固化滨海盐渍土的抗剪强度及偏应力应变特征分析

周晓鹏，王 沛

(1. 天津滨海新区建设投资集团有限公司，天津 300000；2. 天津城市建设学院，天津 300384)

固化滨海盐渍土的抗剪强度及偏应力应变特征分析

周晓鹏1，王 沛2

(1. 天津滨海新区建设投资集团有限公司，天津 300000；2. 天津城市建设学院，天津 300384)

采用石灰+粉煤灰和高分子材料 SH固土剂改性固化滨海盐渍土，以满足作为路堤填料强度和抗变形的要求．在对不同配合比固化土的无侧限抗压强度测试结果进行对比的基础上，选择两种固化方法进行固化土的三轴压缩试验，分析浸水前后固化土的抗剪强度变化及偏应力应变特性．结果表明：与单一无机固化材料的固化土相比，掺加 SH固土剂的固化土的黏聚力大幅增加，内摩擦角变化相对较小；固化土的应力应变关系曲线表现为应变软化型，试样呈脆性破坏．两种固化方法均可增强土的抗剪强度、水稳性和抗变形能力，掺加SH固土剂的固化效果更优．

滨海盐渍土；固化土；抗剪强度；偏应力应变

滨海盐渍土为细颗粒的黏性土，属氯盐渍土类型，具有盐胀、溶陷和吸湿软化的不良工程特性，用做路基填料时会引发路面泥泞、溶陷、路基翻浆等问题[1-2]．因此，在工程使用时需对该填料进行固化处理．

固化土作为路堤填料使用时，其强度问题主要涉及抗压强度和抗剪强度[3]．采用石灰、粉煤灰和 SH固土剂共同固化盐渍土，制备不同配合比的固化土，对其进行无侧限抗压强度试验．经固化土的扫描电镜观察证实，SH固土剂包裹了土颗粒，填充了部分孔隙，提高了土的憎水性．胶膜包裹土颗粒并在孔隙中形成了丝网状联结，增强了土颗粒间的联结力，使固化土的抗压强度和水稳性得到提高[4-6]．与盐渍土相比，固化土的抗压强度大幅提高，试验结果证实，选择的固化方案可行．

依据固化土的无侧限抗压强度试验结果，选择其中两种适宜的固化方法，并确定了最优的固化材料配合比．随后完成了石灰+粉煤灰固化盐渍土、SH 固土剂+石灰+粉煤灰固化盐渍土的三轴抗剪强度试验，对抗剪强度的变化及偏应力应变性能进行研究．

1 试验材料与样品制备

1.1 试验材料与仪器

试验用土取自天津滨海新区，为粉质黏土，塑性指数为12.9，含盐量2.64,%；水泥为32.5#的普通硅酸盐水泥；石灰为二级生石灰粉，有效钙镁成分含量70,%；粉煤灰取自天津军粮城发电厂；SH固土剂为水溶性液体高分子材料，无毒无污染，主要成分为改性的聚乙烯醇．

试验使用国家电力公司南京自动化设备总厂制造的 SJ-1A型应变控制式三轴剪力仪，选择不固结不排水剪切，剪切速率为0.368,mm/min，围压为 100，200，300，400,kPa．

1.2 样品制备

依据重型击实试验结果，并结合滨海盐渍土地区的路堤填筑经验，选择试样的含水率为20,%，干密度1.65,g/cm3．按所需的水量，加水拌和滨海盐渍土，再放入密闭的塑料袋中静置 24,h，使水分均匀浸润土颗粒．然后将固化材料加入土中，均匀拌和，使用千斤顶双向静力挤压制备试样，静置 3,min后缓慢推出，放入标准养护箱中养护 7,d．试样直径 39.1,mm、高80,mm．一组试样养护结束后即进行试验；另一组试样在养护结束的前一天抽气饱和，并在水下静置24,h．

根据已完成的固化土无侧限抗压强度的试验结果，制定盐渍土的固化方案：A组为盐渍土；B组为石灰∶粉煤灰∶土＝12∶48∶40；C组为石灰∶粉煤灰∶土∶SH固土剂＝12∶48∶40∶3．

2 固化土的抗剪强度

盐渍土、石灰+粉煤灰+盐渍土和 SH固土剂+石灰+粉煤灰+盐渍土的抗剪强度指标见表 1，其抗剪强度包络线见图1．

表1 盐渍土与固化土的抗剪强度

由表 1可以看出：试样处于非饱和状态时，与盐渍土相比，B组的黏聚力和内摩擦角分别增加了37,%和20,%；饱和后，盐渍土的内摩擦角为0，B组黏聚力较非饱和状态有所降低，但内摩擦角的变化较小；C组与 A组相比，试样处于非饱和状态时，C组的黏聚力和内摩擦角分别增加了 94,%和 23,%；饱和后黏聚力增加了 436,%；C组黏聚力和内摩擦角的增幅均大于B组．

