（岩土工程专业论文）含腐殖酸软土的加固研究.pdf

含腐殖酸软土的加固研究 摘要 含腐殖酸软土的加固是地基处理工程中提出的问题，同样涉及土壤固化技术的其它应用 领域，如路基填筑、水系治理等。普遍认为软土中的腐殖酸通过阻碍水化反应，分解水化产 物等，使水泥、石灰等固化材料几乎失效，但是含腐殖酸固化土特性的研究却未受到足够的 重视，已有的研究成果很少且不尽相同，因此有必要深入地研究腐殖酸对土壤固化的作用机 理，从而为含腐殖酸软的加固提供依据。 在论述了土壤的固化机理、材料，以及腐殖酸的结构、性质的基础上，分析r 腐殖酸对 士壤固化的影响，其中富啡酸是由于其盐类还原能力和络合能力较强，易形成络合物，从而 具有高度的吸附活性；胡敏酸是由于其所含官能团多，能解离出较多的氢离子因此具有较 强的离子交换能力。两种腐殖酸都能通过延缓水化反应、分解水化产物来影响士壤固化。 进行了含腐殖酸水泥固化土和q l 1 固化土的强度影响试验，结果表明：胡敏酸对固化 土强度的影响大于富啡酸，q l 一1 固化剂能显著改善胡敏酸的影响；水泥掺入比对q l 1 固化 土的影响较大，只有当水泥掺入比大于1 0 时，q l 1 固化剂才表现出明显的增强效果：胡 富比对两种固化土的影响都较小；含腐殖酸水泥固化土的强度随龄期的增长缓慢，而o l l 固化土的后期强度与早期强度相比有较大的提高。 通过四因子二次正交旋转组合试验研究了q l 1 固化土各影响因子的显著程度及互作效 应，结果表明，各因子显著性的排列次序是：胡敏酸含量，水泥掺入比，富啡酸含量，生石膏 掺入比；富啡酸含量对固化土的早期强度影响较大，而胡敏酸含量对固化土的后期强度影响 较大，随着龄期的增长，两种腐殖酸对固化土强度的影响逐渐减弱；较高的生石膏掺八比有 利于提高含腐殖酸固化土的早期强度，而不利于其后期强度的增长。 通过扫描电镜试验，研究了含腐殖酸固化土各影响因子的作用机理，结果表明：富啡酸 和胡敏酸含量较高时，固化土中的针状、网络状水化产物晶体不可见或很少；水泥掺入比太 低时，即使是腐殖酸含量较低的土，其水化产物的生成也很少；当腐殖酸含量较高，而水泥 掺入比较低时，生石膏掺入比对固化土几乎不产生影响。 通过固结不排水三轴剪切试验研究了含腐殖酸固化土的应力一应变关系，建立了一个本 构模型，该模型摆脱了传统流动法则的束缚，经试验验证更加符合固化土的实际隋况。 最后结合水系疏浚废土经固化后用作路基填料的两个工程，进行了士壤固化技术的应用 研究。水系疏浚废土中一般含有机质，需要在固化剂中添加消除有机质影响的特殊成分或使 用专门用于加固有机质土的土壤固化剂。两矛中含有机质的疏浚土，经改良后，均可用作地基 填料；经估算，采用固化疏浚废土用作路基填料，比采用传统材料可以降低造价2 0 左右， 不但解决了填料的来源，而且进行了废物利j = j ，避免了废土的占地堆放及环境污染，是一种 具有多种效益的方法。 关键词：同化： ；十壤固化剂；腐殖酸；无侧限抗压强度；二次正交旋转组合试验 s t u d yo nh u m u s - c o n t a i n i n gs o i ls t a b i l i z a t i o n a b s t r a c t f i r s t l y e n c o u n t e r e di nt h e p r a c t i c e o f c o m p o s i t ef o u n d a t i o n ，s t a b i l i z a t i o n o f h u m u s c o n t a i n i n g s o f ts o i lb e c a m eas e r i o u s p r o b l e mr e s t r i c t i n g t h e a p p l i c a t i o n o fs o i l s t a b i l i z a t i o ni nm a n ya r e a ss u c ha sp a v e m e n tc o n s t r u c t i o n ，w a t e rs y s t e mr e g u l a t i o n ，e t c i ti s g e n e r a l l ya c c e p t e dt h a ts o i lh u m u sc a np r e v e n tt h eh y d r a t i o np r o c e s sa n dd e c o m p o s eh y d r a t e d p r o d u c t s t h u sd e p r e s st h ef t m c t i o no f c e m e n ta n dl i m es t a b i l i z a t i o n b u ts t u d yo nt h ec h a r a c t e r so f s t a b i l i z e dh u m u s - c o n t a i n i n gs o i ld o e sn o tr e c e i v em u c ha t t e n t i o ne x c e p ts e v e r a lp r e l i m i n a