（岩土工程专业论文）固休剂加固软土试验研究.pdf

摘要 本文通过室内试验，研究了新型固化剂a s - 5 0 8 4 、a s p l 5 0 8 4 加固粘土 的无侧限抗压强度变化的规律和渗透特性。根据试验结果分析了不同掺入 比和龄期时a s 一5 0 8 4 、a s p l 5 0 8 4 加固土的强度特性和应力应变关系，并提 出了其强度计算公式和应力应变关系式( 本构关系) ，然后进行了加固土不 同掺入比和龄期的渗透系数变化与水泥土渗透系数的对比分析研究。最后 分析和讨论了饱和粘土的结构性对渗透特性的影响。 第t 章绪论 第l 章绪论 1 1 引言 对于固化剂提高土体工程特性的研究和应用，最早可见于1 8 0 2 年的法国。当时的 法国工程师使用自凝性水泥加固水闸地下基础。此后，用水泥作崮结材料的喷浆注射法 被广泛使用。而对喷注材料的研究电玎始兴起。有高强度、高水化率以及无环境污染自，j 材料被首先采用。随着注入材料的发展，喷浆注射法也成为一种广泛的地基处j 哩方法。 在1 9 6 3 年的国际土木会议上( i c ec o n f e r e n c e ) ，固化剂喷浆注射法也成为了大会讨论 的焦点。之后，有关固化剂材料的选用利工程施工方法，虬及施工效二缸等的研究成为了 固化剂研究的主要方向。 本世纪六十年代以来，固化剂被作为种新型的工程材料，在国外被广泛加以研究。 因用它处理过的土体，具有较高的强度及较小的渗透性，实现了对各种土质的加凼。同 时也由于它比水泥具有更好的经济效益所以被广泛应用于实际工程当中。美国称之为 2 0 世纪的伟大发明，f 1 本称之为2 l 世纪的新型利料。在美、n 、英、韩、德、加、南 非等固的大中型： 程r p ( 包括铁踏、高速公路、机场、水刹工程、港【j 、市政建设等) 得到大量的应1 j ，剧1 - k 7 , 0 住国外的应用u | _ | 趋成熟。 随着我国的现代化建设及市场经济的发展，我闭于九十年代仞也丌始引入国外的高 性能土体固化剂，经铁道、水利、交通质量部门的检查它具有砌化快、强度高、收缩 率小的特点，且造价低廉，极适合于我国的经济建设。目前已在宁夏、青海、山东、广 东、北京等铁路、公路、工程中使j j ，效果良好，并取得了较好的社会、市场、经济利 环保效益。推广固化剂新技术，对于资源优化配置，对j 二节约国家投资，搞好基础建歧， 对于促进经济发展，环保部十分有+ 利。主要表现尢以f 儿点： ( 1 ) 固化剂产业是高科技型产业产品易于生产，使用方便，是建材 3 - , j k 的新型产 业和新的经济增长点。对建筑行业现有的技术设备、科技管理人员和劳动力的转产无苛 刻的要求，属劳动密集型产业，适宜推广应用，对于解决再就业问题具有积极的意义， 受到企业的欢迎。现有一批不景气的建材类论也可转产生产固化剂产品，从而闯出一 条新生之路，这样即可解决企业效益问题又可解决职工的再就业问题，还可以输出技 术和服务，成为新的经济增氏点。 ( 2 ) 固化剂栩料新型实f f _ j ，备地基础建设项日可因地制直，根据工程需要选用相应 的固化剂，就地施工就地固化。即可保障工程质量又可节约资盒。各地可充分利用当地 资源，以建设项目消费拉动生产资料需求，组织产销，积累资木为经济发展提供动力， 实现自我造血刺激生产，建设家园，发展经济。 ( 3 ) 固化剂产品的部分材料足对工业废弃物活化处理而成，可以有效治理排污，使 废物充分利用变废为宝节能节材，且无二次污染，同时有利于环境保护和生态平衡。 ( 4 ) 固化荆对以节水为中心的水利设施挖潜改造，实施节水灌溉，解决干旱缺水， 增产增收，具有积极的意义，受到国家有关农业、水利政策的支持。 ( 5 ) 固化剂的应用对建立以低度消耗资源的节约型国民经济体系，解决我国人均资 源相对不足，保障效益与优化资源配置，合理丌发利用资源，支持可持续发展战略，具 有积极的意义。 重圭主堕坐型垄璺塾圭垡堕堡墨堑江苎鲎塑主芏堡垒墨! 塑! ：兰 综上所述，固化技术应用领域宽，科技含量高，技术成熟生产投入少，具有产品与 市场需求的相容性；具有产品与人类生态学需求的一致性；具有产业框架与资源、环境的 吻合性；其产业构成与国民经济可持续发展战略是协调的。从国外的发展与国内的实践看， 也是具有重大推广价值的新材料、新技术、好项目。直接应用这一先进的技术成果，可实 现技术发展的跨越，把开发新技术、新产品、新产业同市场需求结合起来，符合我国加快 新技术、新产品开发和新产业形成的科技政策；适应企业技术改造，产品结构调整和社会 市场发展需要的总体要求，实现生态效益，经济效益和社会效益的统一。我国地域辽阔， 地质条件复杂，许多建设项目分布在软土和不良地质地区，而固化剂强度高、成本低、高 稳定性以及无污染等优点可以预言，固化剂的应用在我国必有广阔和良好的发展前景。 1 _ 2 固化剂种类和应用 地基土加固的目的是要改善土的变形和强度特性，以适应不同类型建筑物地基的要 求。现正在研究与工程上实际使用的地基加固方法不下几十种。对这几十种方法进行分类， 可归纳为：物理方法：化学方法；物理化学方法以及生物的方法。就发展趋势来说，物 理化学方法最有前途。