（岩土工程专业论文）粉土路基稳定理论与工程应用技术研究.pdf

摘要 在粉土地区的高速公路建设中，从粉土的基本特性出发，寻求合适的稳定材料与稳定方 法，分析交通荷载作用下稳定粉土路基变形特性，对高速公路设计与施工具有重要的理论意 义和实际价值。 本文结合江苏地区高速公路建设，对区域性粉土进行了大量室内试验工作，系统研究了 粉士的工程特性。从提高粉土本身的强度着手，同时考虑粉土的水稳定性、抗收缩性等性能， 深入研究了粉土的固化机理，提出了粉土固化材料的可能组分：通过室内初步选择试验、正 交试验、优化试验和多种稳定材料的对比试验，结合固化剂与粉土相互作用的微观分析，得 到高性能粉土固化剂( s e u 一2 型) 的最佳配比；根据多种粉土稳定材料填筑路堤的实体试验， 掺入4 s e u - 2 型固化剂的稳定粉土路基具有优良的物理力学性能和路用性能；针对粉土路 基边坡的特性，通过室内外试验工作，研制成功既能有效地防治边坡冲刷破坏，又能有助于 植物生长的液体固化剂( s e u 一1 型) 。论文分析了交通荷载的特性，根据屈服面和加载面的 概念和循环荷载下土体的变形特征改进了土体经典的弹塑性模型，以反映循环荷载作用下土 体变形逐步累计的变化规律。运用尼尸中的f i s h 语言编制了相应的计算程序，分析了交 通荷载作用下稳定粉土路基的三维动力响应，研究了土体参数对路基变形的影响。论文最后 还分析了盐通高速公路采用不同路基设计方案时的变形和应力，确定了最优设计方案。 论文主要研究成果包括： 1 系统研究了区域性粉土的基本特性，针对粉土路基稳定出现的问题，从增强粉土稳定 的胶凝效应和填充效应出发，深入研究了粉土的固化机理。通过大量的室内外试验，成功研 制了适合于区域粉土稳定的新型固化剂( s e u 一2 型) ，该固化剂不仅具有良好的物理力学性 能和路用性能，而且具有较高的性价比。 2 成功研制了适合于粉土路基边坡防护的液体固化剂( s e u - 1 型) ，该固化剂不仅能有 效地防护粉土路基边坡冲刷破坏，而且能有助于植物的生长。 3 根据交通荷载作用下道路结构的基本特性，提出了能够反映土体在重复荷载作用下 变形特性的弹塑性模型，并运用尼尸软件中的f i s h 语言编制了相应的计算程序，分析了 土体的阻尼参数# 。、0 、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等参数对土体位移的影响。在单 次半正弦荷载作用下，残余位移和土体的最大位移及其比值都随士体的阻尼参数f 。、- ，赢、 弹性模量、粘聚力和内摩擦角的增加而减小，在这些参数中，以粘聚力和内摩擦角对位移的 影响最显著。在重复荷载作用下，土体在最初几次加卸载循环中的残余变形较大，随着循环 次数的增加，加载压缩和卸载回弹变形逐渐接近，土体逐步表现出弹性变形的特点。 4 对盐通高速公路稳定粉土路基的不同设计方案进行了动、静荷载下路基的变形和应 力分析在静力荷载下，路面位移和天然土层顶面处的应力在方案2 时最小，其次为方案7 ， 方案1 、3 、5 计算结果相近；在压实土层顶面和天然土层顶面，不同方案的位移分布特征及 大小顺序与路面相同，但数值较小；在荷载作用点应力最大，但随着深度应力很快衰减：在 动力荷载下，由于阻尼的存在，路基中不同深度处的位移随时间迅速衰减，并具有相似的变 化过程，不同方案的路基在2 5 s 后基本都达到应力稳定。综合分析，方案3 ( - - 灰土底基 层+ 2 0 c m “固化剂+ 4 0 c m6 石灰+ 压实土) 为最优设计方案。 关键诃：粉土；路基；边坡；固化剂；稳定：强度；收缩；交通荷载；变形；动力响应 尼4 矿软件 a b s t r a c t f o rh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nt h ea r e ao fs i l ts o i las t a b i l i z i n gm e t h o da n da p p r o p r i a t e s t a b i l i z i n gm a t e r i a l s ，w h i c ha r ed e p e n d e n to nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i l t , h a v et ob ei n v e s t i g a t e di n o r d e rt o s a r i s f yt h er e q u i r e m e n t so fe n g i n e e d n g t h ed e f o r m a t i o nf e a t u r e so fs t a b i l i z e d s i l t s u b g r a d eu n d e rt r a f f i cl o a d i n gh a sa l s ot ob ea n a l y z e d t h i sh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l m e a n i n g sf o rh i g h w a ye n g i n e e r i n g b a