081）

1 概述

长三角、珠三角地区经济发达，公路、铁路等路网密集。公路、铁路等基础设施建设过程中遇到了大量的软弱土，该部分软弱土孔隙比大、含水率高、强度低、压缩性大，难以满足地基土体强度和变形控制的要求。工程中常采用换填、CFG 桩、抛石挤淤、强夯、排水固结、深层搅拌、固化、高压旋喷注浆等进行改良处理。其中，固化处理是目前软弱土处置较常用的方法，该方法既可解决软弱土处置占用土地和环境污染问题，也可为工程建设提供填料。

硅酸盐水泥是目前软弱土固化最常用的固化剂。水泥通过水化、火山灰反应生成水化产物，使自由水转化为矿物结合水，并利用水化产物的胶结和填充作用形成土骨架以提高软弱土的强度［1］。随着水泥等固化剂掺量和养护龄期的增加，固化土中水化产物的含量增大，其抗剪强度也逐渐增加［2］。近年来，研究人员开始研究低碳、环保的新型土壤固化剂或固化方法来全部或者部分取代传统的硅酸盐水泥，如采用工业副产品磨细高炉矿渣［3］、粉煤灰［4］、木质素［5］等对土体进行固化处理。研究发现，矿渣、粉煤灰等能够有效改善土体的力学特性，但对固化土早期强度的发展贡献不大，甚至会导致早期强度降低，限制了上述材料的大规模使用。

固化软弱土作为人工胶结填土材料多处于非饱和状态，其工程性质相比饱和土更为复杂，经典饱和土力学原理与概念难以解决非饱和土的工程问题。由于降雨－蒸发、水位升降等原因，固化软弱土的含水率常处于周期性变化状态。如公路、铁路通车运营后在浸润、降雨、蒸发和地下水影响下，路基内产生水分迁移和湿度重分布，水的质量分数较施工时增大2% ～10%［6］。已有的研究表明固化土浸水软化后强度有所降低［7－11］。当固化土本身的强度较低时（如进行填埋时无侧限抗压强度仅需满足不小于50 kPa［12］） ，浸水湿化对固化土强度的影响更为显著。忽略浸水湿化的影响显然难以反映实际情况，从而造成不必要的浪费或引发安全事故。

因此，采用固化软弱土修筑地基或路基等土工构筑物时，应注意评价湿化条件下土工构筑物的稳定性和湿化变形。而解决这些问题的关键在于对不同湿化程度下固化软弱土力学特性和变形特性的全面掌握和深刻认识。鉴于此，本文以无锡地区典型淤泥质黏土为研究对象，采用工程上常用的水泥进行固化并进行湿化处理，研究不同含水率情况下固化土的力学和变形特性，为评价湿化条件下土工构筑物的稳定性和湿化变形提供科学依据。

2 试验材料与方案

2．1 试验材料

试验所用材料为无锡地区典型淤泥质黏土。依据土的分类标准，该土属于高液限黏土，其主要化学成分为SiO2，Al2O3，Fe2O3，MgO，其物理性质指标见表1，颗粒级配曲线如图1 所示。试验所用固化剂为标号P．C32．5 复合硅酸盐水泥。

图1 试验用土的颗粒级配曲线

表1 试验用土的物理性质指标

2．2 试样制备

土样烘干后进行粉碎并过2 mm 筛，排除可能异物。将过筛后的干土置于盆中，按照含水率（质量分数） 70%倒入相应质量的水配置泥水混合物。按每立方米泥水混合物添加100 kg，200 kg，300 kg 水泥，搅拌10 min 后抽真空30 min 消除气泡。然后，将混合物装入61．8 mm ×20 mm的环刀中制备固结试样，装入39．1 mm×80 mm 的三轴饱和器中制备无侧限抗压强度试样。制样过程中不断振动模具，排除气泡使试样密实。然后在室温下进行养护1 d 成型。成型结束后对试样脱模，为防止水分蒸发，采用不透水保鲜膜包裹试样并移至恒温恒湿箱（温度为20 ℃，湿度大于95%） 养护。

由于水泥的水化作用极易受到含水量的影响，且水泥的水化程度与时间有关，在90 d 后基本稳定。为保证在进行固结、无侧限抗压强度等试验时同一水泥掺量下不同含水率固化土试样具有相同的水化程度，本文将固化土试样统一在恒温恒湿箱中养护90 d 后再进行不同含水率条件下的固结试验和无侧限抗压强度试验，确保试验结果的可对比性。

2．3 试验方案

试样养护至预定龄期后进行抽真空饱和处理，获得饱和环刀试样和三轴试样，开展饱和状态下固化土的固结试验和无侧限抗压强度试验，探究水泥掺量对固化土强度和变形特性的影响。为探讨含水率对固化土强度和变形的影响，将水泥掺量100 kg/m3固化土环刀试样和无侧限抗压强度试样进行自然风干处理，获得预定含水率后进行不同含水率条件下的固结试验和无侧限抗压强度试验，具体试验方案见表2。固结试验加载等级为