r yy e t i n c o n s i s t e n tr e s u l t s f u r t h e ri n v e s t i g a t i o ni sn e c e s s a r yt oe l u c i d a t et h em e c h a n i s m ，f o rt h es a k eo f p r o v i d i n gab a s i sf o rh u m u s c o n t a i n i n gs o f ts o i ls t a b i l i z a t i o n b a s e do nt h ed i s c u s s i o no f m e c h a n i s m ，m a t e r i a l so f s o i ls t a b i l i z a t i o na n ds t r u c t u r e ，p r o p e r t i e s o fh u m u s ，i n f l u e n c eo fh u m u so ns o i ls t a b i l i z a t i o ni sa n a l y z e d b e c a u s eo ft h es t r o n gr e d u c t i o n a n dc o m p l e x a t i o na b i l i t y ，f u l v i ca c i dc a nb ee a s i l yf o r m e di n t oc o m p l e xc o m p o u n d st h a ta l ea c t i v e i na d s o r p t i o n w h i l eh u m i ca c i dh a ss 拄o n gc a t i o ne x c h a n g ea b i l i t yb e c a u s ei t sn u m e r o u s f u n c t i o n a lg r o u p sc a nd i s s o c i a t ep l e n t yo f h + b o t ho f t h et w oa c i d sc a na f f e c ts o i ls t a b i l i z a t i o nb y r e t a r d i n gh y d m t i o nr e a c t i o na n dd e c o m p o s i n gh y d r a t e dp r o d u c t s u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o nt e s t sw e r ed o n et od e t e r m i n et h es t r e n g t hv a r i a t i o ni n d u c e db yt h e v a r i o u sa s s u m e df a c t o r sa f f e c t i n gt h es t r e n g t ho fh u m u s c o n t a i n i n gc e m e n ts t a b i l i z e ds o i la n d q l - ls t a b i l i z e ds o i l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei n f l u e n c eo f h u m i ca c i di sm u c hm o r em a r k e dt h a n t h a to ff u l v i ca c i d ，q l - 1s t a b i l i z e rc a nd r a m a t i c a l l ya l l e v i a t et h ee f f e c to fh u m i ca c i d ；c e m e n t m i x i n gr a t i oh a sm a j o ri n f l u e n c eo nq l - 1s t a b i l i z e ds o i l ，q l 一1s t a b i l i z e ri so n l ye f f e c t i v ew h e n t h ec e m e n tm i x i n gr a t i oi sa b o v e1 0 ：t h er a t i ob e t w e e nt h ea m o u n to f h u m i ca c i da n df u l v i ca c i d h a sl i t t l ei n f l u e n c eo nb o ms t a b i l i z e ds o i l s ；t h es t r e n g t ho ft h ec e m e n ts t a b i l i z e ds o i ld o e sn o t i n c r e a s ed r a m a t i c a l l yb ya g e , b u ti tm