图1 抗剪强度包络线

由图 1可以看出：抗剪强度包络线近似直线．依据 Mohr-Coulomb破坏准则，破坏面上的法向应力和剪切应力满足函数关系

其中：c为黏聚力；φ为内摩擦角．

石灰+粉煤灰+盐渍土的黏聚力增大的原因在于：将石灰、粉煤灰混合后，主要发生的固化反应为硬凝反应[7]．粉煤灰中含有大量的活性 SiO2、Al2O3、Fe2O3等酸性氧化物，含量约 475,%以上，只有少量的 CaO，使得粉煤灰的自凝性较差，在抗剪强度指标方面表现为黏聚力值较低；而生石灰中的化学成分主要是CaO，这两种材料经拌和压实后，在一定含水率条件下发生一系列水化反应，其反应过程如下[8]

水化硅酸钙(CaO·SiO2·nH2O)、水化铝酸钙(CaO·Al2O3·nH2O)以及水化铁酸钙(CaO·Fe2O3·n H2O)等化合物为不溶于水的稳定性结晶生成物，可在空气和水中逐渐硬化．将石灰和粉煤灰拌和物中的固体颗粒胶结在一起，形成了较大的团粒结构，导致固化盐渍土的黏聚力和内摩擦角显著增大．

SH固土剂的主要成分是聚乙烯醇，与土颗粒接触后会发生化学作用、螯合作用、吸附作用和絮凝作用[9]．将 SH 固土剂掺入土中，聚乙烯醇的羧基团与黏土表面硅酸盐层中的氧形成氢键，并牢固吸附于黏土颗粒表面，使土成为一个不溶性的、富有弹性的、网络状的胶凝整体．SH固土剂与土颗粒的物理化学作用是不可逆的．SH固土剂干燥后形成具有黏弹性长链状的连续性丝状膜层，膜与土颗粒牢固黏结成为整体．丝状膜层在凹凸不平的土颗粒表面和细缝中穿梭连结，呈空间网状结构．另外，SH固土剂在成膜过程中堵塞了土的毛细孔道和微孔隙，使土颗粒间的界面黏结强度增加，从而提高了固化土的强度[10]．固化土的微结构见图2．

图2 养护一周浸水后的固化土微结构形貌

图2为土样养护一周后再浸水24 h的微结构形貌．孔隙中和土颗粒周围依然吸附有 SH固土剂(照片中的浅色部分)，表明 SH固土剂在一周龄期内已形成了初步的吸附和丝状连结．

3 盐渍土和固化土的偏应力应变特征

3.1 盐渍土的偏应力应变特征

图3为盐渍土的偏应力与轴向应变曲线．

盐渍土的偏应力与轴向应变曲线没有出现明显的峰值，呈现应变硬化型，试样为塑性破坏．轴向应变大于 4%，发生塑性应变，应力不再继续增加，塑性应变持续发展，直至盐渍土破坏．

3.2 石灰+粉煤灰固化土的偏应力应变特征

图 4为石灰+粉煤灰固化土的偏应力与轴向应变曲线．

图3 盐渍土的偏应力与轴向应变曲线

图4 石灰+粉煤灰固化土的偏应力与轴向应变曲线

图 4显示：曲线的初始阶段为直线，固化土处于弹性变形阶段；达到屈服应力时，固化土除弹性变形以外，还出现了不可恢复的塑性变形，应力应变关系呈非线性关系．

石灰+粉煤灰固化土的偏应力达到峰值后，偏应力随应变的增加而降低，应力应变曲线呈应变软化型，试样表现为脆性破坏．

在非饱和状态时，曲线出现峰值后急剧下降，残余强度和峰值强度相差较大，在围压为100 kPa时表现最为明显．在围压为 100，300 kPa时，偏应力降到一定值后，随着应变的增大偏应力逐渐增大，表现出应变硬化现象；但在饱和状态下，没有出现应变硬化现象．

3.3 SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土的偏应力应变特征

图 5为 SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土的偏应力与轴向应变曲线．

SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土的应力应变曲线的变化趋势与石灰+粉煤灰固化土的基本相同，应力应变曲线呈应变软化型．

图5 SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土的偏应力与轴向应变曲线

与图4相比，在各级围压下，SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土的峰值强度增大，应力应变曲线变化较为平缓，残余强度和峰值强度的差值明显减小，表明SH固土剂的固化作用提高了土的抗剪强度．

在非饱和状态和饱和状态下，随着围压的增加，SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土的应力应变曲线逐渐由应变软化型转变为应变硬化型．说明SH固土剂明显改善了土的抗变形能力．