表2 无侧限抗压强度、固结、回弹试验方案

12．5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，1 600 kPa，3 200 kPa，每级荷载加载时间为24 h。固结试验完成后开展回弹试验研究，按照3 200 kPa，1 600 kPa，800 kPa，400 kPa，200 kPa，100 kPa，50 kPa 等级进行卸载，并记录回弹变形，每级荷载稳定时间为24 h。需要指出，由于固结试验和回弹试验时间较长，为防止试验过程中因水分蒸发而引起试样含水率发生变化，需对传统固结仪进行改进，改进后的固结试验装置如图2 所示。改进后的固结试验装置通过密闭容器将环刀试样与外界环境进行隔离，能够有效避免试验过程中由于水分蒸发而对试样的含水率产生影响。

图2 改进的固结试验装置

3 试验结果与分析

3．1 水泥掺量对固化土力学和变形特性的影响

为研究水泥掺量对固化土力学和压缩特性的影响，取水泥掺量分别为100 kg/m3，200 kg/m3，300 kg/m3三个配比进行无侧限抗压强度试验和固结试验。饱和条件下不同水泥掺量固化土的无侧限抗压强度曲线和压缩曲线分别如图3，图4 所示。由图3 可知，水泥掺量100 kg/m3试样在剪切初期的无侧限抗压强度随着剪切应变的增加逐渐增大，之后趋于稳定，试样表现出明显的应变硬化现象，出现柔性破坏。水泥掺量200 kg/m3，300 kg/m3试样在剪切初期也表现出无侧限抗压强度随剪切应变增加而逐渐增大的趋势，但当试样的强度达到峰值后无侧限抗压强度逐渐降低，表现出明显的应变软化现象，出现脆性破坏。水泥掺量越高，试样的无侧限抗压强度越大。对比各水泥掺量试样峰值强度对应的应变发现，水泥掺量越高，峰值强度对应的应变越小，即试样越早出现应变软化现象。上述结果表明随着水泥掺量的增大，虽然试样的无侧限抗压强度越大，但试样的脆性越强，越容易发生脆性破坏。这主要在于水泥掺量的增加使得水化产物增多，土颗粒间胶结作用越强，试样的胶结结构性越强，无侧限抗压强度越大，脆性越明显。

图3 不同水泥掺量固化土的无侧限抗压强度曲线

由图4 所示压缩曲线可知，水泥掺量越低，固化土初始孔隙比越大。屈服前，三种水泥掺量固化土的孔隙比变化均较小；随着固结压力的增大，低水泥掺量固化土先发生屈服，孔隙迅速被压缩，孔隙比减小，压缩曲线逐渐向高水泥掺量下方发展；随着固结压力继续增大，高水泥掺量固化土也发生屈服，且水泥掺量越大，孔隙比下降的速度越缓慢。采用Butterfield［12］提出的双对数方法确定固化土的屈服应力。图5 为饱和条件下三种水泥掺量固化土的屈服应力。由图5 可知，水泥掺量越高，屈服应力越大。

图4 不同水泥掺量固化土的压缩曲线

图5 饱和条件下不同水泥掺量固化土的屈服应力

上述试验现象的原因在于： 低水泥掺量固化土由于水泥掺量较少，生成的水化产物较少，孔隙较多，使得低水泥掺量固化土初始孔隙比大于高水泥掺量固化土初始孔隙比。屈服前，固化土土颗粒间的胶结结构未发生破坏，处于弹性变形状态，孔隙比无明显变化，低水泥掺量压缩曲线位于高水泥掺量上方。随着固结压力的增大，由于低水泥掺量固化土土颗粒间胶结作用较弱，土骨架抵抗变形能力较差而率先发生屈服，孔隙被迅速压缩，孔隙比下降速率较快； 高水泥掺量固化土颗粒间胶结作用较强，土骨架抵抗变形能力较强，屈服应力较大，屈服后孔隙比下降速率较慢，使得低水泥掺量固化土的压缩曲线逐渐向高水泥掺量固化土的下方发展。

图6 为饱和条件下不同水泥掺量固化土的回弹曲线。可以看出，由于在固结压缩过程中低水泥掺量固化土试样产生了较大的压缩变形，使得低水泥掺量固化土回弹曲线的起始孔隙比明显小于高水泥掺量。随着竖向压力的逐渐减小，三种水泥掺量条件下的固化土孔隙比均呈现线性增长的趋势，表明卸载过程中固化土试样产生回弹变形。此外，从图6 还可以看出，三种水泥掺量固化土回弹曲线几乎平行，表明水泥掺量对固化土回弹指数的影响并不明显。在工程设计过程中可近似忽略水泥掺量对固化土回弹指数的影响。