e a n sm u c hm o r ef o rt h eq l - ls t a b i l i z e ds o i l f o u rm a i nf a c t o r st h a ta f f e c tt h eq l 一1s t a b i l i z e ds o i lw e r es t u d i e db yq u a d r a t i c r o t a t i o n o r t h o g o n a lc o m b i n a t i o nt e s t ，w h i c hr e v e a l st h a tt h es i g n i f i c a n c es o r to r d e ri st h a th u r a i c a c i dc o n t e n t c e m e n tm i x i n gr a t i o f u l v i ca c i dc o n t e n t g y p s u mm i x i n gr a t i o ；f u l v i ca c i dh a sm o r e i n f l u e n c eo nt h es h o r t t e r ms t r e n g t ha n dh u m i ca c i dt h el o n g - t e r ms t r e n g t h ，b u tt h ei n f l u e n c ei s d e c r e a s e db ya g e ；h i g h e rg y p s u mm i x i n gr a t i oi sb e n e f i c i a lf o r t h es h o r t - t e r ms t r e n g t hb u t d e l e t e r i o u st ot h el o n g t e r ms t r e n g t ho f t h es t a b i l i z e dh u m u s c o n t a i n i n gs o i l s e mt e s ts h o w st h a tt h eh i g h e l 7t h ec o n t e n to ff u l v i ca n dh t m a i ca c i d ，t h el e s st h es p i c u l a t e a n d o rr e t i c u l a t eh y d r a t e dp r o d u c t si nt h es t a b i l i z e ds o i ls y s t e m ；w h e nt h ec e m e n tm i x i n gr a t i oi s t o ol o w ，t h e r ew i l lb el i t t l eh y d r a t e dp r o d u c t sf o r m e de v e nw i t hal o wh u m u sc o n t e n t ；t h eg y p s u m m i x i n gr a t i oh a sn o t h i n gt od ow i t ht h es f f e n 9 1 1 lo ft h es t a b i l i z e ds o i lw h e ni ti sa c c o m p a n i e db y h i g hh u m u sc o n t e n ta n d l o wc e m e n tm i x i n gr a t i o ac o n s t i t u t i v em o d e l ，w h i c hg e t sr i do ft h er e s t r i c t i o no ft h ef l o wr u l e ，w a se s t a b l i s h e du s i n g t h ed a t ao b t a i n e df r o mc o n s o l i d a t e du n d r a i n e dt r i a x i a lt e s to ft h es t a b i l i z e dh u m u s ，c o n t a i n i n gs o f t s o i l c a l c u l a t e dd a t ab yt h em o d e la l - ei ng o o da g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a f i n a l l y ，t h er e l a t e ds o i ls t a b i l i z a t i o nt e c h n i q u ew a sa p p l i e dt ot r e a td r e d g e ds o f t s o i lf r o m w a t e rs y s t e m si n t or o a d b a s ef i l l i n g d r e d g e ds o i l sf r o mw a