硬化剂对软土地基土壤力学性能影响

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【摘要】主要研究了GS土体硬化剂固化处理软土地基土壤后，GS土体硬化剂掺量和养护龄期变化对加固土力学性能的影响规律。研究发现，GS土体硬化剂能显著提高加固土的无侧限抗压强度、抗剪强度和压缩模量，明显降低压缩系数，能使得加固土在养护早龄期就具有良好的力学性能。

【关键词】加固土；GS土体硬化剂；软土地基土壤；力学性能；应用

1引言

随着地下建筑工程的日益增多，包括水泥等在内的各种土体硬化剂在地基加固处理中已得到广泛的应用和研究[1，2]。为了拓展工业固体废弃物资源化利用领域，针对上海市地质特点和软土地基较多的特点，宝武集团环境资源科技有限公司与同济大学等单位合作开发应用于基础土体和基坑围护工程软土地基土体加固处理用的GS土体硬化剂。该产品以宝武集团工业废弃物为主要组成材料，具有绿色环保、性能优良等特点，是一种综合性能优良的新型土壤固化处理材料。为明确GS土体硬化剂的工程特性，以及其在软土地基加固处理工程中的实践应用效果，急需开展GS土体硬化剂加固处理软土地基土壤的研究。

2试验

2.1原材料

GS土体硬化剂：宝武集团环境资源科技有限公司研发生产的GS土体硬化剂，主要是由宝武集团的多种工业废弃物组成，并辅以少量添加剂而制成。该土体硬化剂性能测试结果如表1所示。土壤：从某工程软土地基取得的淤泥质土壤，水：自来水。

2.2试验方法

按照国家行业标准JGJ/T233—2011《水泥土配合比设计规程》进行GS土体硬化剂固化土壤后得到的加固土性能测试，性能主要包括无侧限抗压强度、抗剪强度、压缩特性等。GS土体硬化剂掺量为土壤质量的8%、10%、13%和16%。考虑加固土工作性能，水灰比固定为1.0。样品制备时，首先将土壤破碎、烘干、粉碎，并筛除5mm以上的大颗粒；然后将土壤、GS土体硬化剂、水等放入水泥胶砂搅拌机中，搅拌均匀为止（一般为10min）；然后按照JGJ/T233—2011《水泥土配合比设计规程》进行样品成型制备，实验室养护48h后，放入（20±1）℃水中养护至规定龄期。

3结果与讨论

3.1GS土体硬化剂对加固土无侧限抗压强度的影响

加固土的无侧限抗压强度是衡量加固土力学性能最基本指标，因此，本文首先研究了GS土体硬化剂掺量变化及养护龄期对加固土无侧限抗压强度的影响，如图1所示。可以看出，无论养护龄期长短，随着GS土体硬化剂掺量增大，加固土的无侧限抗压强度均呈现出逐渐增大的趋势。这表明，GS土体硬化剂能使得加固土具有较高的无侧限抗压强度，且其掺量越大，越有利于提高加固土的无侧限抗压强度。养护龄期也显著影响加固土的无侧限抗压强度，GS土体硬化剂掺量不变的情况下，随着养护龄期延长，加固土无侧限抗压强度也均呈现出逐渐增大趋势；早龄期时的增幅相对较小，而28d以后的增幅较大。养护龄期7d和14d时，加固土无侧限抗压强度随GS土体硬化剂掺量增大而增大的趋势较缓；但养护龄期28d和90d时，加固土无侧限抗压强度随GS土体硬化剂掺量增大而显著增大。这表明，养护龄期有利于提高加固土的无侧限抗压强度，加固土无侧限抗压强度随着养护龄期延长和GS固化剂掺量增大而显著增大。

