隧道洞口泥炭土地基固化研究现状

曹佃光，白亚东，黄志强

(1.中交路桥建设有限公司，北京 100024；2.中交路桥北方工程有限公司，北京 100024；3.沈阳工业大学 建筑与土木工程学院，辽宁 沈阳 110870)

0 前 言

土质地基的抗压强度研究是地基稳固性的重要指标，而就如何提高软弱土地基的抗压强度更是研究的重点。大量的学者对不同软土的固化研究已经取得一定的成果。任庆福[1]对水泥、石灰等固化材料对软弱土的固化机理进行了研究，得出在固化材料的作用下，在弱土的各方面特性有了极大地改善；蔡光华[2]研究了MgO固化土经二氧化碳碳化后各方面性质的变化；朱书景等[3]进行了黏土、淤泥质黏土和砂土加入固化剂的研究，得出在一定范围内，随着固化剂的掺量增加，可以明显提高软弱土的抗压强度，固化剂加入7%时，软弱土的加固强度最大；侯艺飞等[4]总结了一些对黄土有利于黄土固化的固化剂；Farid等[5]通过研究表明用硅酸盐水泥复合固化剂加固处理淤泥质土可以明显提高其抗压强度。高建东等[6]分别对淤泥质土的固化效果进行研究，并取得了一定效果；2012年王东星[7]研究得出掺入水泥-粉煤灰可以明显提高淤泥质土的抗压强度，比掺入粉煤灰-石灰粉效果更好。泥炭土是一种特殊的软弱土，一些学者对其性质进行了研究[8-10]，认为其具有含水量大、孔隙比大、压缩性强、强度低等特点，固化仍需要进行一定的研究。

1 掺固化剂对泥炭土的影响

1.1 掺入水泥对泥炭土强度的影响

李琴等[11]和蒋卓吟[12]对泥炭土中掺入水泥的研究得出了相同的结论，随着水泥掺量的增加，泥炭土的强度增加，尤其是在水泥掺量在25%～35%时，上升幅度最大；而龄期在14 d前时，随着时间的增加，泥炭土强度增长缓慢，甚至会有所降低，这是因为，在龄期较短时，水泥还没有进行充分地水化反应，形成的胶凝物质稀少，水泥胶结泥炭土能力不强，所以随着水泥掺量的增加，没有明显地提高泥炭土的抗压强度。而当龄期在14～28 d时，泥炭土的抗压强度明显增强，这是因为随着时间的增加，水泥充分水化产生的胶凝物质大量增加，胶结泥炭土的能力大大增强。另一方面，泥炭土呈酸性，当它遇到碱性的水泥时会发生酸碱中和反应，减弱泥炭土颗粒间的排斥性，利于泥炭土的胶凝与固结。因此，固化泥炭土的强度随着龄期延长而增加。1994年黄新[13]研究了水泥固化土壤的原理，得出水泥在水化时会生成硅酸钙，它可以胶结土粒使得土体形成一个整体，但是土体中还是有很多孔隙[13]，因此，还可以加入其他物质进行进一步的填充固化。其实水泥作为一种常用的胶凝材料，经常作为基础物质与其他材料共同作为固化剂，不仅可以减少水泥的使用，还可以提高固化能力。

1.2 掺入水泥，石膏对泥炭土强度的影响

石膏是一种常用的固化材料，在很多固化剂中都加有石膏，如CG固化剂。1994年，黄新[13]对水泥-石膏固化剂(CG)进行了探索研究，得出，水泥发生水化反应产生硅酸钙胶结土粒使得土体的整体性的到加强，土体的抗压强度也得到了提高，同时石膏可与含铝相反应产生钙矾石，钙矾石可以有效地填充泥炭土的孔隙，同时钙矾石晶体会与水化硅酸钙形成空间结构，以此填充孔隙，泥炭土的孔隙减少，其强度增加。CG固化剂具有胶结土粒和膨胀填充孔隙两种特性，所以对泥炭土这种多孔隙土具有良好的固化作用。李琴[11]和蒋卓吟[12]对加入不同掺量的石膏进行泥炭土的固化进行了研究，在固定水泥掺量为20%的条件下，随着石膏掺入量的增加，泥炭土抗压强度基本成正比例增加。石膏掺量为6%时，且时间为60 d时，泥炭土的抗压强度达到最大。其原因为在石膏掺量6%并养护到60 d时，膨胀物质已完成膨胀，且土的孔隙基本都得到了填充。但是石膏掺量如果过多会形成过多的钙矾石，从而破坏与CSH的空间晶体结构，使得泥炭土的强度降低。