t e rs y s t e m so f t e nc o n t a i nh u m u s ，s o o n l yt h o s es t a b i l i z e r sw i t hs p e c i a lc o m p o n e n t st or e d u c et h ei n f l u e n c eo f h u m u sc a nb ee f f e c t i v e t h et w os a m p l e so fd r e d g e ds o i l sc o n t a i n i n gh u m u sa l es u c c e s s f u l l yt r e a t e di n t or o a d b a s ef i l l i n g ； i ti se s t i m a t e dt h a tt h ec o n s t r u c t i o nc o s tu s i n gs t a b i l i z e ds o i lc a nb ed e c r e a s e db y2 0 c o m p a r e d w i t l lt h et r a d i t i o n a lm a t e r i a l s a n di th a se x t r ab e n e f i t st ow a s t er e c o v e r ya n df a r m l a n dp r o t e c t i o n k e y w o r d s ：s t a b i l i z e d - s o i l ；s o i ls t a b i l i z e r ；h m n u s ；u n c o n f i n e dc o m p r e s s i o ns t 陀】o g t h q u a d r a t i cr o t a t i o n o r t h o g o n a lc o m b i n a t i o nd e s i g n 致谢 首先感谢我的导师龚晓南教授! 五年前，站在岩土学科这高深的大门之外，似难企及， 然而导师热诚地为我打开了求学之门。五年的岁月并不算短，我始终怀着一颗虔诚之心，聆 听恩师教诲。导师朴实的生活作风、渊博的专业知识、严谨的治学态度、开阔的理论视野以 及锐利发现问题的能力将使学生终生受益! 在本文的选题、试验及撰写的整个过程中，都得到徐日庆教授的帮助和指导，在此表示 衷心感谢! 同时感谢课题组的周建副教授、俞建霖副教授、温晓贵副教授、杨晓军博士等老 师，以及罗战友、王景春、邢皓枫、魏纲、郭印、朱世哲等同学! 感谢本校生物系统工程与食品科学学院的何勇教授! 在试验方法、数据处理等方面的指 点和帮助，还有不断地鼓励，使我有勇气完成学业。也感谢该学院的应义斌教授、郭宗楼教 授、赵文波教授、王俊教授、涂澄海教授、郑金土副教授、冯雷博士等! 感谢本校环境与资源学院土壤化学系的徐建明教授、廖敏副教授在土壤化学以及土壤分 析中提供的热情帮助! 感谢课题组的刘增永同学，浙江五洲工程咨询公司的郑尔康高级工程师、边晔飞高级工 程师，建筑丁程学院的钱晓倩教授、张泉芳老师，分析测试中心的何黎平老师，以及生物系 统丁程与食品科学学院的谢圣、周秋娟、裘涛、陈恩光、袁耀辉、何超、楼庆庆、胡朋杰、 李晓丽、邵咏妮等同学在试验中的帮助i 感谢德育导师谢新字教授! 同时感谢为我讲授博士生课程的丁皓江教授、凌道盛副教授、 李淑敏副教授等! 还要感谢建工学院研究生科的葛盈辉、陆强、张玉红、刘涛涛等老师为我 付出的辛勤劳动! 感谢我的亲人和朋友多年来对我的关爱和支持! 最后，感谢评阅此学位论文和出席论文答辩会的各位专家和学者，感谢他们在百忙之中 给予的指导! 浙江大学博士学位论文 含腐殖酸软土的加固研究邵玉芳2 0 0 6 年1 月 1 1 引言 第1 章绪论 使用添加剂改善土壤的工程性质已有几千年的历史，至少在5 0 0 0 年前人类就已经用 石灰和火山灰来固化土壤。但是直到第二次世界大战以后土壤固化这个概念才被广泛接受。 如今，在美国、德国、日本等国已普遍使用石灰、石灰粉煤灰、普通硅酸盐水泥以及新型 土壤固化剂等材料进行土壤固化。这主要有两方面的原因，是传统骨料的短缺，比如美 国每年的公路建设需消耗掉一半的粗骨料，而且近几年，由于粗骨料的开采受环境及地域 等的限制，原来有足够骨料的地区也已出现严重缺乏，更不用说其它原本就缺少粗骨料来 源的地区，粗骨料的价格提高大大增加了公路造价及维护费用，于是人们开始寻找更经济 的材料来替代传统粗骨料，比如固化土；二是石油的阶段性短缺引起了能源危机，对工程 项目不但要考虑它的造价还要考虑它的能源消耗，有一项研究显示，在公路建设中，处理 碎石、混凝土所消耗的能量占公路建设总能耗的3 0 9 0 ，而如果采用固化技术，将石灰、 水泥、沥青及其它的固化剂作为粘结料，则材料生产、处理和施工的能耗将大大减少，从 而降低公路的总造价。 壤固化剂在很多国家已被当作一种成熟的地基加固材料来应用。我国在2 0 世纪9 0 年代初引进土壤固化剂，已大量应用于公路、铁路、水利、石油化工等地基处理工程中。 目前，土壤固化剂已从单一的石灰、水泥等材料向复合多效型发展。