其能吸取物理的与化学的方法的优点，从本质上改变土的工程性 质。固化剂作为一种新型的路用材料，在国外的目、美、德、加拿大等国已经得到广泛应 用，在国内也逐渐被广大工程人员所接受和认可。从形态上看，固化剂可分为固态和液态 两大类。固态如a s 系列、d l l 型土体固化剂等液态如e n l 型土体固化剂等。 虽然固化剂使用范围较广，但不同的新型固化剂取得的性能价格比是不一样的。充分 发挥固化剂的优点是认真选择固化剂的目的。目前生产出来的固化剂种类很多其改良原 理是有区别的。了解不同种类的土体固化剂作用原理并对不同固化剂通过实验对比是正确 选择固化剂的关键。针对土体而言，为实现和提高其强度的目的所添加的任何材料均可被 看作一种固化材料。下面分别予以介绍。 1 - 2 1 水泥加固土 近几年来，许多学者用室内土工试验的方法较为系统地研究了水泥加固土( 简称水 泥土) 的强度和变形特性及其影响因素，并采用宏观和微观研究相结合的方法探讨了土体 中的矿物成分对水泥土强度的影响。 ( 一) 水泥土无侧限抗压强度( q 。) 变化 已有研究结果表明，水泥土的性质与土体本身的性质、水泥掺入量、外加剂有关。工 程中般采用4 2 5 。普通硅酸盐水泥和矿渣水泥。掺入量一般为a f _ 7 1 5 。水泥土无侧限 抗压强度随水泥掺入量的增加而增加，随龄期的增长而增长。其变形特征随强度不同而介 于脆性体与弹塑性体之间。水泥土受力开始阶段，应力应变关系基本上符合虎克定律。 当外力达到极限强度的7 0 8 0 时其应力应变关系不在继续保持线性关系。当外力 达到极限强度且强度较高时出现脆性破坏，破坏后残余强度很小，此时的轴向应变一般在 0 8 - - - 1 2 ，而强度较小时则表现为塑性破坏。 影响水泥士无侧限抗压强度q 的主要因素有： ( 1 ) 掺入比a t 水泥土强度随水泥掺合量的增加而增大。试验表明，水泥土掺入比a - 小于5 时，固 化反应较弱。水泥土的强度增长率在不同的掺入量区域、不同的龄期时段内是不相同的， 若原状土不同，则水泥土的强度增长率也不同。 一_ _ h _ _ - - - _ _ - - - _ - _ 。一一一 第l 章绪论2 0 0 1 2 ( 2 ) 龄期t 水泥土无倒限抗压强度q 。随龄期的增长而增大，其增长规律不同于混凝土。通过大 量试验研究，龄期2 8 天后强度仍有较大的增长，常选用3 个月龄期的强度作为水泥土的 标准强度。 不同龄期水泥土无侧限抗压强度q u 值之间大致关系如下： q 7 ( 0 3 - 0 5 5 ) q u 9 0 q o ( 0 6 4 8 5 ) q 。 式中q ，一水泥土龄期t = 7 d 无侧限抗压强度值： q 。一水泥土龄期t = 3 0 d 无侧限抗压强度值； q * 一水泥土龄期t = 9 0 d 无侧限抗压强度值； ( 3 ) 水泥标号 水泥土的强度随水泥标号的提高而增长。在掺入比a 相同的条件下，水泥标号每提 高1 0 0 号，水泥土无侧限抗压强度约增大2 0 3 0 。水泥种类对水泥土的强度也有影响。 ( 4 ) 含水量 在掺入比a t 相同的条件下，水泥土无侧限抗压强度随含水量的降低而增大。 ( 5 ) 土中有机质含量 原状土中的有机质会阻碍水泥的水化反应，有机质含量的增高将会明显地降低水泥土 的强度。 除此而外，其他影响因素还有p h 值、温度、养护方式等。 ( - - ) 水泥土加固机理分析 水泥浆( 或水泥粉) 通过机械搅拌与软粘土混合而提高土体强度的基本原理是基于水 泥土中的一系列物理、化学反应。当在软土中通过搅拌掺入水泥后，组成水泥颗粒的矿物 ( 如硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙) 很快与软土中的水发生水解和水化反 应，生成氢氧化钙c a ( o h ) ：、水化硅酸钙、水化铝酸钙及水化铁铝酸钙等化合物，其中 氢氧化钙、水化硅酸钙能很快溶于水中使水泥颗粒表面重新暴露出来，继续与水发生反 应直至周围水溶液达到饱和。水泥的各种水化物生成后有的自身慢慢凝聚、结晶而硬 化形成水泥土骨架，与混凝土的凝结机理类似；有的与周围具有一定活性的粘土颗粒发生 反应。因土料存在的矿物胶体如高岭土、蒙脱土、伊利土等，他们具有带电性、吸收性和 巨大的表面能，必然会与水泥浆的水化物产生离子交换。随着水泥水化反应继续不断地进 行，析出的c a 2 + 离子超过交换需要量，与土料中s i o ：、a 1 2 0 ，进行化学反应，生成不溶于 水的稳定结晶矿物： s i 0 2 + c a ( o h ) 2 + n h 2 0 c a os i 0 2 ( n + 1 ) h 2 0 a 1 2 0 3 + c a ( o h ) 2+ n h 2 0 c a o a 1 2 0 3( n + 1 ) h 2 0 这些重新结合的微结晶化合物依靠比较强的化学键结合，构成结晶网状结构，增加了 土体的强度和水稳定性。也即水泥土加固机理主要表现在水泥的水解和水化反应、离子交 换和团粒化作用、硬化反应。 通过室内试验和实际工程的应用，采用水泥对土体进行改良取得了良好的效果。但在 长期的土体固化工程中，人们逐渐认识到该方法存在明显不足，满足不了工程建设发展的 需要。