固化土应力-应变力学特性及其影响因素分析①

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(1. 佳木斯大学建筑工程学院，黑龙江 佳木斯 154007；2．长春建业集团股份有限公司，吉林 长春 130000；3．长春市公路工程监理咨询有限公司，吉林 长春 130000)

0 引 言

固化加固技术是将土壤固化剂与土颗粒间发生化学反应，形成胶结硬化物，能有效提升土体强度和稳定性。Yuzhen Yu等[1]对固化土进行三轴试验分析，发现破坏应变与围压呈正比例关系。Byung Sik Chun等[2]采用FGC固化剂来加固土体，研究三种不同材料中固化剂最佳配比方案。同时，国内学者也对各因素对固化土力学性能的影响及其规律作出一定研究。苗世超[6]对SH固化太原黄土进行试验，研究各因素对其抗剪强度的影响表明，抗剪强度随着干密度、固化剂掺量的增加而提升，含水率相反，建立多因素线性回归方程。在脱水方式下，龄期对其抗剪强度参数无影响。武欣慧等[8]通过静三轴试验研究内蒙古水泥粉质黏土力学特性发现，在低围压下其应力-应变曲线呈软化趋势，脆性破坏特征，随着围压增加，软化程度减弱，强度有所提升。刘金辉[9]通过三轴试验研究镁渣固化银川粉砂土液化破坏特性，研究其抗剪强度指标发现，不同龄期试样内摩擦角取决于水泥掺量；水泥和镁渣复合掺入提升粉砂土黏聚力。从Aught-set固化路基土静三轴试验入手，分析固化剂掺量、养护时间、围压对其应力-应变关系的影响，探论固化土前后的强度及变形改善情况及其加固效果，为岩土工程施工与设计提供宝贵资料，具有重要的理论意义和应用价值。

1 试样制备与试验方法

1.1 试验材料

试验选取土料为路基填土，将其进行风干粉碎碾压后过2mm筛，剔除其中多余杂质，将筛选好土料保存以备用。绘制路基土的颗粒分析曲线，计算得不均匀系数Cu=4.88、曲率系数Cc=1.23，属于级配不良土，如图1所示。对路基土进行击实试验，绘制击实曲线，计算得土的最大干密度1.973g/cm3和最优含水量为10.12%，如图2所示。

土壤固化剂材料采用Aught-Set固化剂，Aught-Set为一种高性能土壤固化剂，相比于传统固化剂材料有其显著优点，早期强度较高，适合于快速施工的工程项目，具有良好的耐久性，可有效延长工程的使用寿命，材料低廉，高效而低耗，具有良好的经济性，安全性无毒，环保材料，广泛应用于公路、铁路等路基工程。

1.2 试样制备及其养护

土料制备，首先将土料与水均匀混合，为保证土中水分的均匀性把其装入塑料袋中密封闷料12小时后，再放入一定量固化剂粉末拌合均匀，制备成固化土料。固化土试样制备，应采用压样法分层制备试样，试样为圆柱形，高度为125mm，直径为61.8mm。应保证同一工况的试样同批制作，养护条件一致，以避免试件间存在差异性，减小误差，尽量达到试验结果的可靠性。将制备好的试样放入养护箱中，保持温度在20±3℃和湿度为90%情况下，待达到规定的养护时间取出试样，放在三轴试验机上进行加载试验。

图1 颗粒分析曲线

图2 击实曲线

1.3 试验仪器及试验方法

仪器采用应变控制式SJ-1A.G静三轴剪切仪，对试样进行不排水固结的试验方式，施加周围压力，加载速率为1.25mm/min，试样应变达到10%时停机。三轴试验机具有电脑控制系统，数控采集轴向应变、轴向应力、孔压等数据。试验设计：固化剂掺量为0%、3%、4%、5%、6%、7%；养护时间为3天、14天、21天、28天；围压为100kPa、200kPa、300kPa、400kPa。为了研究不同影响因素对固化土应力-应变关系的影响，进行了多组三轴试验，以资对比固化剂对土体的加固效果，对素土试验也进行了相关试验，分析固化剂掺量、养护时间、围压对固化土力学性能的影响。