土壤固化剂一般 由多种无机和有机材料配制而成，与土壤混合后通过一系列物理化学反应。可产生胶结土 粒、填充孔隙等作用，大大改善土壤的强度、耐久性等工程性质。土壤固化荆不仅能有效 地固化粘土、细砂、淤泥等各种土质，还可用于生活垃圾、泥浆及工业粉尘等废弃物的固 化。 土中的有机质是指土中各种动植物残体和微生物及由它们的生命活动所产生的物质 的总和。有机质能进入土体结构的层间空隙中而导致土体膨胀，从而导致土的剪切强度和 渗透性降低。土壤有机质的含量与气候、地形地貌、植被、耕作方式和成土母质等因素有 关。有机质最初聚集在表土中，但由于自然因素和人类活动等，使得成层分布的深层土中 也可能富含有机质，如海相沉积土、泥炭土等。在我国南方地区，软土分布范围，而且 常含有机质。在土壤固化剂技术应用的实践中，人们发现士中的有机质对加固效果产生很 大的影响，1 9 9 3 年全国深层搅拌法会议以后，工程界把“对有机质类土的水泥土特性”作 为进一步研究的课题。 1 2 土壤固化的研究现状 土壤固化方法加固地基的研究已有三十多年的历史，取得了许多实践经验和理论成 果，大致有两个方向：一是加固各种类型土壤的固化材料及配方的研究；二是固化土的性 质和本构模型的研究。 第1 章绪论 1 2 1 固化材料及配方的研究 美国是土壤固化技术最发达的国家，得到了政府的很大支持，美国阿拉斯加、印弟安 那、明尼苏达等州都出版有关于适用于本州土类的土壤固化手册，介绍土壤固化方法、材 料、旋工规范等，认为土壤固化的方法具有工期短能耗低的优点，应大力推广应用。美国 陆海空军司令部在1 9 9 4 年出版了一份报告专门介绍土壤固化的材料、适用条件及施工方法 等；美国石灰协会( 2 0 0 1 ) 在一项研究报告中指出用石灰固化土壤是一种既经济又省时的 方法，并详细论述了石灰固化的原理、特点、适用范围、施工注意事项等；美国化学和物 理地基加固委员会主席、加州大学教授b r a j am d a s 在其负责的委员会2 0 0 4 年的会议中撰 文，将土壤固化方法分为化学和物理两大类，论述了各自的适用领域、固化方法、材料等， 并对土壤固化技术的未来进行展望，指出今后应着重研究更好的固化剂产品和物理加固方 法，新的、快速的、更好的固化土测试方法，再生材料的环境安全研究等。 由于土壤固化方法的诸多益处，涌现出了大量的研究成果，如o s u l ad o a ( 1 9 9 6 ) 比较了经石灰和水泥固化的细粒牯性土的性质，发现石灰的掺入比对固化土的短期和长期 强度的影响都比水泥掺入比大，说明水泥水化产物对固化土强度增长贡献不大，因此建议 在使用石灰水泥固化时，水泥掺入比不必太高；s h i h a t as a b r y a ( 2 0 0 1 ) 等研究了浸于海 水中的水泥土的长期强度和耐久性；o m a rs a e e db a g h a b r a ( 2 0 0 2 ) 使用水泥和石灰分别固 化s a b k h a 粘土，结果表明水泥的固化效果较好，特别是在土样的含水量较高时：s i v a p u l l a i a h p v 等( 2 0 0 3 ) 用2 0 的斑脱土加固印度红壤( 主要成分是石英和高岭石) 再掺入1 的石 灰或水泥以提高红壤的强度，水泥固化土的早期强度较大，而石灰固化土的后期强度较大； n a s a ( 2 0 0 4 ) 用石灰来固化机场跑道、公路、街道、停车场等的基层和底基层，研究得 到石灰能提高细粒士的可塑性及体积变化特征，但对土体强度、应力一应变关系和疲劳特性 等并不都起作用，土壤种类、石灰类型和比例、养护条件等对石灰固化土的影响很大，而 且这些因子之间还存在互作效应；b a h a rr 等( 2 0 0 4 ) 研究了用作阿尔及利亚民居建造的 廉价材料一水泥固化土的性质。 除了对水泥和石灰这些传统固化材料的研究之外，还有对各种新型固化材料的研究， 如r o s ew r i g h tf o x 等( 1 9 9 3 ) 对两种酶固化剂和水泥做了对比试验，酶类固化剂在提高固 化土的抗剪强度方面具有优势，但水泥固化土抗水性更好：s a e i dg i t i p o u r ( 1 9 9 7 ) 等在水 泥中加入亲有机质的斑脱土来固化污染土中的有毒芳香有机质，并用x 射线衍射来分析固 化后的结构，证明这静变性后的斑脱土可用作水泥固化土的添加剂；t i n g l ej e bs 等( 2 0 0 2 ) 采用1 2 种非常规固化剂，其中有：酸、酶、木质素磺酸盐、沥青浮剂、聚合物和树脂类物 质，与常规材料水泥和石灰，在同样的掺入比、压实和养护条件下进行对比试验，结果表 明有些非常规材料制成的固化土其强度显著高于水泥和石灰固化土，而有些则不明显，大 多数非常规材料固化土抗水性不好，而有几种却呈现出极好的抗水性，并提出了分别适用 于加固低和高塑性土的材料种类；k e n t n e w m a n 等( 2 0 0 4 ) 也提出使用聚合乳剂、酸、木 质素磺酸盐、酶、树脂等非常规物质作为固化剂，并选用了6 种聚合乳剂与水泥进行对比 试验，结果表明2 7 5 聚台乳剂固化土的2 8 d 强度相当于9 7 1 c 泥掺入比的水泥固化土，且 其饱水强度更高：s e a nw m o m f i e l d ( 2 0 0 4 ) 针对军事用道路需要快速施工的要求，在含 浙江大学博士学位论文含腐殖酸软土的加固研究邵玉芳 2 0 0 6 年1 月 有锌、铝、铁的固化土中，施加直流电以加速金属物质水化凝胶的形成，使固化土的强度 迅速达到2 0 0 0 p s i 。 