主要表现在： 量邑宁田化刘加固软土试验研究浙江大学硕士学桩论文2 0 0 12 ( i ) 固化土体受土壤类别限制 水泥对塑性指数高的粘土、裂土、有机土及盐渍土固化效果很不理想，甚至没有固化 作用。 ( 2 ) 干缩较大、易开裂 在“公路路面基层施工技术规范”中提到，水泥土的干缩系数和温缩系数均较大暴露 的水泥土易于干缩和冷缩产生裂缝，此类裂缝的出现导致固化体的抗压强度、抗渗、抗 冻、抗冲刷性能降低。故该规范规定，水泥土被禁止用作高级沥青路面和水泥混凝土的基 层，只能用作底基层。 ( 3 ) 水泥初终凝时间无法调整，影响工程质量 水泥与土体从加水拌和到碾压终了的时间称之为延迟时间。延迟时间除与被固化的土 质有关外受水泥的初终凝时间影响很大。而水泥的初终凝时间是按国家标准执行的，作 为固结砂石的建筑材料，不可能为固化土体而调整初终凝时间。实际工程中有很多工程由 于各种条件限制，在施工时要求有足够的延迟时间束完成各个工序。水泥与土体拌和后 为了保证固化的效果不受损失，要求在3 4 小时的延迟时间内完成养护前的各个工序。 而水泥无法满足这种施工时的需求，导致施工质量受到影响。 ( 4 ) 水泥与土体色泽相近，因难以判别而影响工程质量 实际工程中由于水泥颗粒在湿润情况下与土体颗粒色泽相近若出现没有拌和均匀特 征的灰条或灰团现象，也不易用肉限辨别出来，无法采取补救措施，进而影响工程质量。 1 2 2 石灰糟煤灰( - - 灰土) 加固 近年来，石灰、粉煤灰被公路部门广泛应用于路基层、底基层的稳定处理取得一定 的效果。然实际使用中发现石灰粉煤灰的早强性较差直接影响施工进度和工程质量。 虽采用了许多早强措施，但实际效果并不理想或成本增加，早强性仍然有待解决。另一方 面，由于粉煤灰本身特性，使得二灰土水稳定性差。 单就石灰而言，同样也存在此类问题。如石灰稳定过湿土，因其吸水能力较弱，处理 路基土的压实效果差压实度达到要求较难。石灰与土体形成的固化体强度发展缓慢，进 而影响施工进度。同时，研究表明石灰固化体的强度与石灰的掺入比在一定的范围内成正 比，若提高掺量超出某一范围，则固化体的强度反而下降。如果是一些固化强度要求较高 的工程，石灰则无法满足其要求。此外也由于其干缩大、易开裂、易软化和水稳定性差， 石灰固化土在公路系统被禁止用作高级路面的基层，而只能用作底基层处理。 1 2 3 固化搁种类和选择 通过以上分析，可见采用水泥、石灰、粉煤灰或水泥一石灰对道路基层土体进行稳 定或地基加固，在技术上和经济上均未能获得满意的效果。国内外专家一直在开发探索 新的有效的土体固化剂，即改良土的材料由传统的水泥、石灰、粉煤灰等升级到专门用来 固化土体的固化剂。国外如美国路邦( r o a d b o n d ) 公司的路基强固剂，日本世纪东急工 业株式会社土体安全剂，日本u k c 公司土体固化剂日本住友株式会社土体固化剂等。国 内如北京奥特赛特、北京固邦、海南筑车、北京大学、浙江大学等。目前研制开发或已投 入使用的有n c s 系列、d l l 、e n 一1 、h s 系列、硫酸盐系列、a u g h t s e t 系列( c i 型、b 1 型、 d i 型) 等。 ( 一) n c s 系列 4 第1 幸绪论2 0 0 1 2 n c s 是在水泥、石灰中添加合成的“s c a ”高性能无机增强吸水材料而成的复合固 化材料。由不同细粒土特性配置n c s 基本系列产品，其中n c s 1 适用于塑性指数为1 2 - 2 0 的粘性土；n c s 2 适用于塑性指数为1 5 2 5 的粘性土；n c s 一3 适用于塑性指数为1 0 1 7 的粘性土、盐渍土、黄土：n c s 4 适用于塑性指数为1 8 3 5 的粘土、过湿土、红粘土、 膨胀土、有机土以及湿软地基的处理。近几年来“n c s ”在山东、吉林、江苏、黑龙江、 四川、甘肃、上海、安徽、广西等地大量推广使用受到较好的效果，并形成处理湿软地 基、过湿土路基与路面基层垫层的系列化产品。 根据湿粘土中掺入不同计量n c s 固化材料进行液限、塑限的试验结果，随着固化材 料计量的增加，塑限增加较多，液限有所减少塑性指数降低，即固化材料与粘土拌和产 生物理化学作用，其粘土成分粗粒化微团粒的数量增多，改变了土的粒径成分，使土的 塑限增加几个百分点，增强了土的可压实性，较好的改善了湿粘土的压实条件。以n c s 一4 为蜘，其属于能延迟硬化时间迟硬性结合料这对于现场施工是十分有利的。初期水化反 应引起微团粒增加形成粗粒化有利于压实而取得较高的强度e p n 固土整体强度提高，大大 增强了施工的灵活性。 ( 二) h s 系列 在水泥中加入约1 0 的固化素，复合成了一种新型土体固化剂一h s 软土固化剂( 周 明凯等，1 9 9 6 ) ，其和水泥固化土强度对比见表1 1 。h s 固化土的强度比水泥固化土强 度提高0 3 0 5 m p a ，即在同等条件下h s 固化土强度增长率较大，比水泥固化土强度高 3 0 以上。研究表明，水泥土随含水量增加，强度直线下降，而h s 固化土随含水量增加， 在大于土液限的高含水量区存在一峰值，且各含水量点强度均比水泥土高故h s 固化剂 特别适用于固化高含水的软土。