固化剂加固冻结盐渍土工程特性试验研究

禹冠男

(黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司, 黑龙江 哈尔滨 150090)

固化剂加固冻结盐渍土工程特性试验研究

禹冠男

(黑龙江省龙建路桥第四工程有限公司, 黑龙江 哈尔滨 150090)

通过对冻结盐渍土进行三轴试验，研究固化剂加固前后冻结盐渍土强度特性与强度相对提高率变化规律。研究表明，冻结盐渍土的偏应力-应变关系曲线为应变硬化型。为了有效改善盐渍土性能采用固化剂进行改良，有效增强土体强度与稳定性，固化剂是良好的改良材料。冻结固化盐渍土的偏应力-应变关系曲线表现为应变软化型，随着固化剂掺量增加早期强度、弹性模量和破坏强度呈先增后减变化趋势，残余强度增加，残余强度比呈先减后增变化趋势。固化剂对冻结盐渍土强度相对提高率从两方面进行分析：强度提高系数(破坏时对比)和规格化应力(整个受力变形过程对比)；固化剂加固后冻结盐渍土强度相对提高率均大于1，说明固化剂对冻结盐渍土有良好的加固作用；随着固化剂掺量的增加，固化冻结盐渍土的强度相对提高率呈先增后减变化趋势。因此，固化剂掺量为6%时土体强度最佳，抵抗变形的能力最强，即最为合理的加固方案。

冻结盐渍土; 三轴试验; 固化剂; 偏应力-应变关系; 强度相对提高率

由于盐渍土具有盐胀性、腐蚀性与溶陷性等缺点，从工程性能和经济性考虑，宜采用土壤固化剂的方法对盐渍土进行改良处理，使其转变为满足工程使用的优质土质，具有良好强度和抗变形能力。Milburn等[1]采用石灰、火山灰与混凝土对盐渍土进行加固，分析不同冻融循环和干湿循环条件下改良盐渍土力学特性。研究表明，在液塑限方面，三者改良盐渍土均有所提升，其中，石灰盐渍土改良成效更佳；在抗压强度方面，石灰与混凝土改良效果更佳。Celik等[2]研究高炉矿渣微粉改良盐渍土表明，石灰能有效抑制细颗粒膨胀土本身膨胀性，而高炉矿渣微粉则能有效减缓硫酸盐在石灰改良盐渍土的不良影响。王沛等[3]通过三轴压缩试验研究不同加固材料(水泥、粉煤灰、石灰与高分子SH)改良滨海盐渍土的强度与变形特性。研究表明，水泥与石灰、石灰与粉煤灰两种固化土应力应变关系表现为软化型，石灰固化土表现为硬化型；SH固化剂可有效提升侵水前后盐渍土强度、抗变形能力与水稳定性；六种改良方案中，0.9%SH、12%石灰、36%粉煤灰共同加固最适宜。周琦等[4]采用石灰、水泥和SH高分子材料加固滨海盐渍土的强度特性，发现具有较好的加固效果。方秋阳[5]研究不同冻融循环下固化盐渍土的抗压强度及变形特性表明，冻融前后盐渍土表现为从应变软化型向硬化型转化，石灰盐渍土、石灰与SH固化盐渍土均表现为应变软化型；3种加固盐渍土均随着冻融循环次数增加抗压强度减小，其中，石灰与SH固化盐渍土最为有效；当冻融循环次数一定时，石灰与SH固化盐渍土随着含水率增加抗压强度减小，应力应变关系曲线不断趋于平稳，脆性不断减弱。

对于无优质路基填料地区，为了节省砂石料用量和降低工程造价，需采用就地取材改良盐渍土提高力学性能达到工程需求，现已成为工程建设需要迫切解决的技术问题。

1 试样制备与试验条件

1.1 试验材料与试样制备

试验用土取自黑龙江省大庆市，为粉质粘土。重型击实试验的最优含水量为15.8%，最大干密度为1.78 g/cm3。盐渍土试样的制备采用压样法，依据高速公路与铁路基床填料压实标准，盐渍土和固化盐渍土的压实度控制均为95%。圆柱形试样尺寸高度为125 mm，直径为61.8 mm。首先，将土料与水拌合均匀放入塑料袋中，密封闷料24 h，制样前掺入所需量固化剂，采用标准养护方法对制备好试样进行养护28 d备用。为了探索固化剂改良前后冻结盐渍土的强度与变形性能，分别对冻结盐渍土和冻结固化盐渍土进行三轴试验。冻结方法如下：将试样置入-30 ℃的冷冻箱中冻结24 h，冻结完全后置入-6 ℃的恒温箱24 h，再置入0 ℃的恒温箱中融化24 h，完成一个融化过程，将其放入-6 ℃的冷冻箱快速冻结24 h，完成一个冻结过程。将试样冻融循环3次后，放入温度-6 ℃的恒温箱内24 h备用。