由于土壤固化的目的之一是获得廉价的建筑材料，因此对于利用各种废料固化土壤的 研究非常多，最多的是粉煤灰。s e i s h it o m o h i s a 等( 2 0 0 0 ) 使用粉煤灰来硬化泥浆获得了 较好的效果，c a o 和s 0 3 含量高的粉煤灰其固化土强度晟高，细颗粒的粉煤灰固化强度较 低，并指出对固化土强度作出贡献的物质是钙矾石及水化硅酸钙的混合物；b y u n gs i k ( h u n 等( 2 0 0 0 ) 进行了f g c ( f l ya s h g y p s u m 、c e m e n t ) 固化剂加固土的研究，提出了三种 材料的最佳配合比，并进行了固化土的s e m 研究，认为s e m 照片中显示的针状水化产物 对高含水量和高有机质含量的土有着重要意义；h e i k k ik u k k o ( 2 0 0 0 ) 进行了利用无机工 业废料加固粘土的试验研究，认为加固土的强度与水粘结剂的比率有关，加温处理能加快 试验进程，温度在6 0 0 是适宜的；h i l m il a ya ( 2 0 0 0 ) 等用火力发电站的粉煤灰分别与水 泥和石灰混合用于土的固化对固化土作了微结构、化学、矿物学等的分析，发现两种固 化剂的加固效果几乎相同：a i r a w a sa m e r a l i 等( 2 0 0 2 ) 用四种工业废料来改善膨胀土的 膨胀性和塑性，得出固化土体的离子交换能力咀及钠离子和钙离子的数量可作为固化效果 的指示剂。其它还有关于淤泥等废土固化的研究，如s h a hh s i n y u 等( 1 9 9 8 ) 对工程开挖 废土固化后用作填料的研究：t a k a s h it s u c h i d a ( 2 0 0 1 ) 等把在港口和河道清淤中开挖出来 的淤泥进行固化，既提供了海滨地区建筑材料的短缺，叉解决了淤泥对环境的污染。 在国内关于水泥土的研究较多，也较深入，比如：黄新等( 1 9 9 4 、1 9 9 5 ) 认为水泥 土的固化机理应从土质学和水泥化学两个角度加以研究，水泥土的强度主要来自水泥水化 所产生的水化硅酸钙( c s h ) 等水化物的胶结作用，而钙矾石( a f t ) 的作用却是不确定 的，c s h 和a f t 生成量的多少，受到土体本身以及掺入的固化剂两方面的影响；高国瑞 等( 1 9 9 6 ) 通过现场和室内试验研究了水泥土的宏观和微观特性，分析了水泥固化软土的 作用机理，认为水泥和软士的作用与混凝土有所不同，由于不同的粘士矿物所消耗的水泥 量不同，园此软土的成分在确定水泥的掺量时，有着很重要的作用，固化蒙脱土等需消耗 钙离子较多的土类时，易补充能提供钙离子的材料；童小东( 1 9 9 8 ) 研究了加入各种添加 剂的水泥土的性能，认为木质素磺酸钙、石膏和三乙醇胺等对水泥土的强度有增强作用， 并建立了一个水泥土的损伤模型；裴向军( 2 0 0 0 ) 认为水泥土强度的构成主要为：土的原 有结构与成分、级配改良、水泥硬化、硬凝反应，其中水泥硬化对强度的贡献最大，比较 了水泥土和混凝土加固机理的差异，分析了几种外掺剂的作用机理，认为硅粉一木质素磺酸 钙、粉煤灰、水玻璃磷酸氢二铵是较理想的外掺剂，通过正交试验比较了几种外掺剂对水 泥土强度的影响，对水泥土抗压强度的影响从大到小为：水泥掺入比、硅粉、木钙耢，抑 制膨胀率的效果从大到小为：硅粉、水泥掺入比、木钙粉；彭波等( 2 0 0 1 ) 系统研究了液 体国化蠢加固土，分析了强度形成机理：张海燕等( 2 0 0 3 ) 通过几种固化剂固化渠道，用 击实性能、无侧限抗压强度、水稳定性、冻融等指标比较了不同固化剂固化土壤后的性能 变化。 由于水泥土对某些土质固化效果不尽理想，因此出现很多关于水泥土外掺剂的研究， 如沙爱明等( 1 9 9 8 ) 研究了硫酸钠对固化土强度发展和体积变化的影响：李剑等( 2 0 0 0 ) 对几种水泥土外掺剂进行试验，得出外掺剂具有改良土料的级配、促进水泥水化、促进土 3 第1 章绪论 粒团粒性、增强土粒间的连结和降低土粒中孔隙水等作用，从而提高水泥土的强度；叶青 等( 2 0 0 1 ) 针对水泥固化土中水化硅酸钙凝胶结合不够紧密的缺点，提出掺入1 一3 的纳 米s i 0 2 来提高水泥固化土的力学性能；聂贵平等( 2 0 0 2 ) 、资建民等( 2 0 0 3 ) 研究了几种 外加剂对湿塑性水泥土的增强作用，并研究了其固化机理。 