可见，h s 固化剂对软土有较强的固化力用该固化剂固 化的土强度高，水稳性好。 表卜1h s 固化土与水泥固化土主要强度对比 土名中粉质土重粉质土粉质粘土粘土重粘土粉质低液限砂土 含水量( )4 53 4 4 84 36 l5 5 水泥固化土( m p a )0 3 6 30 9 9 0 2 3 2i 3 2 io 1 7 70 8 5 8 h s 固化土( m p a )0 7 3l _ 4 20 7 1 3l7 5 l0 4 9 41 3 6 1 强度增长事( ) 1 0 1, 32 0 73 21 7 95 8 h s 干硬性土体固化剂是一种新型路面基层土体固化材料，主要由矿渣混合料( 矿渣 与固化元素复合) 与石灰粉磨而成【周明凯等，1 9 9 6 ) 。该两者的比例对不同的土质有相 应的比例。如在粘性土中混合料与石灰的最佳比值是1 5 ：1 ；而在砂性土中最佳比值 是1 2 ：l 。h s 干硬性土体固化剂与4 2 5 。矿渣水泥相比，凝结慢( 延迟碾压时间) ，强度低， 但用该材料稳定土则优于水泥。h s 干硬性土体固化剂适用于加固含水状态处在其晟佳含 水量附近的土体。对粘土、砂性土、粒料土都有较强的固化效果，其中对粘性土的固化效 果最好。研究结果表明，h s 固化土与水泥土、石灰土的强度增长规律相似，随固化荆掺 量增加强度近似比例增加。用于路面基层土壤稳定时，板块的整体性好，强度高，不开 裂。 梁伟平等( 1 9 9 8 ) 固化剂以纯水泥或水泥与新型材料的混合料分析了粉喷桩固化剂 新型材料强度的影响因素。水泥采用4 2 5 。普通硅酸赫水泥新型材料的主要原料来源于工 量墨主堕些型翌望塾圭苎壁堡耋塑兰叁芏塑主芏壁堕妻! 塑! ：! 业废料( 上海宝钢粒化矿渣) ，其来源广，批量生产成本低于水泥。试验土样取自上海市西 部地区的第四层灰色淤泥质粘土，其试验结果见表1 2 。从表中可看出在相同的固化剂 掺入比情况下固化剂中新型材料掺入量为6 0 的混合料加固土的2 8 天无侧限抗压强度 是纯水泥加固土的2 7 9 3 _ 3 1 倍。根据试验结果也得到了在相同的固化剂掺入比情况下， 固化剂中新型材料的掺入量为6 0 的混合料加固土的7 天无侧限抗压强度是纯水泥加固 表1 - 2两种加固土的无侧限抗压强度对比表 水泥加固土混合料加固土 水泥掺入比( ) 2 8 ( m p a ) 混合料掺 比( ) fc u 2 8 ( m p a ) 1 008 l o 如d2 3 9 i l1 2l l 删3 3 5 1 2l ，2 2 1 2 - - 6 03 6 4 1 31 3 91 3 q 03 g 1 4l _ 4 51 4 枷4 6 9 1 51 5 l 1 5 6 05 土的2 7 9 3 5 倍，1 4 天无侧限抗压强度是纯水泥加固土的2 6 5 3 1 倍，6 0 天无侧限 抗压强度是纯水泥加固土的2 8 l 3 7 9 倍。他们认为，固化剂中新型材料的掺入量是影 响加固土强度的一个主要因素。在不同的固化剂掺入比情况下加固土的强度随固化剂中新 型材料的掺入量的增加而线性增加说明新型材料的加入对提高加固土的强度有着重要的 作用。其不用于以往在水泥加固土中加入的各种早强剂它不仅能提高水泥加固土的早期强 度，而且后期强度也相对提高。在强度一定的前提下，加固土混合料掺入比要比纯水泥加 固土的水泥掺入比少2 3 ，大大节约粉喷桩加固材料用量。 ( 三) 高含水量粘土固化剂( 水泥+ 石膏) 以水泥为基料，同时掺入石膏等较廉价的外加剂研制出适宜固化高含水量软土且 能降低固化成本的外加剂【刘顺妮等1 9 9 8 ) 。试验用黄色粘土和华新水泥厂生产的5 2 5 普通硅酸盐水泥。从激发固化剂本身强度，调节水泥水化环境等因素考虑，选择了包括石 膏、石灰等外加剂进行强度试验。试验方案及结果见表卜3 。可以看出外加剂均有一定的 增强的作用，但硫酸盐系列较石灰、氢氧化钠碱金属系列效果更好。选择石膏和硫酸钠复 合外加剂，石膏掺量为1 0 - 1 8 ，硫酸钠掺量为1 - - 5 。根据试验结果，当土壤含水量较 高时。在水泥中掺l4 的石膏及3 的硫酸钠，能大幅度提高固化土的强度。在硫酸盐外加 剂作用下，粘土中活性氧化铝能与反应生成针状的钙矾石晶体，从而使土团与水化产物相 互连接，提高稳定土的强度和水稳性。并认为钙矾石晶体的形成使固相体积增加1 2 3 粘土更加密实，这也是硫酸盐外加剂能大幅度提高固化土强度的主要原因。 硫酸盐水泥系列土体固化剂，为固态固化剂，由水泥和石膏、硫酸钠等添加剂复合 而成( 在水泥中掺入廉价高效的化学添加剂，使之更适用于软土地基加固，在相同的掺入 比的条件下，比纯水泥加固土具有更高的强度，是目前固化剂研究的一个方向) 。针状钙 矾石的形成是硫酸盐系土体固化剂能大幅度提高固化强度的主要原因：在原土中掺入少量 硫酸盐水泥系固化剂并加水搅拌均匀后。形成了土、水泥、外加剂和水组成的多相体系。 它们之间相互作用非常复杂，水泥和水相互作用，形成水化产物对土体产生胶结作用，构 成水泥土强度的基本骨架。水泥的水化产物氢氧化钙和土中的二氧化硅及氧化铝之间发生 第l 幸绪论 2 0 0 1 2 水化反应，生成水化硅酸钙和铝酸钙等产物。