1.2 试验方法

试验采用设备为应变式低温三轴剪切仪，为了评价固化剂加固效果，对比冻结盐渍土固化剂改良前后性能变化，对未加固冻结盐渍土也进行了试验。三轴试验加载速率为1.25 mm/min。破坏标准：无应力峰值点，应变以达到20%为破坏；有峰值点，以应力峰值点为破坏。试样冻融循环3次，施加周围压力为300 kPa，温度为-6 ℃，固化剂掺量为3%、4%、5%、6%、7%。

2 试验结果分析

2.1 固化剂改良冻结盐渍土强度特性

由图1可知，冻结盐渍土偏应力-应变关系曲线无明显峰值点，随着应变增加，偏应力不断增加，最后趋于平稳，呈应变加工硬化型。冻结固化盐渍土随着应变增加偏应力呈线性增加变化趋势，但峰值点后偏应力却迅速减小，呈非线性变化趋势，应变达到较大值后，偏应力不断保持稳定，呈应变加工软化型。

冻结盐渍土弹性阶段偏应力-应变关系曲线缓坡上升，与冻结固化盐渍土有所不同，冻结固化盐渍土快速陡坡上升。固化剂掺入有效提高冻结盐渍土的早期强度与弹性模量，且随着固化剂掺量增加呈先增后减变化趋势，在固化剂掺量为6%时早期性能最佳。

图1 不同固化剂掺量冻结固化盐渍土偏应力-应变关系

由图1、图2和表1可知，为了满足工程需求,采用固化剂进行改良处理，固化剂对冻结盐渍土的屈服强度和破坏强度有明显的提升能力，且峰值强度随着固化剂掺量增加呈先增后减变化趋势，而残余强度表现增加趋势，残余强度比呈先减后增变化趋势，研究表明固化剂掺量为6%时后期强度最佳。

究其原因发现固化剂掺入土中，使土中颗粒、矿物与固化剂发生化学反应胶结硬化，土颗粒间孔隙被有效填充，改善土体结构与性能，有效提升土体的强度和抗变形能力；同时，固化剂掺量越多，土与固化剂之间反应越充分，胶结硬化产物越多，固化土性能越好，但达到一定固化剂掺量后，增加固化剂掺量已不能有效提高土体性能，反而增加工程造价，因此，选取合理的固化剂掺量显得尤为重要。以上分析表明，固化剂掺量为6%时冻结固化盐渍土的强度最好，抵抗变形的能力最强。

从工程适宜性与成本分析，在寒冷地区采用土壤固化剂对盐渍土进行改性，固化后可明显提高盐渍土强度与承载力，增强抵抗变形能力，可有效满足工程技术要求，最合理固化剂处理方案为6%。

表1 冻结固化盐渍土峰值强度、残余强度与残余强度比关系

图2 冻结固化盐渍土峰值强度、残余强度与残余强度比关系

2.2 冻结固化盐渍土强度相对提高率分析

固化剂对冻结盐渍土强度相对提高率从两方面进行分析，分别为：强度提高系数(破坏时对比)和规格化应力(整个受力变形过程对比)。

2.2.1 强度提高系数

为了评价试样破坏时固化剂加固效果，提出强度提高系数：

Rσ=(σ1-σ3)fg/(σ1-σ3)fs.

(4)

式中：Rσ为强度提高系数，(σ1-σ3)fg为固化土破坏偏应力；(σ1-σ3)fs为未固化土的破坏偏应力。

由图3可知，固化剂加固后冻结盐渍土强度提高系数均大于1，说明固化剂对冻结盐渍土有良好的加固作用，破坏偏应力相对提高率较明显，固化剂能显著改善冻结盐渍土性能。随着固化剂掺量的增加，冻结固化盐渍土的强度提高系数呈先增后减变化趋势，存在明显峰值现象；即随着固化剂掺量的增加，破坏偏应力相对提高率增大，但当达到一定的掺量后，再增加固化剂掺量，破坏应力相对提高率不再增加反而减小因此，固化剂掺量为6%时破坏强度相对提高率最大，加固效果最为合理。

图3 冻结固化盐渍土强度提高系数

2.2.2 规格化强度分析

为了更好地对固化剂加固冻结盐渍土前后整个受力变形过程进行对比分析，提出规格化应力(固化剂加固冻结盐渍土前后应力比)-应变关系。

由图4可知，规格化应力-应变关系曲线分3个变化阶段。急速下降段(0～5%)：加载初期小应变情况下，固化剂对冻结盐渍土加固效果最为明显，偏应力相对提高率较大，但随着应变增加，规格化应力快速减小；匀速下降段(5%～15%)：随着应变增加，规格化应力匀速减小，曲线斜率不断变缓；平稳汇交段(大于15%)：当应变较大，达到一定值后，随着应变增加，规格化应力增加相对比较小，不断趋于平稳，且汇交于一条线，说明到此应变阶段冻结盐渍土加固效果不再受固化剂掺量的影响。