s e do nh i g h w a yc o n s t r u c t i o n so f j i a n g s up r o v i n c e ，e n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fr e g i o n a l s i l ta r ei n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c a l l yt h r o u g hl a b o r a t o r yt e s t si nt h i sp a p e r f r o mt h ep o i n t so fs i l t s t r e n g t hi m p r o v i n gw a t e rs t a b i l i t y , a n da n t i s h r i n k a g ep r o p e r t y , t h es t a b i l i z i n gm e c h a n i s mi s s t u d i e da n dt h ep o s s i b l ec o m p o n e n t so fs t a b i l i z i n gm a t e r i a la r ep r o p o s e d t h eo p t i m u mr a t i of u r i n d i v i d u a lc o m p o n e n t so fh i g hp e r f o r m a n c es t a b i l i z i n ga g e n t ( s e u 一2 、a r eo b t a i n e df r o m l a b o r a t o r yt e s t s ，i n c l u d i n gp r e l i m i n a r ys e l e c t i o nt e s t s ，o r t h o g o n a lt e s t s ，o p t i m i z a t i o nt e s t , c o m p a r i s o nt e s t so fm u l t i p l es t a b i l i z i n gm a t e r i a l s ，a n dm i c r o s c o p i ct e s t so fi n t e r a c t i o nb e t w e e n s t a b i l i z i n ga g e n ta n ds i l t a c c o r d i n gt of u l l s c a l ef i e l dt e s t so fs i l ts u b g r a d e ss t a b i l i z e dw i t h d i f f e r e n ta g e n t s ，i ti sc o n s i d e r e dt h a tt h es i l ts u b g r a d es t a b i l i z e dw i t h4p e r c e n to fs e u - 2h a s s a t i s f y i n gp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dp a v e m e n tp e r f o r m a n c e c o n s i d e r i n gt h e f e a t u r e so f s i l ts l o p e ，t h el i q u i ds t a b i l i z i n ga g e n t ( s e u - 1 ) h a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dt h r o u g h l a b o r a t o r ya n df i e l dt e s t s s e u 1c a np r e v e n te r o s i o no f s l o p e ，a n db eh e l p f u lf u rp l a n t sg r o w i n g a f t e rt h ea n a l y s e so ff e a t u r e so f t r a f f i cl o a d i n g , an e wm o d i f i e de l a s t o - p l a s t i cm o d e li sp r o p o s e d t od e s c r i b et h ec h a n g ep a t t e r no f a c c u m u l a t i v ed e f o r m a t i o no f s o i lu n d e rc y c l i cl o a d i n ga c c o r d i n g t ot h ec o n c e p t so fy i e l d i n gs u r f a c ea n dl o a d i n gs u r f a e e t h ec o r r