使土团与水化产物相互连接，增加了稳定土 表卜3试验方案及结果对比 外加剂名称试样编号外加剂掺量( )水泥掺量( )抗压强度( m p a ) 7 d9 0 d c o01 0 01 _ 2 52 2 5 c i59 5l _ 3 62 4 3 石灰c 21 09 0 l _ 2 52 2 3 c 】 2 08 0l _ 1 72 0 6 l c i9 9 1 3 52 4 l 氢氧化钠c s 39 71 4 22 5 l i g 59 61 3 92 4 3 l c 7 69 41 8 43 ，2 5 l c l 1 09 0i 93 ，3 8 石膏g 1 48 6l9 43 4 7 c 1 01 88 2 1 8 43 2 3 c 1 1 l9 91 3 82 4 3 硫酸钠c 1 2 39 71 52 6 7 c 】j 59 51 7 l3 0 4 c 79 31 6 72 9 4 强度和水稳性。在硫酸盐外加荆作用下，使水化产物片状水化产物氢氧化钙转化为针棒状 钙矾石晶体，在体积膨胀的同时，吸收了较多的水分( 转化成了结晶水) 。从而加强了土 体与水泥骨架的连接降低了固化土的孔隙率，大大提高固化土强度和水稳性。 黄新等( 1 9 9 8 利用废石膏和水泥配合加固软土与单纯用水泥加固相比，可显著 提高加固效果。将水泥、石膏与土样拌制成5 c m 5 c m x5 c m 加固土试块，水泥一废石膏简 称为c g 。通过试验认为，无论是固定水泥掺量增加石膏( 增强试验) ，还是固定固化剂 总量以石膏置换部分水泥( 置换试验) 都表明，c g 加固软土的效果优于水泥。采用不同的 水泥、不同的石膏都具有同样的趋势；c g 加固的效果与废石膏的掺入比密切相关，c g 加 固与水泥加固的强度比开始随石膏掺入比的提高而提高，直到石膏最佳掺量，以后随石膏 掺入比的提高而降低：废石膏最佳掺量一般为水泥用量的1 5 - - 3 0 当废石膏在最佳掺量 范围时，强度比为1 3 0 6 ：废石膏最佳掺入比和强度比与土样性质和水泥掺入比有关。 在加固土强度要求相同时废石膏置换水泥量一般为3 0 ，最大可超过4 0 。在加【置i 土强 度试验中发现，c g 在大多数土质条件下能获得较好的加固效果但对不同的土质，其加 固的强度比和石膏的掺入量不尽相同，对有些土质加固效果差，甚至不如单纯用水泥加固 的效果。水泥一废石膏的水化物除有与水泥水化物相同的c s h 外，还含有大量的钙矾石。 在加固土中c s h 主要起胶结土团粒的作用，钙矾石主要是填充土体的孔隙。应是固化剂 的水化物中的钙矾石与c s l l 有恰当的比例以充分发挥各两者自的长处。另外还认为，加 固土孔隙中c o o h 浓度决定钙矾石的形貌和膨胀作用决定了水泥一废石膏的适用性及 量墨主堕些型垄堕些圭苎竺堡塞堑兰苎主塑兰垫丝圭! 塑! ：! 增强效果。加固土孔隙水碱度低时石膏加固效果好。一切影响加固土孔隙水c a o o h 浓度 的因素都将影响c g 的作用效果。土样对c a o o h 的吸收量不同，导致不同土样的加固土 中孔隙水c a o ，o h 浓度的差异，从而决定了水泥一废石膏对不同土质加固的适用性及加固 效果。 ( 四) d l l 型土体固化剂 该类型土体固化剂为水泥、石灰等无机结合材料和化学添加剂复合而成。固化剂与土 体颗粒混合后发生一系列物理化学反应。其中主要矿物硅酸三钙与水化合后形成氢氧化硅 酸钙( c - h - c ) 凝胶，氢氧化钙和活性二氧化硅再次反应。补充生成具有强度的水化硅酸 钙，加强了土体之间的凝结使土层形成有强度的结构物，并且水化反应生成的结晶体使 得固化剂形成的固化土体积增加它有效地填充了土体之间空隙，使得土体之间更加紧密。 同时，固化剂中某些离子也能与土颗粒产生高效的离子交换，使得加固土层内部针状晶体 相互交叉形成独特的链和空间网状结构，改变了固化土中孔径分布。另外，固化剂与水作 用时改变了原土体表面的附着自由水使其重新排列组合大量自由水以结晶形式固定 下来，使土体中的含水量迅速减少土颗粒重新按两端正负荷相互吸引而紧密结合。 ( 五) e n l 型土体固化剂 e n l 型土体固化剂，属液态新型土体固化剂种类。该固化剂为酸基化合物是一种 浓缩的无挥发不易燃的液体筑路材料，具有很强的氧化，溶解能力，并且含有一种自然分 散剂的成分，他能将土体中的矿物质和土体分子分解，使其重新结晶形成金属盐，从而使 土体形成新的矿物化合物并把土体颗粒结合在一起形成土体固化层。同时溶解剂让矿物 离子平均分布在混合物中，以增加一种特殊的引力，并大大减少混合物中的气孔使混合 物达到固化效果。 ( 六) a u g h t s e t 系列 a u g h t - s e t 系列土体固化剂是由北京中士奥特赛特科技发展有限公司开发并应用于 道路工程、水利工程等。在a u g h t - s e t 固化剂中含有成份使固化剂颗粒和土体表面活性化 在永化反应中使固化剂本身比表面积增加了好几百倍即使粒径范围再小的土壤均可固 化。由于激发素的激活作用，使得配制固化剂的原材料范围更加广泛。