图6 饱和条件下不同水泥掺量固化土的回弹曲线

3．2 含水率对固化土力学和变形特性的影响

为探究含水率对固化土力学和变形特性的影响，对水泥掺量100 kg/m3固化土试样开展不同含水率（饱和度） 条件下的无侧限抗压强度试验、固结试验和回弹试验研究。图7 为不同含水率条件下水泥固化土的无侧限抗压强度曲线。可以看出，固化土的含水率对试样的无侧限抗压强度存在较显著影响。当试样处于饱和状态（水的质量分数为58%） 时，剪切初期试样的无侧限抗压强度随着应变增加持续增大，当剪切应变到达4%时，随着剪切应变的进一步增大，无侧限抗压强度趋于稳定，表现为柔性破坏。随着固化土试样含水率的降低，试样逐渐处于非饱和状态（水的质量分数为43%，20%，17%） ，此时试样的无侧限抗压强度在剪切早期随应变增加而增大，但到达峰值后抗压强度开始随着应变的增大而下降，表现为脆性破坏。随含水率的降低，无侧限抗压强度曲线呈从柔性破坏向脆性破坏发展的趋势。对比各含水率条件下试样的峰值强度可以发现，试样的含水率越大，无侧限抗压强度越小，表明湿化过程会使得固化土试样的强度逐渐降低。

图7 不同含水率条件下水泥固化土的无侧限抗压强度曲线

图8，图9 分别为固化土在不同含水率条件下的固结试验结果和屈服应力。从图8 可以看出，不同含水率固化土试样在未达到屈服前孔隙比变化较为平缓，以弹性变形为主；屈服后孔隙比发生较明显变化，随着荷载的增大，相同荷载条件下高含水率固化土的孔隙比逐渐小于低含水率固化土，压缩曲线表现为高含水率固化土的曲线位于低含水率固化土曲线下方。回弹阶段的孔隙比均随荷载的减小呈线性增加趋势，高含水率固化土的回弹曲线位于低含水率固化土下方，且不同含水率固化土的回弹曲线无明显交叉现象。图9 可以看出，随着固化土试样含水率的增加，屈服应力逐渐减小，且呈现近似线性变化。为进一步探究含水率对固化土变形特性的影响，对固化土在不同含水率条件下的压缩指数进行分析。图10 为压缩指数与含水率关系曲线。可以看出，随着含水率的逐渐增大，固化土试样的压缩指数逐渐增大。

图8 不同含水率条件下水泥固化土的压缩曲线

图9 屈服应力与含水率关系曲线

图10 压缩指数与含水率关系曲线

上述试验现象表明，随着固化土试样含水率的增加，固化土试样的压缩性逐渐增大，无侧限抗压强度和屈服应力减小，说明在湿化作用下，由于固化土含水率的提高，固化土工构筑物可能出现由于土体强度降低和压缩性增大而引起失稳或产生附加变形。

造成上述现象的原因主要是固化土处于非饱和状态时（水的质量分数低于58%） ，土体孔隙中存在毛细弯液面，该毛细弯液面的表面张力有助于增大土体的有效应力，增强了土骨架，土体的强度和抵抗变形的能力增加，使得相同荷载条件下非饱和状态下固化土相对于饱和状态下固化土能够维持较大的孔隙比，且含水率越低，毛细弯液面对土骨架的增强作用越明显，土体抵抗变形的能力越强，导致高含水率固化土的压缩曲线逐渐位于低含水率固化土下方。

4 结论

本文以无锡地区典型淤泥质黏土为研究对象，采用水泥进行固化处理，分析了水泥掺量和固化土含水率对无侧限抗压强度和压缩变形特性的影响，主要得出以下几点结论：

1） 水泥掺量的增加有助于提高固化土的强度、降低固化土的压缩变形。随着水泥掺量的增加，固化土试样逐渐由柔性破坏向脆性破坏转变，且水泥掺量越高，试样的脆性越强，越容易发生脆性破坏。固结过程中，固化土屈服前的孔隙比变化较小，屈服后孔隙迅速被压缩，孔隙比减小，低水泥掺量固化土的压缩曲线逐渐向高水泥掺量下方发展。水泥掺量越高，固化土抵抗变形的能力越强，压缩性越小，但水泥掺量对固化土回弹指数的影响并不明显。在工程设计过程中可近似忽略水泥掺量对固化土回弹指数的影响。

2） 饱和状态时，固化土表现为柔性破坏，随着固化土试样含水率的降低，试样逐渐处于非饱和状态，试样的无侧限抗压强度曲线表现为脆性破坏。

3） 随着含水率的增加，固化土的屈服应力逐渐减小，压缩指数逐渐增大。在采用固化土修筑土工构筑物时，应重视因地下水上升或降雨入渗引起的湿化作用而导致的土体强度降低和压缩性增大，应对固化土土工构筑物在湿化作用下的稳定性和附加变形进行分析。必要时应注意做好固化土工构筑物的防排水措施，尽量减少湿化作用的影响，保障固化土工构筑物的安全稳定。