e s p o n d i n gp r o g n u n ，w h i c hi s c o m p i l e db yf i s hl a n g u a g ei nf l a c 3 d ，i su s e dt oc a l c u l a t et h e3 dd y n a m i cr e s p o n s e so f s t a b i l i z e ds i l ts u b g r a d eu n d e rt r a f f i cl o a d i n ga n dt od i s c u s st h ee f f e c t so fs o i lp a r a m e t e r s0 1 1t h e d e f o r m a t i o no fs u b g r a d e f i n a l l y , t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s si n s u b g r a d ec o r r e s p o n d i n gt o d i f f e r e n td e s i g ns c h e m e si ny a n - t o n gh i g h w a ya r es t u d i e d ，a n dt h eo p t i m a ld e s i g ns c h e m ei s p r o p o s e d t h er e s e a r c hr e s u l t sf u rt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ( 1 ) t h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c so f r e g i o n a ls i l ta r ei n v e s t i g a t e d f r o mt h ep o i n t so f g e l l i n g a n df i l l i n ge f f e c to fs t a b i l i z e ds i l t , t h es t a b i l i z a t i o nm e c h a n i s mi ss t u d i e d t h r o u g hl a b o r a t o r y a n df i e l dt e s t s ，an e ws t a b i l i z i n ga g e n to fs i l t ( s e u - 2 ) i sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y , w h i c hp r e s e n t s g o o dp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，a n dh i g hp e r f o r m a n c e - p r i c e t a t i 0 ( 2 ) an e wl i q u i ds t a b i l i z i n ga g e n t ( s e u - 1 ) ，w h i c hi ss u i t a b l ef u rs i l ts l o p ep r o t e c t i o n ，h a sb e e n d e v e l o p e ds u c c e s s f u l l y t h i sa g e n tc a np r e v e n te r o s i o no f s l o p e ，a n di sh e l p f u lf u rp l a n t sg r o w i n g ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h ef u n d a m e n t a lf e a t u r e so ft r a f f i cl o a d i n g ，an e wm o d i f i e de l a s t o - p l a a t i c m o d e li sp r o p o s e dt od e s c r i b et h ed e f o r m i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs o i l su n d e rc y c l i cl o a d i n g a p r o g r a mi sc o m p i l e dt h r o u g hf i s hl a n g u a g eo ff l a c 3 0 , a n di su s e dt oc a l c u l a t et h ed y n a m i c r e s p o s e so f s t a b i l i z a ds u b g r a d ea n da n a l y z et h ee f f e c t so f s o i lp a r a m e t e r s ，s u c hu