可以在工程就地取 材，降低固化剂原材料成本和运输成本，降低固化剂的价格。 ( 七) 其他种类 硅酸盐俗称水玻璃。庆科等( 1 9 9 2 】进行了硅酸盐加固粘性土地基的试验研究。通 过大量的灌浆实践经验及室内试验研究，被灌介质强度的增长是一种受多种因素作用制约 的复杂的物理化学过程。除浆材外，被灌地基的土质条件、浆液与土颗粒的结合形式、浆 液的充填程度、时间效应以及灌浆工艺等等都对土体的强度有较大的影响。随着浆液浓度 的增大，土的密实程度以及强度都有所增大和增强。这是由于浆液中的硅酸盐含量增加， 使得硅酸盐在土体中的化学胶凝反应、惰性充填作用以及离子交换作用变得更加充分，加 固效果更加明显。如填充于土体孔隙中硅酸盐凝固以后，其具有不同程度的刚性而能改变 土体对外力的反应机制，使得土体变形受到约束。随着时间的延长，加固土体的强度有增 长的趋势，即加固土体的强度随时问而增长。一般情况下，随着浆液浓度的增加与时间的 延长，加固土体的强度也就越大，但并不意味着浆液浓度越高时间越长越好。从工程整体 利益来讲，必须选择适当的浆液浓度，不然会增加工程的造价而且有可能造成灌浆效果的 降低或失败。试验结果表明，硅酸盐加固土体的强度有较大幅度的提高，幅度在几倍至十 几倍左右。硅酸盐浆液在粘性土中的扩散半径可达o 9 - 1 m 。同时强调，针对不同的土层， 第l 章绪论2 0 0 1 2 应采取不同浆村和灌浆工艺，以确保灌浆的加固效果。 在粘土泥浆中加入水泥和固化剂即粘土固化浆液( 王星华1 9 9 9 ) 。研究所用粘土为 四川名山粘土矿生产的粘土块，水泥为四川峨嵋水泥厂生产的4 2 5 普通硅酸盐水泥。固化 剂b 自己配制，化学成分为一些无机盐，其中：铝酸盐3 & f 一5 0 ；硫酸盐5 2 0 ：硅 酸盐5 一1 5 ：氧化硅l 一l o ；氧化钙1 一1 0 等。粘土固化浆液由粘土、水泥、水 玻璃( 固化剂a ) 、固化剂b 和水组成。用不同配比的粘土固化浆液制成标准试体( 4 o i m x 4 0 硼x 2 0 0 m m ) 水中养护至不同龄期( s e m 研究) 。在浆液中发生的化学反应必将与水泥的 水化反应、水泥与水玻璃的反应、水泥与粘土的反应以及水玻璃与粘土的反应有关，这些 反应组成了粘土固化浆液的一些基本反应但由于又加入固化剂b 粘土固化浆液中发生 的化学反应又于以上反应有所不同。固化剂b 中无机盐所起的晶核与催化作用，使得水泥 水化速度加快，强度上升较快。并认为粘土固化浆液固结过程分两个阶段：第一阶段是水 泥的水化反应吸收体系中大量的自由水，生成不定形胶体，并在粘土颗粒的表面沉积下 来；第二阶段是水化产物不稳定，逐步转变为晶体，晶体长大，相互穿插，充填于粘土颗 粒的空隙之间，使结石体强度不断增长。 1 2 4 固化剂加固地基及施工 ( 一) 固化剂加固地基 固化剂可用于以下地基处理工程中： ( 1 ) 软弱地基改良； ( 2 ) 临时地基加固改良： ( 3 ) 防止打桩机颠覆地基改良； ( 4 ) 护墙护坡基础地基改良； ( 5 ) 涵洞地基改良： ( 6 ) 防止路堤滑动； ( 7 ) 建筑物基础地基改良； ( 8 ) 连续墙地基改良； ( 9 ) 防止冻胀； ( 1 0 ) 挖掘土坡、污泥处理等： 特别近年来固化剂在土木工程中得到了广泛的应用。其主要在以下几方面： ( 1 ) 公路建设 高等级公路路基、乡镇公路、简易公路、施工工她的临时路，加一定比例新型土体 固化剂处理后，可以得到高质量的半刚性路面基层材料，具有稳定性好、强度高、收缩率 小的分布荷载能力加大的优点。这可以减少高等级公路沥青面层厚度，即可大大减少沥青 面层底面所受的拉应力或拉应变使沥青面层不易产生弯拉疲劳破坏，又可大幅度减小土 基顶面所受的压应力或压应变有利于整个路面结构工作在弹性阶段，对保持路面的使用 性能和延长路面的使用寿命都有重要意义。由于半刚性路面具有很多的优点和明显的技术 经济效益，国内外高等级公路越来越多地采用半刚性路面。同时，高等级公路建设过程中， 经常遇到软弱地基，对控制沉降有着重大的影响。 ( 2 ) 铁路建设 铁路路基加一定比例的新型土体固化剂处理后，即可满足工程要求与不加新型土体 固化剂相比，抗压、抗干湿循环、抗冲刷、抗泥化能力提高缩短工期，降低成本，质量 9 量墨主堕些型生堕墼圭! 坚竺堑查堑 正垄茎塑芏些堕墨! 唑! ：! 可靠。 ( 3 ) 建筑软基 用固化剂处理软土地基可代替开挖回填工程，且能达到设计强度。 ( 4 ) 引捧水工程 引水排水工程使用固化剂后，起到防渗作用，且糙率比土渠大大降低，提高输水能力 可增加浇灌能力提高产量。当地土体掺加一定比例固化剂后还可直接制成u 型渠块或板 型材，替代混凝土预制板，降低成本，且满足工程要求。 ( 5 ) 边坡提堰 在河流冲刷严重地区用固化剂处理岸坡，可有效避免河床淤泥抬高带来的隐患。固 化剂固化土体后可达到一定的抗压强度和防渗性能可用来修筑堤坝或其中的防渗部分。 ( 6 ) 淤泥处理 围海工程、清理淤泥工程遇到大量的淤泥，若是采用挖除、回填的方法。成本大，用 新型土体固化剂处理淤泥，有很大的优势，直接可以拌和压实，不用开挖。 ( 7 ) 蓄水工程 在干旱、半干旱缺水地区，修建水塘、水池、水窖、早井等发展就地集蓄雨水工程， 可用土体固化剂过的土体填实或预制成型材衬砌，可替代水泥内衬，降低成本，防渗性能 达到要求。 以上几方面较主要的工程如： 公路广东3 2 4 国道1 4 0 0 m 实验段工程； 银j i i1 0 9 国道6 0 0 m 实验段工程； 铁路朔黄线实验段工程的改良土体及软土地基加固： 京沪高速铁路实验段工程的改良土体及软土地基加固； 水利北京水系治理昆玉段工程中南海清淤工程： 青海节水灌渠示范工程。 ( 二) 固化剂的施工技术及机械 用固化剂加固软弱土壤依其作用深度的不同可分为表层加固施工以及深层加固施 工法。 ( 1 ) 表层加固施工法 表层加固施工常采用散布、摊铺、搅拌、碾压的步骤进行。其施工工艺流程为：土样 化验一固化剂配比设计一场地平整一固化剂散布一混合搅拌一碾压一整形一再碾压一检 验。其常用的施工机械为：土体拌和机，反铲式挖掘机，超湿土体拌和机及浮舟式处理机 ( 后两种用于超软弱地基) 。表层加固的适用深度为o _ 3 1 5 米。而在地基极软弱拌和 机不能行走的场合，可选用超湿拌和机或浮舟式处理机施工法等。 ( 2 ) 深层加固施工法 深层软弱地基加固一般采用注入搅拌施工法或高压旋喷施工法。注入搅拌泥浆式： 加固直径一般0 5 1 0 米加固深度为l 3 0 米；高压喷射搅拌施工：加固直径一般1 2 米加固深度一般为2 3 0 米。 现以粉喷桩为例其工艺流程一般如下图所示： 第1 幸绪论 匦豳 0 圆e 一图 o 圜 。臼圆 匹亟画囹 。 圆 d 圃c 连圃 o 圆 。 圆 圈1 1 粉喷桩工劳流稗示意图 深层地基加固，大规模时多使用地基加固专用机械。小规模时可使用钻机类的小机 械。 1 3 固化剂加固地基机理及特点 1 3 1 固化剂固化机理分析 通过以上分析和简要阐述，固化剂中的水分调节剂能于水分子形成氢键或其他化学 键对水有较强的吸附作用，有利于土体的稳定固化。固化剂中含有的微晶核，通过晶格 配备，可在土颗粒空隙中生成针状结晶体，填充土体缝隙，形成骨架结构。固化剂中高分 子材料通过交联形成三维网状结构，提高土体的抗压、抗渗、抗折等性能指标。通过固化 剂中的固化成分与土粒子的化合、凝结等反应，使多余水分被排除，剩余水分参与固化反 童墨主固幔剖加田软土试验研究渐江走学硕士学住论文2 0 0 12 应而使土体得以稳定固化。 对于粗粒土体而言，由于固化成分的固化作用使土体稳定加固，对于高含水量的细粒 土体而言，由于土体颗粒成分少，空隙水多大量针状结晶的生成，使其形成稳定的骨架 结构。对于淤泥及有机质土壤这种待改良对象水泥、石灰都不能达到满意的效果，性能 优良的固化剂可以提高强度。各种固化剂配合适宜于淤泥等非常土质的添加剂用作软土地 基的改良材料，土体中的多余水分被排出剩余水分参与固化材料的固化作用，可以得到 添加量少而强度高的优良固化效果。同时固化材料与土中的有机成分形成水化反应没有 不固化现象，固化剂可固化工业废弃物、垃圾、有机质淤泥等，防止有害物质析出。即： 化合、反应 软土+ 固化剂粼斗软弱土的加固 图1 2 固化剂固化机理示意图 1 3 2 固化剂加固地基特征 使用固化荆对地基进行加固，有以下特征： ( 1 ) 快干效果 由于固化剂的水化以及土颗粒间水发热反应使土体中的含水量降低，同时粘土颗粒 凝结团粒化，改善土体的稠度，也增大了密实效果。 ( 2 ) 早期强度高 由于以发热反应为主的自硬性成分有效的发挥作用，可确保早期强度，即使在低温状 态下也有较好的效果。 ( 3 ) 膨胀、压实效果 由于快干早强的效果及膨胀吸水作用、自硬作用同时进行。从而改变了土的密实 度。 ( 4 ) 长期稳定效果 由于早强、快千及膨胀效果和活性材料的反应充分而耐久可得到长期稳定性。 ( 5 ) 作业效果 由于快干、膨胀的效果，与原有水泥系列固化剂相比。可以与高粘性土充分搅拌均匀， 得到满意的效果，同时可固化工业废弃物，有机质淤泥，防止有害物质析出。 ( 6 ) 固化剂与水泥、石灰的区别 水泥固化土主要发生砂石的胶结固化，加固软土效果差，对高含水量土体容易收缩 而产生裂缝。用石灰加固软弱土壤，能产生排水效果及一定的改良作用，但土强度提高不 大。而性能优良的固化剂能提高土体的强度达到水泥、石灰不能达到的效果。 ( 7 ) 低廉的价格及良好的经济效益 由于固化剂的价格极低廉，且运输较为方便，而在施工中，因其早期强度大，可缩短 工期，连续施工，基本不需养护且不污染环境，所以能节约工程费用的l o 3 0 。 1 3 3 固化嗣加固地基的特点 对软弱地基添加固化材料并均匀混合搅拌，进行密实处理可以达到使地基加固的目 的，己形成地基化学改良施工法其特点有： 第l 幸绪论 2 0 0 i 2 ( i ) 固化剂适用于各种土质条件的表层、深层土体的改良加固： ( 2 ) 固化强度可以调整，以满足不同工程的要求； ( 3 ) 早期达到的固化强度效果等具备了以前其他方法所不具备的优点和特征； ( 4 ) 在土体固化方面有独特功能和优势，其耐久性与水泥相同： ( 5 ) 具有很高的价格性能比，高效低耗，节约能源和资源； ( 6 ) 无毒无公害无污染是理想的环境保护产品。 