石灰与麦秸秆加筋固化滨海盐渍土的强度增长分析

张午斌，柴寿喜，余 沛

(天津城市建设学院 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

石灰与麦秸秆加筋固化滨海盐渍土的强度增长分析

张午斌，柴寿喜，余 沛

(天津城市建设学院 天津市软土特性与工程环境重点实验室，天津 300384)

滨海盐渍土易于吸湿软化，强度较低，将滨海盐渍土资源化，改良用作公路路基填料已经成为重要的岩土工程问题．笔者提出使用麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土，并分别从石灰固化、压密固结原理、加筋处理、密度、围压、颗粒级配等方面，对麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土的强度增长机制进行分析.结果表明：麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土，利用石灰土的良好颗粒级配与麦秸秆对石灰土的有效约束，通过压实提高土密度、增大麦秸秆与石灰土间的相互作用，改善滨海盐渍土的强度与整体稳定性.

滨海盐渍土；麦秸秆；加筋；石灰固化土

天津滨海地区地下水位浅、矿化度高，盐渍土主要以细颗粒的黏土和粉质黏土为主，孔隙细小.受水分蒸发影响，发生盐分结晶，一部分填充于土孔隙中，另一部分充当颗粒骨架起承载作用；受毛细水上升影响，固体盐颗粒溶化[1]，盐渍土的物理力学性质发生改变，强度降低.当滨海盐渍土直接用于工程生产时，会引发诸多病害.如：用作公路路基填料会出现路面泥泞、溶陷、路基翻浆、冻胀等现象[2-4].

对于缺乏优质路基填料(如级配碎石和砾石)的天津滨海盐渍土地区，采用砂石料处理公路路基或填筑路面基层、底基层，将大幅度增加公路建设的成本[4]；同时，可采用有机固化材料对滨海盐渍土进行改性固化，投资成本也相对过高.因此，从技术、经济、环保方面出发，在保证工程质量、减少砂石、有机固化材料用量的条件下，采用新型改性固化方式对滨海盐渍土进行处理，进而将滨海盐渍土资源化.麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土价格低廉、施工方便，已有实验数据表明：麦秸秆与石灰加筋固化可以有效提高滨海盐渍土的强度[5-6].

盐渍土的改性固化有物理、化学、物理化学方法.石灰固化是化学固化方法，压密、加筋处理是物理方法.国内外已有众多学者对土的石灰固化、压密固结原理、加筋处理进行了研究.梁乃兴[7]、薛焕东[8]等人研究了石灰加固土作用原理；姜景山[9]等人分析研究了密度和围压对粗粒土力学性质的影响；王俊林[10]探讨了土工织物抗拔力的作用机理；TEMEL Y[11]等人对离散型纤维加筋砂土的剪切强度性质进行了分析；PRABAKAR J[12]、ROBERTO M[13]等人进行了剑麻纤维长度和掺量对土强度的影响.

根据已有的研究成果，笔者从石灰固化、压密固结原理、加筋处理、密度、围压、颗粒级配等方面，对麦秸秆与石灰加筋固化提高滨海盐渍土强度的作用机制进行了分析.

1 滨海盐渍土的改性固化

1.1 滨海盐渍土强度降低的原因

滨海盐渍土在改性固化前后，由于土中毛细水上升、水分蒸发共同作用引起盐分的相态变化而导致盐渍土强度较低.在传统的石灰改性固化以后，由于石灰土受压变形过大和少量微裂缝的存在与发展共同导致滨海盐渍土强度降低．通过消除盐渍土中盐分的相态变化这一方式来提高土强度、降低成本，但实际中很少使用.为了将滨海盐渍土资源化，在对滨海盐渍土进行改性固化处理时，应该从阻止土的过大变形与微裂缝的发展来提高滨海盐渍土的强度.

1.2 滨海盐渍土的改性固化方法

盐渍土的改性固化有物理方法、化学方法、物理化学方法.物理方法主要有压密、加筋处理、换填土层；化学方法主要有固化材料的固化；物理化学方法主要是通过物理与化学方法的结合.

压密是通过对土施加竖向荷载来增大土密度而提高土强度．加筋处理是通过抗拉材料对土的侧向约束来减小土的侧向变形、阻止裂缝发展而提高土的强度．其中，侧向约束与围压间的关系可以用等效附加应力原理进行解释[14]．固化材料改性固化是通过固化材料与有一定含水量的盐渍土混合物发生化学反应，生成大量的富含结晶水的针状结晶体穿插在土孔隙中搭接成网，形成强度骨架．其次，生成硅酸盐类水化产物填充在骨架之中，使固化体系进一步密实[15]，进而提高土强度．换填土层是通过换填较大颗粒的碎石、砂土等来提高土强度.