sd a m p i n g , e l a s t i c m o d u l u s ，c o h e s i o n , a n di n n e rf r i c t i o na n g l e ，o nt h ed e f o r m a t i o no fs u b g r a d e u n d e rs i n g l eh a l f s i n el o a d i n g , t h em a x i m a ld i s p l a c e m e n ta n du n r e c o v e r a b l ed i s p l a c e m e n ti n c r e a s e dw i t ht h e d e c r e a s eo f d a m p i n gp a r a m e t e r s ( 缸，舯) e l a s t i c m o d u l u s ，c o h e s i o n ，i n n e r f r i c t i o n a n g l e t h e c h a n g ep a t t e r n so ft h er a t i oo fa n c o v e r a b l ed e f o r m a t i o nt ot h em a x i m a ld e f o r m a t i o na r es i m i l a r t h ee f f e c t so f c o h e s i o na n di n n e rf r i c t i o na n g l ea r et h e g r e a t e s ti nt h es i xp a r a m e t e r s u n d e rc y c l i c l o a d i n g , t h eu n c o v e r a b l ed e f o r m a t i o ni so b v i o u sd u r i n gt h ee a r l yc y c l e so fl o a d i n g w i t h i n c r e a s i n gl o a d i n gn u m b e r , t h ee x p a n s i o no fu n l o a d i n gi sn e a r l ye q u a lt ot h ec o m p r e s s i o no f l o a d i n g , a n dt h es u h g r a d ep r i m a r i l yd e f o r m se l a s t i c a l l y i na d d i t i o n , t h ed e f o r m a t i o no fs o i l d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo f d a m p i n gp a r a m e t e r s ma n d ，。 ( 4 ) t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s so fy a n - t o n gh i g h w a yu n d e rs t a t i ca n dd y n a m i cl o a d i n ga r e a n a l y z e df o rd i f f e r e n td e s i g ns c h e m e so fs i l ts u b g r a d e u n d e rs t a t i cl o a d i n g , t h ev e r t i c a l d i s p l a c e m e n t so nt h er o a ds u r f a c ea n dt h es t r e s so nt h et o po f n a t u r a ls o i l sf o rt h es e c o n ds c h e m e i st h es m a l l e s t , t h es e c o n ds m a l l e s ti sf o rt h es e v e n t hs c h e m e ，a n dt h er e s u l t sf o rt h el u s t , t l l i r d a n df i f t hs c h e m e sa r en e a r l ye q u a l t h ed i s p l a c e m e n td i s t r i b u t i o no nt h et o po f c o m p a c t e ds o i la n d t h et o po fn a t u r a ls o i la r es i m i l a rb u ts m a l l e rt h a nt h a to nt h ep a v e m e n tt h es t r e s si sm a x i m a la t t h el o a d i n gp o i n ta n dd e c r e a s e sw i t