1 4 本文所做主要工作 1 4 1 固化剂加固粘土的强度变化规律 试验工作主要包括以下几方面： ( 1 ) 固化剂a s 5 0 8 4 ( 简称固化剂1 ) 在不同掺入比5 、8 、1 0 、1 2 、1 5 、2 0 下其固化土龄期分别为3 天、7 天、1 4 天、2 8 天、6 0 天的无侧限抗压强度试验。 ( 2 ) 固化剂a s p i 5 0 8 4 ( 简称固化剂2 ) 在不同掺入比5 、8 、1 0 、1 2 、1 5 、 2 0 下，其固化土龄期分别为3 天、7 天、1 4 天、2 8 天、6 0 天的无侧限抗压强度试验。 ( 3 ) 水泥在不同掺入比8 、1 0 、1 2 、1 5 下，其固化土龄期分别为3 天、7 天、 1 4 天、2 8 天、6 0 天的无侧限抗压强度试验。 通过该试验目的是测定土体固化剂a s 5 0 8 4 、a s p l 5 0 8 4 加固土的无侧限抗压强度， 来确定其强度参数分析和预测在不同掺入比和龄期时强度的变化规律，并结合试验资料 选择和建立适宜的应力应变关系( 本构关系) ；同时做水泥加固土的无侧限抗压强度试 验，以考察和评价土体固化剂和水泥加固土的效果。 1 4 2 固化剂加固粘土的渗透特性 主要包括以下两点： ( 1 ) 分别做固化剂a s 5 0 8 4 、a s p i 一5 0 8 4 在不同掺入比5 、8 、1 0 、1 2 、1 5 、 2 0 * * 下，其固化土龄期分别为3 天、7 天、1 4 天、2 8 天、6 0 天的渗透试验：水泥在不同 掺入比8 、1 0 、1 2 、1 5 下，其固化土龄期分别为3 天、7 天、1 4 天、2 8 天渗透试 验。 通过试验分析，了解不同固化土在不同掺入比和龄期时的渗透系数变化，为实际工程 提供第一手资料。并结合强度试验资料从整体上评价两种加固土的特性。 ( 2 ) 萧山粘土的渗透特性研究。 根据试验结果分析了原状土和重塑土渗透系数的变化及v i 曲线的变化规律。 董邑宁固化荆加固软土试验研究浙江太擘硕士学位论支2 0 0 1 2 第2 章试样制备及养护方法 2 1 试验所用土样及固化材料 2 1 1 土样 试验所用土样为萧山粘土，其物理性质见表2 - 1 。 表2 - 1土样的物理指标 土样含水量密度比重孔隙比液限塑限塑性指数渗透系数 pd s 【i 】l u pi p k 名称 g l c m c i l t s 萧山 粘土 4 71 7 32 7 2i 34 62 62 07 5 1 0 - b 通过烧灼失重试验测得土样烧灼失重为8 1 ，说明土样所含有机质含量较高。已 有研究成果表明，此含量较高时会影响固化剂对土样的加固效果，降低加固土的强度。 2 1 2 固化材料 ( 1 ) 水泥：4 2 5 普通硅酸盐水泥( 浙江余杭市民丰水泥厂生产) ； ( 2 ) 固化剂：a s 一5 0 8 4 ( 简称固化剂1 ) ； ( 3 ) 固化剂：a s p i 一5 0 8 4 ( 简称固化剂2 ) 。 2 2 试样制备及养护方法 2 2 1 试样的制各工作 ( 一) 无侧限抗压强度试样的制备 l 、制备前准备 首先将土样分小块烘干，然后将干土样粉碎并过2 m m 筛，以除去未粉碎的大颗粒 取过2 r a m 筛孔的土作为试验用土( 备用) 。 2 、试样的掺入比 掺入比a w 是指固化剂( 或水泥) 与湿土重的百分比。结合实际工程，固化剂( 或 水泥) 的水灰比取0 6 ，与水一起加入试样中。根据试验要求，分别做5 、8 、1 0 、 1 2 、1 5 、2 0 六种掺入比下所需的固化剂或水泥质量、干土质量和水的质量。以掺入 比a - = 1 0 为例： 干土：6 0 0 克、 l 4 7 含水量：2 8 2 克 lr 干土： 6 0 0 克 ll 1 0 固化剂：8 8 2 0 克 f = 今 固化剂：8 8 2 克 1l 水灰比o 6 ：5 2 9 2 克l l水：3 3 4 9 2 克 其他掺入比下所需的掺入物含量见表2 2 。试验中严格按照表2 2 中不同掺入比时所需 第2 幸试样劓备及养护方法 的固化剂或水泥质量、干土质量和水的质量进行控制。做土样时分2 3 次。 表2 - 2各种掺入比下所需的掺入物含量表 掺 比固化材料的掺入量 类葑、 5 8 1 0 1 2 1 5 2 0 $ 干土( 克)6 0 06 0 0 6 0 06 0 06 0 06 0 0 固化材料( 克)4 4 17 0 5 68 8 21 0 5 8 41 3 2 31 7 6 4 水( 克)3 0 8 4 63 2 4 3 43 3 4 9 23 4 5 5 03 6 1 3 83 8 7 8 4 3 、试样的制备 试样制备时先将干土和固化剂加到器皿中，用刮刀人工拌和5 1 0 分钟，然后将称 量好的水分四到五次加到混合料中边加水边搅拌再充分搅拌l o 1 5 分钟即可开始 制作试样。将做无侧限抗压强度的模子( 3 9 1 c m x 8 0 0 c m ) 洗干净晾干，然后在其内壁和制 模的底座内壁用刷子均匀涂上一层薄机油，以方便脱模。而对于制作渗透试样的环刀 ( a = 3 0 c m 2 , h = 2 c m ) 将模子净晾干后在