除了传统的水泥土外，国内也有许多关于新型土壤固化剂的研究，如粱文泉等( 1 9 9 5 ) 研究了g a 剂固化土的物理、化学及力学性质，并分析了其固化机理：韩苏建等( 2 0 0 0 ) 研究了s r 固化剡的物理力学性质，探讨了固化土用作渠道防渗材料的可行性；汪益敏等 ( 2 0 0 1 ) 用i s s 固化剂加固粉土质砂和砂质低液限粉土，确定了固化剂的最佳用量，分析 了加固土的水稳性、养生条件等对强度的影响，对加固土的强度形成机理作了初步探讨； 黄晓明等( 2 0 0 2 ) 研制了t r 土壤固化剂，并在同样的掺入比、含水量、温度、养生等条 件下将固化剂与石灰、水泥迸行比较研究，认为t r 固化剂具有较强的实用价值和应用 前景；黄维蓉等( 2 0 0 3 ) 研究了0 型土壤固化剂稳定碎石土的强度、物理力学性质，认 为适合用作路面基层材料：贾海红等( 2 0 0 3 ) 用h a s 土壤固化剂固化粉砂土，改善了其防 渗性能：贺行洋等( 2 0 0 3 ) 认为由化学作用力而形成同相接触是提高粘土体系强度的关键 技术，认为化学固化时，可通过调整溶液成分来增强固化作用，如提高土孔隙水溶液的阳 离子浓度，特别是引入高价阳离子如f 一、c 矿，可使粘表亟 电位降低，扩散层减薄， 颗粒之间的距离缩短。 国内也较多关于将工业废料作为固化剂添加材料的研究如黄新等( 1 9 9 4 、2 0 0 1 ) 研 究了工业废石膏在地基加固中的适用条件及加固机理；邓安等( 2 0 0 0 ) 从无侧限抗压强度、 渗透系数、压缩模量、三轴抗剪强度、静荷载试验等方面来比较含工业废料的固化剂与 水泥固化土的固化效果，结果表明其工程性质相似，给出了工业废料固化土无侧限抗压强 度随时间增长的表达式，讨论了工业废料胶结料加固软土地基的机理；f e n gt a o - w e i ( 2 0 0 1 ) 用较低水泥掺入比来固化巯浚淤泥用作地基填料，通过固结试验和压缩试验来研究这种固 化土的性质，其压缩和固结特性表明这种固化方法可以用于中低荷载下的地基填料以及需 要快速施工的地基处理工程中；李玉华等( 2 0 0 2 ) 将工业废石膏掺入石灰、粉煤灰石灰、 粉煤灰、粘土中提高了固化土的早期强度，降低了干缩性：万百千等( 2 0 0 2 ) 研究用固硫 渣复掺碱性激发剂制作成土壤固化剂，经试验在掺量适当控制下是可行的。 总之，关于固化材料及配方的研究有着广阔的前景，在美国、日本等国已较为成熟， 已研制成了针对不同土类的系列化产品。如：美国的r o a d b o n d 、s o i lr o c 、 e a r t h z y m e 、b a s e s e a l 等；日本世纪东急= l 业株式会社的土体安全剞、u k c 公司的 士体固化剂、住友株式会社的土体固化剂；加拿大的c b r - p l u s 、b cs t a b i l i z e r 、r o a d p a c k e r p l u s ；南非的1 s s 、s u p e r s o l ：澳大利亚的a u s t w i d e ；希腊的e c o c r e t e ；荷兰的f r i s o l 、 p r o b a s e ；韩国的c o n d o r s s 等。 国内在近十年来也先后有十多家科研机构和大专院校对土壤固化荆开展了研究，如北 京大学、浙江大学、同济大学、武汉水利电力大学、武汉工业大学、北京建工学院、山东 大学、中国建筑材料科学研究院、铁道科学研究院等。具备生产土壤固化剂能力的厂家有 北京奥特赛特科技发展有限公司、上海五科新型建材发展有限公司等单位，通过考察论证， 反复试验，与大专院校科研单位合作等，逐步实现了该技术的国产化，形成了一定规模的 渐江大学博士学位论文 含腐殖酸软土的加固研究邵玉芳2 0 0 6 年1 月 生产能力和品牌产品，主要固化剂产品有：a u g h t s e t 、g b 、s n 2 0 1 、n c s 等系列。应用土 壤固化剂的实际工程有：北京中南海湖底淤泥固化、北京昆玉河治理、山西太原森林公园 湖底淤泥固化、山东临沂灌溉水渠、京沪高速铁路路基填料改良试验、天津大港公路路堤 填筑、天津新港开发区围海造田将固化剂固化淤泥用于围堤材料、四i l 成雅公路k 9 2 + 8 0 0 段路基填筑、资( 阳) 资( 中) 公路k 2 7 + 6 5 9 7 5 0 段用固化碎石土作路面基层，珠海某工 程采用固化剂作深层搅拌桩等。另外，目前国内有海堤工程全面采用固化剂作地基处理及 改良淤泥土为海堤填料的室内外试验正在进行。 1 2 2 固化土力学性质和本构模型的研究 固化土与混凝土、原状土等相比具有特殊的力学性质，如：彭皖生( 1 9 9 8 ) 通过室内 试验得出：水泥土的粘聚力c 值是原状土的2 4 3 1 2 倍，内摩擦角是原状土的7 9 6 3 0 倍， 水泥土抗剪强度提高在前期最显著，其2 8 d 抗剪强度为9 0 d 的8 0 以上，水泥土直剪试验 的内摩擦角较三轴试验的大；张家柱等( 1 9 9 9 ) 经过试验研究得出水泥土的抗剪强度随水 泥掺入量和龄期的增长而提高，而内摩擦角变化不大( 2 0 。2 8 。) ，主要是粘聚力的提高； 梁仁旺( 2 0 0 1 ) 通过试验研究得到水泥土随着水泥掺入比提高有向脆性发展的趋势，从试 验所得的应力应变曲线中，可知水泥土峰值应力对应的应变小于1 ，而一般土体的峰值 应变大于3 ；曹永琅等( 2 0 0 2 ) 通过试验得到水泥土7 d 和2 8 d 强度分别为9 0 d 标准强度 的三分之一和三分之二左右，1 8 0 d 的强度比9 0 d 时又能增长2 8 一3 5 ，而1 8 0 d 后强度增 长仍末终止，因此9 0 d 标准强度，隐含了大于1 3 的安全系数，还发现水泥土在1 0 2 o 的应变时就发生破坏；陈廷等( 2 0 0 2 ) 推导了在不同尺寸和边界约束条件下，水泥土长( 立) 方体试件抗压强度的理论计算公式，并进行了试验验证，认为长( 立) 方体试件尺寸和上、 下受压边界条件对水泥土试件抗压强度均有一定影响，圆柱体水泥土试件强度高于立方体 试件强度，且水泥土试件尺寸越大，强度越低。 