hd e p t h u n d e rd y n a m i cl o a d i n g , t h ed i s p l a c e m e n ta tv a r i o u s d e p t h so fs u b g r a d ed e c r e a s e sm p i d l yi nas i m i l a rp a r e mb e c a u s eo fd a m p i n g , a n dt h es t r e s si n s u b g r a d ef o rd i f f e r e n td e s i g ns c h e m e sb e c o m e ss t a b l ea f t e r2 5s e c o n d s b yc o m p a r i s o n t h et h i r d s c h e m e ( s u b b a s e + 2 0 c m4 s t a b i l i z i n ga g e n t + 4 0 c m6 l i m es o i l + c o m p a c t e ds o i l ) i s c o n s i d e r e dt ob eo p t i m u m k e y w o r d s ：s i l t ；s u b g r a d e ；s l o p e ；s t a b i l i z i n ga g e n t ；s t a b i l i z a t i o n ；s t r e n g t h ；s h r i n k a g e ；t r a f f i c l o a d i n g ；d e f o r m a t i o n ；d y n a m i cr e s p o n s e ；f l a c 3 0s o f t w a r e 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学佼论文是我个人在学师指导下进行的研究z 作及取得 夔磅究残暴。尽我囊知，狳了文孛特囊熬戮髂浚鞠致落熬蘧方羚，谂文孛不包含 其他入飘经发表或撰写道的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位戚证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盟日期： 东毫大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家网书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，w 以采用影印、缩印戏其他复制手段保存论文。本人 电子文秘鲍内容和纸质论文的内容稳一致。除农像密麓内魄保密论文豁，允许论 文被套溜和氆阕，胃戳公蠢( 氆括稳登) 论交貔全部或部分内容。论文豹公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究嫩院办理。 磷究蚴：缉一名拯 东南大学博士学位论文 前言 按照规范规定，凡粒径大于0 0 7 5 r a m 的颗粒含量不超过全重的5 0 且塑性指数小于或 等于1 0 的土为粉土。粉土( 或称低液限粉土、高液限粉土) 为第四纪松散河流堆积物，广泛 分布于我国黄河、淮河，海河等河流的中下游地区，主要由黄土高原的黄土经河流再搬运形 成。粉土的粒度组成以粉粒和细砂粒为主，粘粒含量少，因此粉土的比表面积小，离子交换 容量小。粉土的塑性指数小，干时虽稍有粘结性，但易被压碎、扬尘大，不易成型，施工碾 压时易产生叠瓦状推移和分层现象，浸水时很快被湿透，形成流体状态，耐冲蚀能力差。因 此，在高速公路建设中粉土是较差的筑路材料，用粉土填筑的路基边坡易被冲刷破坏。粉土 的毛细水上升高度大，在季节性冰冻地区容易使路基产生水分累积，造成严重的冻胀翻浆现 象。 目前对粉的固化稳定问题研究得较少，多采用加固粘土的固化剂来稳定粉土，主要有 水泥、石灰，粉煤灰或这些材料的混合物等。各种固化剂加固土壤的机理不同，适用的土质 情况也不同。粉土粘粒含量少、活性度较低，采用目前广泛使用的水泥、石灰、粉煤灰等无 机结合料来稳定粉土，效果往往不尽人意，有时甚至不能满足技术规范的要求，主要体现在 早强差、收缩大、易开裂、稳定性( 水稳性、冻稳性、热稳性) 差等，有时还会出现施工环 境差、工程造价高等问题。对于粉土边坡采用常规的方法往往不能有效的防止雨水的冲刷。 在江苏地区粉土主要分布于苏北故黄河泛滥地区、苏中的南通和泰州的长江三角洲地区 以及苏南部分地区。江苏地区的粉土由历史上黄河携带大量黄土高原的泥砂沉积形成，表层 以低液限粉( 粘) 土为主，中部为粉土夹淤泥质薄层粘土，下部为低液限粘( 粉) 土。在江 苏省高速公路建设过程中，连徐高速公路、徐宿淮高速公路和京福高速公路等均位于故黄河 冲积地区，宁靖盐高速公路、宁通高速公路、盐通高速公路、通启高速公路等均位于长江三 角洲地区，工程建设地区的土质大多为粉土。在如此大范围内，如果全部采用外运材料来代 替粉土，势必极大地增加工程造价。因此，针对粉土的特性，研制合适的固化剂，结合具体 情况采用适当的稳定方法来处理粉土，以满足路基及其边坡的技术要求是当前高速公路建设 中迫切需要解决的问题。 