整个试验受力变形过程中，规格化应力均大于1，说明在加载过程中每一时刻固化剂均起到很好的加固作用，每一应变处强度相对均明显提高，固化剂表现出良好的加固性能。随着固化剂掺量的增加，固化剂对冻结盐渍土加固作用相对提高率呈先增后减变化趋势，在固化剂掺量为6%时效果最佳，特别是加载初期阶段效果更为明显，但当应变增加到15%后，加固作用不再受固化剂掺量的影响，即固化剂掺量增多对土体加固作用提升不明显。

图4 冻结固化盐渍土规格化应力-应变关系

3 结束语

1)固化剂掺入明显改变冻结盐渍土应力应变类型，由冻结盐渍土的应变硬化型特征转变为固化冻结盐渍土的应变软化型特征。

2)采用固化剂加固盐渍土，有效提升冻结盐渍土强度，增强其抵抗变形的能力。随着固化剂的增加，冻结固结盐渍土的早期强度、弹性模量和破坏强度均存在一个峰值点，表现为先增加后减小的变化规律，这表明固化剂掺量为6%时加固效果最佳；随着固化剂的增加，冻结固化盐渍土的残余强度增加，残余强度比表现为先减小后增加的变化规律。

3)固化剂对冻结盐渍土改良的提升效果采用强度相对提高率来评价，从强度提高系数和规格化应力两个不同评价方式分析。经固化剂改良后冻结盐渍土加固效果明显，强度相对提高率均表现为大于1，能有效改善冻结盐渍土工程性能。

4)固化剂掺量对改良后盐渍土有重要的影响。随着固化剂掺量的增加，固化冻结盐渍土的强度相 对提高率变化规律表现为先增加后减小的趋势，存在明显峰值点。因此，固化剂最为合理的加固方案为掺量6%，此时固化土体现出最佳的强度和抵抗变形的能力。

5)对于冻结固化盐渍土，当应变大于15%时，随着应变增加其规格化应力趋于平稳，汇聚为一条平滑曲线，表明当应变大于15%时固化剂掺量对冻结盐渍土改良效果的影响并不明显。

[1] MILBURN J P, PARSONS R L. Performance of Soil Stabilization Agents[R]. Lawrence, Kansas: University of Kansas, 2004.

[2] CELIK E, NALBANTOGLU Z. Effects of ground granulated blastfurnace slag (GGBS) on the swelling properties of lime-stabilized sulfate-bearing soils[J]. Engineering Geology, 2013, 163: 20-25.

[3] 王沛, 王晓燕, 柴寿喜. 滨海盐渍土的固化方法及固化土的偏应力-应变[J]. 岩土力学, 2010, 31(12): 3939-3944.

[4] 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): 1177-1180.

[5] 方秋阳, 柴寿喜, 李敏, 等. 冻融循环对固化盐渍土的抗压强度与变形的影响[J]. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(5): 1041-1047.

[责任编辑：郝丽英]

Experimental study on the engineering characteristics of stabilized frozen saline soil

YU Guannan

(Longjian No.4 Road and Bridge Engineering Co. Ltd of Heilongjiang Province，Harbin 150090，China)

Characteristics and variations of relative improve rate of strength of frozen saline soil before and after stabilization are investigated using triaxial tests. Test results show that the deviatoric stress-strain relationship is of strain hardening. In order to improve the performance of frozen saline soil, the soil stabilizer, as one kind of good improve material, is employed to enhance the strength and stability of frozen saline soil effectively. The deviatoric stress-strain relationship of stabilized frozen saline soil exhibits strain softening property. As stabilizer content increases, the early strength, elastic modulus and failure strength increase firstly followed by declines, residual strength increases, whereas residual strength ratio decreases firstly and then increases. The enhancement effect of stabilizer on relative improve rate of frozen saline soil could be analyzed from both sides: strength improve coefficient (comparison at failure) and normalized stress (comparison over the entire deformation process). The value of relative improve rate of stabilized frozen saline soil above 1 illustrates that the stabilizer has an important enhancement effect on frozen saline soil. With increasing stabilizer content, the relative improve rate of strength of stabilized frozen saline soil increases followed by attenuation. Therefore, the soil reaches its optimum anti-deformability at stabilizer content of 6%, where the optimal reinforcement scheme achieves.

frozen saline soil; triaxial test; stabilizer; deviatoric stress-strain relationship; relative improve rate of strength

2017-03-21

禹冠男(1981-)，男，工程师，研究方向：冻土加固技术.

10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2017.04.002

TU448

A

1671-4679(2017)04-0004-04