岩土材料的本构模型研究，对固化土的研究也很重要，如郑颖人等( 2 0 0 0 ) 在广义 塑性力学讲座中认为，经典塑性力学由于受制于传统的塑性势、关联流动法则和不考虑 应力主轴旋转的假设难以反映岩土材料的变形机制，而广义塑性力学放弃了这些假设，采 用分量理论，由固体力学原理直接导出塑性公式，既适用于岩土材料，也适用于金属材料， 并详细讨论了广义塑性力学中屈服面和塑性势面的对应关系以及岩土材料的三类屈服面的 基本特征，提出了能考虑剪胀与剪缩的体积屈服面和应力l a d e 角靠方向的剪切屈服面， 指出在广义塑性力学中不必采用硬化定律，就能得出塑性应变增量与应力增量的关系，给 出了求解弹塑性矩阵的方法，提出了广义塑性力学的加卸载准则，该准则能准确判断各应 变分量的加卸载状态，方便地应用于数值分析，提出了基于广义塑性力学的土的本构模型， 通过试验，确定了硬化压缩土和硬化剪胀土的屈服条件与计算参数；y a oy a n g p i n g 等 ( 2 0 0 0 ) 推导出一个应力张量，将拉丁准则与剑桥模型结合起来，新模型可以很好地模拟 土壤在三轴压缩、平面应变、真三轴以及空心圆柱体下的排水和不排水剪切特性，应用拉 丁准则，可以方便地将第三不变量加入到只有第一和第二应力不变量的弹塑性模型中： k i y o n o b uk a s a m a ( 2 0 0 0 ) 等在一系列标准固结试验、不排水三轴试验的基础上，建立了基 于极限状态理论的轻型水泥土应力应变模型，得出破坏状态可以由粘结平衡、孔隙率和应 5 浙江大学博士学位论卫 舍腾殖酸软土的加固研究邵玉芳2 0 0 6 年】月 生产能力和品牌产品，主要固化剂产品有：a u g h t s e t 、q b 、s n 2 0 1 、n c s 等系列。应用土 壤同化剂的实际工程有：北京中南海湖底淤泥固化、北京昆玉河治理、山西太原森林公园 湖底壮混固化、山东临沂灌溉水渠、京1 垆高速铁路路基填料改良试验、天津大港公路路堤 填筑、天津新港开发区酮海造田将同化剂固化淤掘用于围堤材料、四门i 成雅公路k 9 2 + 8 0 0 段路基填筑、资( 阳) 资( 中) 公路k 2 7 + 6 5 9 7 5 0 段用固化碎石土作路面基层珠海某工 程采用固化剂作深层搅拌桩等。另外，目前国内有海堤t 程全面采用固化剂作地基处理及 改良淤泥土为海堤填料的室内外试验正在进行。 1 2 2 固化土力学性质和本构模型的研究 固化土与混凝土、原状土等相比具有特殊的力学性质，如：彭皖生( 1 9 9 8 ) 通过室内 试验得出：水泥土的粘聚力c 值是原状土的2 4 3 l2 倍，内摩擦角是原状土的79 - 6 30 倍， 水泥土抗剪强度提高在前期最显著，其2 9 d 抗剪强度为9 0 d 的8 0 以上，水泥土直剪试验 的内摩擦角较三轴试验的太；张家柱等( 1 9 9 9 ) 经过试验研究得出水泥土的抗剪强度随艰 泥掺入量和龄期的增长而提高，而内摩擦角变化不大( 2 0 。一2 8 。) ，主要是粘聚力的提高： 粱f - 旺( 2 0 0 1 ) 通过试验研究得到水泥土随着水泥掺入比提高育向脆性发展的趋势，从试 验所得的应力应变曲线中，可知水泥土峰值应力对应的应变小于i ，而一般士体的峰值 应变大于3 ；曹永琅等( 2 0 0 2 ) 通过试验得到水泥土7 d ，和2 8 d 强度分别为9 0 d 标准强度 的三分之一和三分之二左右，1 8 0 d 的强度比9 0 d 时又能增长2 8 3 5 ，而1 8 0 d 后强度增 长仍末终止，因此9 0 d 标准强度，磅岔了太干13 的安全系数，还发现水泥在1 0 - 20 的应变时就发生破坏：陈鞋等( 2 0 0 2 ) 推导了在不同尺寸和边界约束条件下，水泥土长( 立) 方体试件抗压强度的理论计算公式，并进行了试验验证，认为长( 立) 方体试件尺寸和上、 下受压边界条件对水泥土试件抗压强度均有一定影响，圆柱体水泥士试件强度高于立方体 试件强度，且水泥七试件尺寸越大，强度越低。 岩土材料的本构模型研究对固化土的研究也很重要，如郑颖人等( 2 0 0 0 ) 在广义 塑性力学讲座中认为，经典塑性力学由于受制于传统的塑性势、关联流动法则和不考虑 应力主轴旋转的假设难以反映岩土材料的变形机制，而广义塑性力学放弃了这些假设，采 用分量理论，由固体力学原理真接导出塑性公式既适用于岩土材料也适用于金属材料 并详细讨论了r 义塑性力学中屈服面和塑性势两的对商关系以及岩士材料的三类屈服面韵 基本特征，提出了能考虑剪胀与剪缩的体积屈服面和应力l a d e 角如方向的剪切屈服面， 指出在广义塑性力学中不必采用硬化定律，就能得出塑性应变增量与应力增置的关系，给 出了求解弹塑性矩阵的方法，提出了广义塑性力学的加卸载准则，该准则能准确判断各应 变分量的加卸载状态，方便地应用于数值