交通荷载作用下道路的变形和稳定问题是高速公路建设的一个关键问题。目前我国高速 公路建设正以前所未有的速度增长，但对高速公路的基本理论研究显得相对落后，不能满足 或指导现行的高速公路建设。研究高速公路的变形和稳定问题，大多采用理论分析、室内外 试验，数值模拟及原型观测等方法。根据交通荷载的基本特性，结合道路本身的材料性质和 室内外试验的结果，进行理论分析和数值模拟，可以总结出高速公路变形的一些基本规律， 以指导工程实践，完善有关设计理论及相关规范。交通荷载具有动力性和反复性，传统的弹 塑性理论不能刻画土体在交通荷载作用下变形逐步积累的现象。必须对之作适当改进。对路 堤变形的数值模拟多采用有限单元法，但有限单元法在三维计算时占用的内存大，计算速度 慢、耗时长，因此，在分析交通荷载作用下路堤的变形时采用新的数值模拟方法十分必要。 综上所述。在粉土地区的高速公路建设中，从粉土的基本特性出发，寻求满足工程要求 的稳定方法，确定合适的稳定材料，并在此基础之上，进行交通荷载作用下稳定粉土路基的 基本特性研究，具有十分重要的理论意义和实际价值。 蕈一章曩盎外研究琏欹 第一章国内外研究现状 1 1 土壤固化剂的研究现状 l 。1 1 土壤固化剂发展和j 溆用概况 土壤露纯稳定就是透避袋取一定鲍豹理纯学方法释档痊豹技术措施浚饕戆匏瑾力学 往矮，综金提毫趣强度、嚣菠帮稳定毪“。壤溪纯稳定技本匏瘟霜自寒露久，它一毫是 公潞工程建设中的重点琢节之一。2 0 世纪初，美嗣的工程师释】对和水滟的棍台物一水泥 土进行试验，寻求利用当地土料为主要原料的廉价筑路材料，因此，水泥悬最早的“土壤固 化剂”。多年来对水泥土的配比、工程性质、本构模型和微观结构的研究取得了大量成果， 但在工程实践中，人们发现水混士虽然胶结作用显篱，但填充空隙的效率很低，对有些土质 也不适用，因此提出掺入其窀外加剂啦弥补水泥土的不足，从而真正形成了土壤固化剂的概 念“。此嚣，壤固化稳定从由犟敬， 掺逐步发展剿了多静或分的复掺( 龟掇毒帆羊珏无杌) ， 著逐激发震戒戈一静薪型瓣王穗耪攀卜壤圈纯裁。：t 壤霭纯裁是一癸毪撬夔戆工复合 材辩，是一种由多种无机释露祝耪辩配裁嚣成静承璇性胶凝耪辩，班专门加潮壤为特性， 它通道岛土壤混合后产生的一系列物理记学反应，将松散土体转为致密的胶凝材料，大幅度 地提简土壤的强度、改善土壤的耐久性等性能。到目前为止，国内外对土壤圊化剂的研究一 直没有中断过，用于固化的材料也是新品迭出，以适成不同土质的要求或充分利用各地区的 工业废料。 2 0 世纪6 0 年代以前，豳晦外广泛采用的稳定壤鲍方法是在中掺加笼桃结台料，常 雳鲍笼撬缝合秘有承泥、石获、耪煤灰或这些耪辩懿涎合镑。睫羞公路建设娩模的扩大藕道 路等级瓣撬毫，公路建莰中遘翻豹囊条箨子差万捌，j c 孝路基薛强度、s l 发裙稳定缝龟提 出了嚣离的要求。一些篱单传统的土壤稳定方法邑邂远不能适应高等级公路的技术要求，经 常出现备种形式的破坏和变形。7 0 年代后，随着科学技术的不断发展，荚圈、日本、澳大 利亚、德国等国家对土壤改良技术进行了深层次开发。技术水平有了长足的进步，在土壤固 化剂的歼发与应用方面进彳亍了一系列的研究”1 。s i m o n “和o l a ”1 分别用水泥和石灰稳定高塑 性红土，使其达到筑路材料的鬻求，可作为公路的慕屡和底基层材料。m e d i n a 和g u i d a 用 5 的磷酸稳定红土，2 8 天的强度可这4 , 0 m p a ”。获、水泥不仅已用予稳定含云母的旗性 “、软弱海攘鞋8 、簸疆经8 “，嚣袭主8 ”，逐用于稳定骖土”。x e i d a k i s 瘸歉激鹅 稳定膨涨主跬减夺匏澎敝健“。o l n g b u e 帮o n y e o b i 用大理石耪稳定缎，提高红豹 无侧限抗压强度和c b r 值，减小红土的塑性指数“”。l a h a l i h 和a h m e d 用磺化尿素密胺甲 醛和含0 2 5 氯化钠的脲醛稳定砂丘砂，它不仅可提黼土体的强度、阻止土体侵蚀，还有助 于植物的生长“。n n b a n t o g l u 和g u c b i l m e z “”用粉煤灰加少量石灰稳定膨胀土取得较好的效 果- a i - a b d u iw a h h a b 和a s i “采用慢裂乳化沥青、中凝轻沥青和2 石灰敷4 水泥作为固 化剂，肖效地增加了泥灰土和砂最砂的抗剪强度和水稳性。a t t o m 和a i s h a r p ”1 利用榨油后 的擞揽燃浇废弃镌俸为土壤暌纯裁，能提高土的秃铡黻撬压强度、最大干密度，减小戆髟 藩链m i l l e r 籁a z a d “2 雳窳滋窑灰终势壤霪纯舞蓦，稳定土鹣强度在7 - - 1 4 哭瘫迅速提高， 鞋籍谶艘增劫逐渐变馒，嚣艇士的无铡限抗压强度瓣援离与加固前土静塑饿指数成反毙。土 壤固化剂在改善土的工程性质的同时，还可以作为污搬士中重金属元素的稳定剂，防止因重 金属元素被淋滤而造成环境污染”。与此同时，人们已将一些固化剂商品化，如美国路邦 ( r o a d b o n d ) 公司的路基强固剂，日本u k c 公司土壤固化剂，日本住友株式会社土壤固化剂等。 但上述产品均具有一定的地域适用性。