3.2GS土体硬化剂对加固土抗剪强度的影响

在控制垂直压力固定为300kPa条件下，试验测试了GS土体硬化剂掺量变化及养护龄期对加固土抗剪强度的影响，如图2所示。可以看出，无论养护龄期长短，随着GS土体硬化剂掺量增大，加固土的抗剪强度也均呈现出逐渐增大的趋势。这表明，GS土体硬化剂能使得加固土具有较高的抗剪强度，且其掺量越大，越有利于提高加固土的抗剪强度。养护龄期也显著影响到加固土的抗剪强度，GS土体硬化剂掺量不变情况下，随着养护龄期延长，加固土抗剪强度也均呈现出逐渐增大趋势；早龄期时的增幅相对较大，而28d以后的增幅相对较小。养护龄期7d时，加固土抗剪强度随GS土体硬化剂掺量增大而增大的趋势较缓；但养护龄期14d以后，加固土抗剪强度随GS土体硬化剂掺量增大而显著增大。这表明，养护龄期有利于提高加固土的抗剪强度，加固土抗剪强度随着养护龄期延长和GS固化剂掺量增大而显著增大。

3.3GS土体硬化剂对加固土压缩性能的影响

加固土的压缩性能通常可用压缩系数和压缩模量来评价。GS土体硬化剂掺量变化及养护龄期对加固土压缩系数的影响，如图3所示。可以看出，无论养护龄期长短，随着GS土体硬化剂掺量增大，加固土的压缩系数均呈现出逐渐降低的趋势。这表明，GS土体硬化剂能使得加固土具有较小的压缩系数，且其掺量越大，越有利于降低加固土的压缩系数。养护龄期也显著影响到加固土的压缩系数，GS土体硬化剂掺量不变情况下，随着养护龄期延长，加固土压缩系数也均呈现出逐渐降低趋势。这表明，养护龄期也有利于降低加固土的压缩系数。同时，除了7d和14d龄期的GS土体硬化剂掺量8%的加固土，GS土体硬化剂不同掺量的加固土在各龄期下的压缩系数均小于0.1MPa-1，相比于表2中该软土地基土壤的压缩系数，加固土的压缩系数大幅降低。这表明，GS土体硬化剂能显著降低软土地基土壤的压缩系数，使得固化处理后的加固土表现为低压缩性土体。GS土体硬化剂掺量变化及养护龄期对加固土压缩模量的影响，如图4所示。可以看出，无论养护龄期长短，随着GS土体硬化剂掺量增大，加固土的压缩模量均呈现出逐渐增大的趋势。这表明，GS土体硬化剂能使得加固土具有较高的压缩模量，且其掺量越大，越有利于提高加固土的压缩模量。养护龄期也显著影响到加固土的压缩模量，GS土体硬化剂掺量不变情况下，随着养护龄期延长，加固土压缩模量也均呈现出逐渐增大趋势；14d龄期以后的增幅相对较大。这表明，养护龄期有利于提高加固土的压缩模量，加固土压缩模量随着养护龄期延长和GS固化剂掺量增大而显著增大。综合加固土的压缩系数和压缩模量变化情况可知，GS土体硬化剂能使得软土地基土壤固化处理后的加固土在养护早龄期就呈现出低压缩系数和高压缩模量的特点。

4结论

基于GS土体硬化剂对软土地基土壤固化处理后的加固土力学性能的影响规律研究，可得到以下结论：（1）GS土体硬化剂和养护龄期对软土地基土壤固化处理后的加固土不同力学性能具有显著而又不同的影响；（2）GS土体硬化剂能显著提高加固土的无侧限抗压强度、抗剪强度和压缩模量，明显降低加固土的压缩系数，且掺量越大，作用效果越明显；（3）随着养护龄期延长，加固土的无侧限抗压强度、抗剪强度和压缩模量明显增大，压缩系数降低，且随着养护龄期延长，上述变化越明显。综上可知，GS土体硬化剂可用于软土地基土壤的固化处理，能使得软土地基土壤固化处理后的加固土在养护早龄期就具有良好的力学性能，表现出较高的高无侧限抗压强度、抗剪强度和压缩模量，以及较低的压缩系数。

【参考文献】

【1】张大捷,田晓峰,侯浩波.矿渣胶凝材料固化软土的力学性状及机制[J].岩土力学,2007,28(9):1987-1991.

【2】樊恒辉,高建恩,吴普特,等.水泥基土壤固化剂固化土的物理化学作用[J].岩土力学,2010,31(12):3741-3745.

作者：张沈裔 康明 胡家栋 单位：上海宝钢新型建材科技有限公司