1.3 掺入水泥，粉煤灰对泥炭土的影响

粉煤灰作为固化剂添加材料已经很早应用于建筑领域，在水泥中加入粉煤灰不但可以起到一定的固化效果，还可以有效地节省水泥的使用。2012年，王东星在淤泥质土中掺入水泥-粉煤灰，明显地提高了淤泥质土的抗压性及弹性模量；2013年，单梅[13]对粉煤灰固化淤泥质土进行了研究，加入粉煤灰与生石灰可以明显提高淤泥质土抗压强度，说明粉煤灰作为固化剂有极大的可行性。李琴[11]和蒋卓吟[12]对用水泥，粉煤灰作为固化剂进行固化泥炭土进行了研究，研究表明，在固定水泥掺量为20%的条件下，加入粉煤灰，在龄期较短时，泥炭土的抗压强度比单掺水泥时只有微小的增加。这是由于粉煤灰在时间较短时没有发生反应，只是靠本身的体积填充了部分孔隙。随着时间的增加，泥炭土的抗压强度有了明显的提高，这是由于粉煤灰与水泥发生了火山灰反应，生成很多的胶凝物质，且与未反应的水泥颗粒和土颗粒进行了胶结，形成块状体填充了泥炭土的孔隙。固化泥炭土抗压强度随粉煤灰掺量的增加而增长。但对于泥炭土抗压强度的下降段作者也没有说明，还需要研究讨论。

1.4 掺入水泥，石灰粉对泥炭土的影响

石灰是工程中常用的无机胶凝材料,它具有来源广、成本低、易生产等特点，被广泛用于工程中。2010年，巩尊玄[15]的研究得出石灰粉加入淤泥质土中可以明显降低土的液限和塑性指数，增加大颗粒土的数量，由此推出石灰粉也可用于固化泥炭土。李琴[11]和蒋卓吟[12]对泥炭土中掺入水泥-石灰粉进行了研究，在石灰粉掺入量为8%以前，随石灰粉掺量的增加，泥炭土的抗压强度呈增加趋势，但超过8%后，泥炭土的抗压强度降低。所以在石灰粉掺入量为8%时，泥炭土的抗压强度达到了峰值，为最佳配比。其原理为龄期较短时，水泥还没有进行充分的水化反应，石灰以其本身的体积填充泥炭土孔隙，所以泥炭土的抗压强度只是比只加水泥时略有增加，但是当龄期增加时，在掺入石灰粉超过8%时，泥炭土抗压强度明显降低，这是因为石灰粉过多会抑制水泥水化反应，产生的胶凝物质减少，也就不能更好的胶凝土颗粒，使得孔隙加大，泥炭土强度下降。因此随石灰增加泥炭土的抗压强度降低。但相比于单掺 20%水泥的固化土，随着龄期的增加，泥炭土的抗压强度明显大幅度增强。但其原理还不是太清楚，可能是石灰粉填充了泥炭土的孔隙，使其强度增加，也可能是石灰与泥炭土中的水发生了反应，减少了泥炭土的含水率；还可能是体系中生成了钙矾石填充了孔隙。具体原理还有待探究。

1.5 掺入水泥-硫酸钠对泥炭土的影响

李琴等[11]对水泥-硫酸钠固化泥炭土进行了研究，结果表明在固定水泥为20%时，硫酸钠掺入0.6%时，固化效果非常好。7 d时就比单纯加入水泥时的固化强度增加了10倍，但是并不是硫酸钠越多越好，随着硫酸钠的增加，泥炭土的固化强度会降低。但是对于硫酸钠的固化原理还不清楚，有待于进行深入的研究。

2 结 语

对比以上不同固化剂对泥炭土强度的影响得出，当只用水泥为固化剂时，水泥掺量为35%时效果最好，但不建议只加水泥，这样会增加成本，且固化效果不能达到最佳。

加入水泥-粉煤灰固化剂时，泥炭土的抗压强度优于单掺20%水泥，且粉煤灰廉价，且属于工业废料，有助于环保，推荐使用。

在水泥掺量为20%时，掺入8%的石膏对泥炭土强度增加效果最好，且远远高于单掺水泥时泥炭土的抗压强度，既可以节约材料，又可以提高固化效果，推荐使用。

加入8%的石灰粉可以明显增加泥炭土的抗压强度，但是对于它的固化原理还有待于进行进一步的研究。

加入硫酸钠对泥炭土的固化效果最好，明显高于其他固化剂，这对工程来说具有重要意义。水泥-硫酸钠固化剂值得推广使用，但它的作用机理还需进行研究，以更好提高其固化效果。

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