目前土壤固化剂的应用技术在国外已褥到了推广，在 上述国家的大型工程( 包括铁路、机场、高速公路及低等级公路、水利工稷、港霹、市政建 设、邵壤撩护等) 串丈量运矮，器形成了相当的生产簸镤，致褥了撮大豹孝会效盏、经济效 益帮龟悫效益。 我潮的土壤稳定固化技术的研究相对于国外尚娥予落后的状态，土壤固化稳定材料仍然 以水泥、石灰、粉煤灰或者这贱材料简单的混合物为搬，缺乏系统而深入的研究。为了改变 这种落厢的现状，适应工程建设的需要，国内有关单位予1 9 9 4 年从日本引进了具有9 0 年代 先进水平的高性能土壤固化剂。经过几年的试验和开发研究，目前实现了土壤嗣化剂技术的 国产化，并具有较高的性能价格比。国内主要的研究开发单位有北京奥特豢特、海南筑车、 j 衷大学、j 京黯邦、游波大学等，其孛j 京中主囊特塞特科技发震露疆公司开发戆 2 东南大学博士学位论文 a u g h t - s e t 系列土壤固化剂( c 1 型、d 1 型、b 1 型等) 舍有使固化剂颗粒和土体表面活性化 的成分，在水化反应中能使固化剂本身比表面积增加几百倍。a u g h t - s e t 系列土壤固化剂目 前已经形成规模生产，并开始应用于道路工程，水利工程等”“。土壤固化剂作为一种新型 的路用材料，在国内己逐渐为广大工程技术人员所接受和采用。目前研制开发或己投入使用 的主要有n c s 系列、e n 一1 系列、h s 系列、a s 系列等。n c s 系列固化剂是在水泥、石灰中 添加合成的“s e a ”高性能无机增强吸水材料而成的复合固化材料，它除了具有石灰、水泥 对土的改性作用外，还使土粒与n c s 发生一系列的物理化学反应，使土粒彼此紧密、聚集成 团，形成团粒化和砂质化结构。翻一1 系列是美国生产的含有强氧化剂、常温下呈液态的 土壤固化剂，它能将土壤中的矿物质和土壤分子分解，使其重新结晶，生成新的化学键，形 成土壤固化层。该产品在路基和路面基层上都得到普遍应用，取得了良好的工程效果和经济 效益”。h s 系列固化剂是在水泥中加入约l o 的固化剂而形成的一种土壤固化材料，特 别适用于高含水量的软。1 。此外，根据具体的工程情况。国内许多单位还开发了一些其它 类型的固化剂，如武汉水利电力大学以工业废渣为主要原料的h a s 耐水土壤固化剂。1 ，河南 黄河河务局的f j y 士壤固化剂，东南大学开发的粉土砂土质边坡快速固化剂“。表1 1 为 国内外已开发使用的固化剂汇总表。 表1 i 土壤固化剂汇总表 序 名称基本特性加固机理应用领域优缺点各注 号 n c s 由水泥、石灰等合成离子交换作用，碳化作 提高路基 1道路路基整体稳定 固化剂添加改性而成用、胶凝作用 性 提高基层 用量为石灰 e n 一1 氧化作用、溶解作用、强度，减 2 液体，酸基化合物道路基层用量的 周化剂重结晶作用少污染， 0 1 - 0 4 。 减少造价 a s 固化速度 3固化剂 粉状，含激发组分、 化合作用、结晶作用 道路工程、快、相对 高分子材料水利工程强度高、 收缩小 h s 道路基层、 4 水泥加1 0 的固化素水化作用、胶凝作用等提高强度 固化剂软土工程 f j y 固 增强石灰土的钙化能 道路工程、 提高土的用量为水泥或 5力，增加土的粘性，减 前期强度 葛灰用量的 化剂水利工程 水作用等和耐水性0 5 - 2 o 早期强度 p s s 固 粉状，由多种无机胶 离子交换作用、碳化作 高、收缩 6 道路基层 化剂凝材料复合而成用、胶凝作用性好、水 稳性好 改性 7s s t 固高分子材料 减少离子价位，增加土 软土工程 尤其适用用量为水泥用 化剂 的粘性多雨地区量的0 0 3 5 。 卧s 粉状，以工业废渣为胶凝作用、离子交换作 道路工程、 强度高、 8 固化荆原料用等水利工程收缩小 高分子水稳性 9表面活物化反应 道路基层、 性剂 底基层 好、收缩 性好 x f l 、 r t _ 1 2 改善耐水 1 0 物化反应水利工程 高分子性 固化剂 含工业 废料的提高强 1 1水泥系 水泥中加入粉煤灰、 胶凝作用软土工程 度、减少 磷石膏等 固化剂 造价 3 第一章嚣蠹，溅览琏牧 豳于各种主客观条件的限制( 如工程的造价、特殊的自然环境、特撩的地质条件等) ， 土壤阑化剂也有其局限性，材魃土壤固化剂往往只能满足一些单一性能指标，不能提高多方 面的练龠性能，有些土壤固化剂往往只能适合某类土，而对其它类型土的稳定作用不大。 a 1 a m o d u d i 等分别用石灰石粉、泥灰土、乳化沥膏、水泥和石灰稳定沙特阿拉伯的干旱盐 渍土，试验结果表明用2 5 1 0 的石灰或水泥能使的强度提高2 5 2 2 傣，毽另外三种固 纯铡瓣傍用戴不明显。i n d r a r a t n a 分剐用石灰、褰炉矿渣和耪煤灰热固淡大綦翌薮毫藏笨 鹣援积主，高炉矿渣胃窝效撬离麓积叠毫建摩擦燕，石灰可秘曼增热爱辍的撬压强度， 但耪煤灰的加固效栗不羽鼗。w i l d 等的试验研究表明，粒状高炉矿渣能明显减小含硫酸 盐高岭士的膨胀性，但对其强度影响不明显“”。有些土壤固化剂在土的稳定方面己表现 出魃缺陷，如早强差、收缩丈、易开裂、稳定性藏游。 鼠然，国内外已开发出了许多土壤固化剂产品，对固化剂的研究也方必束艾，但大多用 于软粘士的加固“”“。随饕土壤固化剂研究的深入和应用范围的扩展，应用予砂性土、耪性 土豹圈他荆也逐步褥到开发籁废耀“1 。