4 破坏形态

盐渍土、SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土试样在三轴压缩试验后的破坏形态如图6所示．

图6 三轴压缩试验后的试样破坏形态

盐渍土试样以塑性变形为主，呈鼓胀性破坏，没有明显的剪切面，试样的鼓胀部分表面出现了 45°且相互交叉的微裂纹；SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土试样的破坏没有明显的鼓胀，而呈脆性破坏，在试样表面出现了与水平面呈约 45°的剪切破坏面，并伴随有许多微裂缝．

5 结 论

(1)在采用石灰+粉煤灰+SH固土剂固化的滨海盐渍土中，SH固土剂包裹了土颗粒，封闭了部分孔隙，增强了土颗粒间的联结，使固化土的黏聚力大幅增加，而内摩擦角的增量相对较小．

(2)盐渍土的偏应力应变曲线无明显峰值，应力应变曲线呈应变硬化型，试样以塑性变形为主，为鼓胀破坏，没有明显的剪切面．

(3)石灰+粉煤灰固化土、SH 固土剂+石灰+粉煤灰的固化土的偏应力应变曲线在初始阶段为直线，固化土处于弹性变形阶段；当应力达到屈服应力时，固化土偏应力随应变的增加而降低，应力应变曲线呈应变软化型，为脆性破坏．

(4)SH固土剂提高了固化土的强度和抗变形能力．在各级围压下，SH固土剂+石灰+粉煤灰固化土的峰值强度大幅增加，应力应变曲线变化平缓，达到峰值强度后，由应变软化型逐渐转变为应变硬化型，峰值与残余强度的差值减小．

［1］周 琦，邓 安，韩文峰，等. 固化滨海盐渍土耐久性试验研究[J]. 岩土力学，2007，28(6)：1 129-1 132.

［2］赵海艳，张 渊，韩文峰. 我国北方滨海盐渍土的工程特性研究[J]. 天津城市建设学院学报，2005，11(4)：250-253.

［3］刘迎春，李 浩，徐永福. 滨海盐渍土的工程特性[J].路基工程，2007，3：57-59.

［4］刘付华，柴寿喜，张学兵，等. 二灰固化滨海盐渍土抗压强度的影响因素[J]. 湘潭大学自然科学学报，2006，28(2)：118-122.

［5］柴寿喜，王晓燕，魏 丽，等. 五种固化滨海盐渍土强度与工程适用性评价[J]. 辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2009，28(1)：59-62.

［6］周 琦，韩文峰，邓 安，等. 滨海盐渍土作公路路基填料试验研究[J]. 岩土工程学报，2006，28(9)：1.177-1.180.

［7］刘付华. 二灰和高分子材料固化滨海盐渍土作公路路堤填料试验研究[D]. 天津：天津城市建设学院，2006.

［8］覃银辉，何 玮，柴寿喜，等. 滨海盐渍土固化后物理力学性能试验研究[J]. 西安建筑科技大学学报：自然科学版，2007，39(3)：408-412.

［9］柴寿喜. 固化滨海盐渍土的强度特性研究[D]. 兰州：兰州大学，2006.

［10］刘付华，郭 英，曹 权，等. 滨海盐渍土改良与利用新途径试验研究[J]. 天津城市建设学院学报，2005，11(4)：254-257.

Analysis on Shear Strength and Deviator Stress-strain of Solidified Saline Soil in Inshore

ZHOU Xiao-peng1，WANG Pei2
(1. Tianjin Binhai New Area Construction and Investment Group Co.，Ltd.，Tianjin 300000，China；2. Tianjin Institute of Urban Construction，Tianjin 300384，China)

The mixture consisting of lime, flyash and polymer (SH agent) can be used to solidify saline soil in inshore, which can satisfy the demand for high strength and anti-deformation in the use of road fillings. On the basis of optimizing the results of differently unconfined compressive strength tests of solidified soils, two kinds of solidified soils are selected for triaxial shear test. And then the characteristics of the shear strength and deviator stress-strain of the solidified soils are analyzed. The results show that the cohesion of the solidified soils consisting of SH agent is much better than that of saline soil, and their friction angle hardly increases. Meanwhile the results indicate that the deviator stress-strain of the solidified soils belongs to strain-softening type,and the samples appear in a brittle failure state, and the shear strength and anti-deformation of two kinds of solidified soils increases greatly, and the solidified soils consisting of SH agent are much better.

saline soil in inshore；solidified soils；shear strength；deviator stress-strain

TU448

A

1006-6853(2010)02-0095-04

2010-01-06；

2010-03-15

周晓鹏（1977—），男，天津人，天津滨海新区建设投资集团有限公司工程师.