滨海盐渍土以细颗粒的黏土和粉质黏土为主，孔隙细小．在黏性土中加入石灰，其中发生反应而形成大量粗粒料，由于粗粒料的支撑作用而抵抗土的较大变形[16]，减小土中微裂缝的发展．粗粒土的结构性是决定其力学性质的根本原因．对于同一种粗粒土，初始密度决定了粗粒土的初始结构性；围压形成了不同的应力诱导的结构性；密度和围压是决定其结构性的重要因素[9]．提高石灰土的密度、增大石灰土的围压可以有效提高其抗剪强度[17-18]．从密度、侧限、颗粒级配对盐渍土进行改性固化，可以达到实际可行的最佳效果[9].

1.3 加筋固化材料的选用

麦秸秆是具有一定的拉力和延伸率的线状材料[12]，其极限拉力为63～68,kN、极限延伸率为1.24%～1.38%、平均极限拉力为 65,kN、平均极限延伸率为 1.3%．拉力与延伸率的变化规律协调一致，表明麦秸秆能够适应较大的土变形，适宜作加筋材料使用[19].

石灰土造价低廉且具有较高的强度、较强的板体性等特征，工程上大多采用石灰对滨海盐渍土进行改性固化[20-21]．在改性固化过程中，石灰与土发生一系列的物理化学反应，使土的结构变得密实、土颗粒增大，盐渍土的强度得到较大提高[7-8].

用化学固化方法中的石灰固化与物理方法中的加筋处理来共同提高滨海盐渍土强度，应该会取得较好的效果．李敏[6]、杨继位[5]利用麦秸秆与石灰对滨海盐渍土进行改性固化试验，结果表明：麦秸秆与石灰共同提高滨海盐渍土强度的效果优于单一的石灰固化或麦秸秆加筋固化滨海盐渍土.

2 麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土的加筋补强机制

麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土是将一定长度的劈裂麦秸秆、石灰、盐渍土按一定的比例随机拌和并经压实而形成的共同受力、协调变形的均匀复合体．受外荷载作用时，麦秸秆与石灰固化土间就会产生相互错动或错动趋势，通过相互间的摩擦力将麦秸秆的抗拉性能与石灰土的高抗压强度相互结合，从而进一步提高滨海盐渍土的强度与整体稳定性.

加筋土的抗剪作用决定于土的强度、筋材的抗拉性能以及筋材与土间的力的传递[22]．从石灰与滨海盐渍土间的相互作用、麦秸秆与石灰土间的相互作用两个方面，笔者对麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土的强度增长机制进行了分析.

2.1 石灰与滨海盐渍土间的相互作用

粗粒料是加筋土工程中的优选填料[17]．在盐渍土中加入石灰，由于石灰在施工过程中不可能彻底的粉碎，石灰土间的拌和也不可能完全均匀，所以化学反应就只限于石灰与土粒间的接触面．在土粒表面发生化学反应生成的硅酸钙、硅酸铝将内部土颗粒包裹并与相邻土颗粒胶合而形成一个整体[8]．石灰土的结构经历松散粒状结构、颗粒间产生凝胶、胶结土颗粒部分凝胶结晶、形成连成一体的整体结构的发展变化过程[7]．其中未参与反应且未被包裹的小土颗粒填充于石灰土孔隙当中，使石灰土具有良好的颗粒级配.

2.2 麦秸秆与石灰土间的相互作用

无机结合料固化盐渍土的一个明显缺点是抗拉强度低、抗变形能力差[16]．石灰土在碾压完成一段时间之后往往会由于土的干缩而出现网状裂缝[20]．麦秸秆相对柔软，填筑碾压时可与填土紧密结合，甚至形成波浪形，提供较好的抗拉拔能力，使土与筋带间共同抵抗变形的能力增强[23]，从而提高土的抗拉强度与抗变形能力.

石灰土的抗剪强度随着围压的增加而增大[17-18].麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土受压产生变形增大与微裂缝发展趋势时，石灰土中各个方向的麦秸秆与石灰土间的黏结应力共同作用，在垂直于裂缝方向上产生局部黏结应力，使裂缝两边的石灰土受拉，麦秸秆与石灰土间形成一种“拉锚效应”．加大土围压，增强土颗粒间的咬合作用，阻断剪切面的延伸，表现为土的似摩擦角、准黏聚力的提高，从而提高其侧向约束，减小侧向变形．其中，侧向约束与围压间的关系可以用等效附加应力原理进行解释[14].

麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土这种随机拌和的布筋方式可以有效地避免单向加筋土的单向加筋效果．单向加筋土会由于部分剪切面沿着加筋方向发生，使加筋作用未能得到充分发挥而抗剪强度较低[24]．同时，麦秸秆与石灰加筋固化提高滨海盐渍土强度也可以用纤维土的补强机理[25-26]加以解释．弯曲加筋：麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土承受外力作用时，在麦秸秆的受压弯曲凹侧面将会产生对土颗粒的反压力与摩擦力，起到加固土作用；交织加筋：麦秸秆与石灰土均匀地拌和在一起，这种无序分布的加筋方式使麦秸秆相互间存在许多交织点.通过这些交织点相互牵制，共同作用，对土起到空间的约束作用．受压弯曲麦秸秆与石灰土颗粒均匀地交织在一起形成空间骨架，通过石灰土颗粒间的咬合、麦秸秆与石灰土间的摩擦力、麦秸秆对石灰土的空间约束力，使加筋土整体受力，协调变形，如图1所示.

图1 麦秸秆加筋土的弯曲机理与交织机理示意

麦秸秆与石灰固化土间的可靠黏结，是保证麦秸秆与石灰土这两种力学性能截然不同的材料在同一受力体系中共同工作的基本前提．麦秸秆与石灰固化土间的黏结力主要有两部分组成：一部分是麦秸秆与石灰固化土接触面上的化学吸附作用力，也就是化学胶结力．这种力一般很小，当接触面发生相对滑移时就消失，仅在局部无滑移区内起作用；另一部分是麦秸秆与石灰固化土间的摩擦力，也就是石灰土凝固收缩将麦秸秆包裹而产生的摩擦力.

麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土间的可靠黏结力来源主要有：①石灰与滨海盐渍土间发生化学反应，形成较大团粒结构，改变相互间的位置较为困难，从而增加麦秸秆与石灰土间的摩擦系数；②用劈裂麦秸秆作为加筋材料，与自然状态的麦秸秆相比，既可以在相同用量的情况下增大它与土颗粒间的接触面，增加相互间的摩擦力，进而增强石灰土对麦秸秆的摩擦力，又可以避免自然状态的麦秸秆由于横向受压、变形而引起麦秸秆与石灰土间的挤压力减小，摩擦力降低；③石灰土的强度随着密度的增加而增长[17-18]，密度每增减1%，强度相应的增减4%[8]，且加筋土的摩擦力随正应力的增加而增大[10,17,27]．用夯实法、堆载预压法[28]等提高麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土密度的同时，可将其含水率控制为最优含水率，增强麦秸秆与石灰土间的相互作用．

3 结 语

麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土是利用石灰土的良好颗粒级配与麦秸秆对石灰土的有效约束，通过压实提高土密度、增大麦秸秆与石灰土间的相互作用，从而有效地改善滨海盐渍土强度与整体稳定性，将滨海盐渍土资源化．

滨海盐渍土的改性固化可以在传统的加筋处理中尝试使用更多的廉价加筋材料与不同的布筋方式，在节约成本的同时达到相应的加筋效果；在扩展加筋材料使用范围的同时又可以丰富物理化学固化方法的内容．麦秸秆与石灰加筋固化滨海盐渍土这一新型改性固化方式具有广阔的应用前景．

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Analysis of Strength Increasing of Solidified Lime-Saline Soil by Wheat Straw

ZHANG Wu-bin，CHAI Shou-xi，YU Pei
(Tianjin Key Laboratory of Soft Soil Characteristics and Engineering Environment，TIUC，Tianjin 300384，China)

Owing to some problems of saline soil in inshore such as softening，lower strength，etc．，the saline soil in inshore is utilized as resources by means of improving saline soil in inshore for highway embankment fillings. Solidifying saline soil in inshore by using wheat straw and lime is put forward in this paper，meanwhile the strength increasing mechanism of solidifying lime-saline soil by using wheat straw and lime is analyzed respectively from the aspects of lime stabilization principle，loading consolidation principle，reinforcement treatment，as well as the point of views on density，confining pressure，particle gradation. The results show that the strength and stability of saline soil in inshore is effectively improved while it is solidified by wheat straw and lime which respectively possesses effective steric constraints and good lime-soil particle gradation，and the interaction between wheat straw and lime-soil is greatly increased by increasing density of soil through compaction．

saline soil in inshore；wheat straw；reinforcement；lime-soil

TU448

A

1006-6853(2010)04-0233-04

2010-03-22；

2010-04-06

国家自然科学基金（40772166）；天津市自然科学基金（07JCYBJC12900）

张午斌（1984—），男，山西忻州人，天津城市建设学院硕士生．

（编辑：张兰娜）