2 试验结果分析

由图3、图4、图5固化土应力-应变关系曲线可知，素土和固化土应力-应变关系曲线的形状基本一致，均表现为应变软化型，随着应变的增加，偏应力增加，达到一定应变后，应力减小，存在一应力峰值点，峰值点后有明显应力降，但依然保持一定的强度。特别强调，固化土的应力-应变关系曲线软化特征较为突出，峰值点呈尖端状态，具有明显应力降，但素土应力-应变关系曲线软化特征并不明显，峰值后应力衰减缓慢，没有明显的尖端现象。说明掺入固化剂后土中的软化程度增加，且随着固化剂掺量增加而显著。

2.1 固化剂掺量对固化土应力-应变关系影响

由图3可知，固化剂掺量对固化土应力-应变关系的影响。加载初期阶段，固化土和素土的应力-应变关系曲线几乎重合，说明在小变情况时固化剂对土体的加固作用并不明显；应变继续增加，固化土和素土应力-应变关系曲线开始分离，固化土明显高于素土，说明当应变达到一定值后，固化剂才开始不断起到加固作用，应变越大加固效果越明显。固化剂可将不良土质转变为优良工程土对于固化土来说，加载初期阶段，不同固化剂掺量的固化土的应力-应变关系曲线比较接近，说明在小应变时固化剂掺量的增加对固化土的加固作用影响不大；应变继续增加，固化土的应力-应变曲线开始不断分离，说明达到一定的应变后，固化剂对土体的加固作用才能不断发挥效果，应变越大效果越好。随着固化剂掺量的增加，固化土应力-应变关系曲线增高，应变越大提升幅度越大，说明固化剂掺量越多，固化土的强度和抗变形能力越强。这是由于固化剂掺量越多，土中矿物与固化剂发生的化学反应越完全越充分，生产的胶凝硬化产物越多，孔隙越小，土体越密实，因此，力学性能越好。

2.2 养护时间对固化土应力-应变关系影响

由图4可知，不同养护时间的固化土应力-应变关系曲线均表现为应变软化型特征，应变达到约为3.6%时存在一峰值点。当应变小于峰值应变时，随着养护时间的增加，应力快速增加，说明在初始加载阶段土中固化剂就开始体现出早期良好的加固效果，且应变越大效果越明显；当应变大于峰值应变时，随着养护时间的增加，应力却减小，但依然保持一定的应力。养护时间越长，固化土应力-应变关系曲线越高，早期强度和后期强度越强，说明随着养护时间的增加，固化土的强度和抗变形能力越强，固化剂加固效果越好。这是由于随着养护时间的增加，固化剂与土中矿物发生胶凝硬化反应越彻底，生产的产物越完全，孔隙填充越好，更为密实，工程性能越好。

图3 不同固化剂掺量固化土应力-应变关系曲线

图4 不同养护时间固化土应力-应变关系曲线

图5 不同围压固化土应力-应变关系曲线

2.3 围压对固化土应力-应变关系影响

由图5发现，围压对固化土应力-应变关系的影响。随着围压增加，固化土的应力-应变关系曲线越高，斜率越陡。应变处于峰值点前时，固化土的应力随着围压增加提升较快，应变超过峰值点后，固化土的应力随着围压增加衰减也较快，但保持有一定应力。但总体上，随着围压的增加，固化土的应力-应变关系曲线不断升高，初始弹性模量增加，峰值强度提升，残余强度越大。这是由于围压越大，试样所受侧向约束力越大，产生相同轴向变形量时侧向变形量要小，土体压缩的更为紧密，因此，围压越大，固化土的力学性能越好。

3 结 语

采用三轴试验研究了固化路基土在多因素影响下的力学特性，如下：

(1)固化土应力-应变关系曲线明显高于素土，说明固化剂加固土体具有很好的效果，明显改善了土体的工程性能。但大应变时，加固作用更为显著。

(2)随着固化剂掺量的增加，固化土应力-应变关系曲线升高，斜率变陡，说明随着固化剂掺量的增加，固化土的强度和抗变形能力增加，力学性质提升。

(3)随着养护时间的增加，固化土应力-应变关系增高，早期和后期强度增加均较明显，说明随着时间效益的推移，固化剂加固效果更为突出。

(4)随着围压增加，固化土应力-应变关系曲线越高，曲线越陡，初始弹性模量增加，峰值强度提升，残余强度增加，固化土的力学性能越好。

总之，固化土有其独特的良好性能，价格低廉，应用广泛，土体强度可根据固化剂掺量调整，早期和后期强度较高，可将不良土质进行加固处理成为良好工程用土，做到就地取材节省造价的目的。