彭波等”磷制一秘离分子液体固能剡用于栩园嚣 安熬焚主帮骖往主，与石灰攘溺方法朝毪，箕葶麓缀瘦寒，强震瑷长快，爨耀瞧麓往。近年 来辩耪熬强纯 蠢题也g ；越了互程拄术天费熬重撬，审爱琴等“”对不弱静翱蠢材猫，包括 生石获、熟石灰、二灰、水泥、石灰水泥、水泥粉煤获、e n - 1 系列固纯荆、农泥加e n 1 系 列固化荆等加固邯郸地区含砂低液限粉土进行了试骏研究，结果表明，b n 1 系列固化剂对 含砂低液限粉土没有明显的加周效果，即使与水泥同时使用，效果也较差。蕤智辉1 比较了 水泥秭敷粉煤灰以及水泥粉煤灰对粉士的稳定效果，认为随龄期的增长，水泥石灰粉煤灰的 综含稳定粉的抗压强度的增长远离于水泥粉煤灰稳定的粉。姚占勇和商庚森。7 针对 二灰( 露获、耪煤灰) 稳定荧溪 孛积耪土效果较蓑、锈勰强度缓低静闷题，采蠲， 掺承玻璃、 缝赣等方法热抉强度静增长。嚣薅对耱躲固纯稳定瓣题磅究较少，多采鲻艇瓣糙性土魏霆 纯荆来稳定粉土，矮予稳定耪土的固化剂瞧廖廖羌几。由于各种固纯荆的加瀚杌理不尽稿同， 适用的质情况也不同，用现肖的加固粘性土的固化剂稳定粉土，效果往往技差，不能满足 工程簧求，因此解决粉土固化问题就尤其重要。 对士壤固化剂的研究，目前主要集中在固化剂对土壤的加固机理、土壤网化剂的产品开 发及威阁两方面。 1 1 2 豳他剡对壤的规瓣鸯嚏理 壤强琵裁之甄爨能够掇蹇舞强度、增撩夔稳定牲是嚣凳嚣纯裁鸯土混合嚣产生7 一系剃物理、纯学反应。固纯耪辑和质条传豹干麓万剐使得两者之闻静纷耀复杂两多样， 因此埘羽化机理的研究是固化剂研究和开发中的重要问题。目前，土壤固化稳定机理的研究 主要包撼两个方面：固化材料本身的固化机理和土壤岛固化材料的相互作用。通常，土壤固 化剂主臻由水泥系组分、石毅系组分等矿物料和少量的激发组分、化学添加剂组成。 ( 1 ) 固化剂中水泥系组分的加固机理 水混矿物与拌和后，水溅矿物与中的水分发生强烈的水解和水化艇旌，形成氢氧化 钙鞫其它瘩托产魏，构或承淀嚣曹檠。睫着承泥承能芨应豹深入，溶液中援癌大量戆e b 2 。 当c 岔+ 静数量超蠢离子交换浆辫要量鑫，黧在碱瞧繇缓牵，这些多余豹e 矿+ 瓣壤中静活往 s i 如、a l 船等进行火山灰豪艘，生成具有胶结卡# 耀的水化硅酸钙凝胶和承化锅酸钙晶体“ “”。遮魑生成物进一步使颗糯相互结合，使土的塑性减小，强度增大，使水泥土混合料的 水稳性提高。 水泥水化以后，形成c a ( 0 h ) 。和c a 2 + 2 ( o h ) ”共存的胶体，二价钙离子就能等当量替换 土粒表掰所吸附的一价金属离子，即进行等当量吸附交换 】( a ，k + ) e 分+ 一【土 c + + k 玉( 或k d 其结巢惩馒大量戆粒形戒较大瓣蚕，再翔上承漉痰证嚣形藏静c a ( 。1 1 ) 。粪毒强烈菸驳瓣 活经，箍傻这些较大静土鹭遴步结合起来，形或承淀链条拔结构，封溺备圃之闫豹孔 隙，锼士的强度获得提高“”。同时永记物中的游离c a ( o h ) ：不断吸收水中的h c o 。，并 与空气中的c 0 2 作用生成碳酸钙 c a ”+ c 0 3 2 一一c a c 如l 水泥加固土是水泥石的骨架作用与c a ( o h ) 。的物理化学作用的共同结果。c a ( 0 f ) 。 使粘微粒和徽团粒形成稳定的团粒结构，水泥石q 将这些团粒包裹并联缩，扶丽提高土的 强度。 4 末鸯夫学搏士学证谂史 ( 2 ) 嗣化剂中石灰系组分的加阂机理 群放系组分加入土中后，黢生一系列的化学反成和物理化学反应，使土的性质发生根本 改变。初期表现为土的结团、魍性降低，后期主要袭现为结晶结构的形成，从而提高土的强 度和稳定性。石灰与土发生的反虚主要有：离子交换反应。石灰系组分加入土中后，会发 生电离作用 c a ( o r l ) ：一c 矿+ 2 ( o l 毫瘫疹爱艇二徐钙离子( e 矿。) 与扩散屡孛熬一蛰镳、舞离子( k 0 、k 3 发生离予交换俸蠲， 使黏主颗粒的扩散屡厚度躐小，土颥粒静结合力增强，塑性下降，并星絮凝团聚现象，飙 而改变了土的性质。火山获反应。在上述离子交换厮随着龄期的增长，士壤中的活性二 氧化硪、活性氧化铝在石灰的碱性激发下解离，在水的参与下与c a ( o h ) 。发殿。反应生成物 有水化张酸钙、水化铝酸钙( 4 c a 0 a 1 2 0 3 1 3 1 - 1 2 0 ) 及钙铝黄长石( 2 c a 0 a 1 舳s i 0 2 6 h 2 0 ) 等。遮燎水化物在水中和空气中逐渐硬化并与颗粒糍绪在一起，形成网状结构，使土颗粒连 接得更加牢匿，从而改善了土盼物理力学性能。c a ( o l ) 。的结器反应与碳酸化反应。在上 透露蠲瓣弱露，渡握承港渡中戆c 8 继魏霹鞋在溶渡窳分蒸发等造藏躲避溅鞫获态下发生结 晶传掰，形成c a 。 良鑫律。掰艇残鹃晶体相互结会，梅主粒胶结或整体。液褪串的c 8 ( o 嚣) 。 也可以匈气相中或溶解在溶液中的c 0 2 反应，发生羰化作用，生成c a c o , 。碳酸钙具有较高 的强度和水稳性，能够增强土颗粒之间的胶结性或增大稳定土中的固相成分，有利于强度的 提高。 在上述水泥系组分和石灰繇组分稳定士的强度澎成过程中，同时存在这螋组分之间的相 互作用，主要有：火山灰反成，离子交换作用、絮凝嗣聚作用以及各组分自舞的解离，结晶 幸# 用秘凝