，，，，

(1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.南通市公路管理處，江蘇 南通 226000;3.啟東市交通運(yùn)輸局，江蘇 啟東 226200)

1 研究背景

隨著沿海城市建設(shè)及對(duì)外開放的需要，圍海造陸已經(jīng)成為沿海工程建設(shè)和海岸開發(fā)中的重要組成成分。臨海省高等級(jí)公路應(yīng)江蘇省沿海開發(fā)需要而建，沿線經(jīng)過連云港、鹽城和南通3市，全長(zhǎng)526 km，臨海而建，直接服務(wù)于灘涂開發(fā)、農(nóng)業(yè)示范區(qū)建設(shè)和港區(qū)發(fā)展。臨海高等級(jí)公路南通段地處軟土地基區(qū)域，路基填筑存在3大問題：①南通段地勢(shì)平坦，河塘水系發(fā)達(dá)，土源嚴(yán)重匱乏；②可供選擇的填料少；③從外地購(gòu)?fù)猎靸r(jià)高，運(yùn)費(fèi)昂貴，也不符合保護(hù)有限農(nóng)田耕地的原則。因此，本著“就地取材、變廢為寶”的原則，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的角度出發(fā)，利用吹填海砂資源，輔以必要的工程改性措施，是臨海高等級(jí)公路路基填筑的技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、環(huán)境友好的新思路。

海砂土黏粒含量少，黏聚力小，一般工程性能較差，容易受到雨水沖刷而導(dǎo)致路基破壞。國(guó)內(nèi)外學(xué)者均對(duì)固化土開展過研究，劉瑩等[1]采用水泥作為固化劑，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)及相關(guān)測(cè)試，對(duì)吹填土的固化效果進(jìn)行了分析，揭示其加固原理。劉科等[2]采用摻加單一水泥或生石灰的方式，通過大量室內(nèi)試驗(yàn)得到不同條件下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，并分析到低配比下的單一水泥土強(qiáng)度差于同比例摻量的石灰土強(qiáng)度。 Tomohisa等[3]提出用混凝土粉末、紙漿渣、粉煤灰和火山灰土加固處理含水量高和有機(jī)質(zhì)含量高的土壤。Zalihe等[4]用粉煤灰和石灰來(lái)固化含有石灰質(zhì)的膨脹性黏土。朱志鐸等[5]通過不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)對(duì)變摻量、變齡期條件下粉土及其穩(wěn)定土的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：粉土及其穩(wěn)定土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要為軟化型，固化劑在改善粉土凝聚力方面起了很大作用。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，本文著眼于在海砂土吹填后不久使用石灰、水泥等固化劑進(jìn)行固化處理。在室內(nèi)利用不固結(jié)不排水剪切試驗(yàn)對(duì)變摻量、變齡期、變含水量、變干密度等條件下吹填砂及其穩(wěn)定土的強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了研究。

2 吹填海砂土的基本性質(zhì)

圖1 顆粒大小分布曲線

海砂土土樣取自江蘇省臨海高等級(jí)公路南通段K114+100，K110+100，K116+000，K119+300四個(gè)具有代表性的取土坑。

2.1 顆粒分析試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)范》[6]，采用篩分法對(duì)土樣進(jìn)行分析，結(jié)果如圖1，粒徑大于0.074 mm的顆粒含量超過50%，屬于粗粒土，且顆粒均小于2 mm，屬于砂類土，因?yàn)榧?xì)粒組(0.075～0.005 mm)含量為45.1%，該土是屬于細(xì)粒土質(zhì)砂。

2.2 界限含水率試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)范》，采用液塑限聯(lián)合測(cè)定儀對(duì)土樣進(jìn)行界限含水率試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.3 擊實(shí)試驗(yàn)

按照J(rèn)TG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)范》，采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀對(duì)土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 土樣基本性質(zhì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 試驗(yàn)設(shè)備和制樣

對(duì)于素土試樣，土樣黏聚力較小，使用對(duì)開模進(jìn)行制樣，并嚴(yán)格控制試樣干密度最大，含水率最優(yōu)。而石灰穩(wěn)定土和水泥穩(wěn)定土則采用高度控制式擊樣器擊實(shí)制樣，制樣前，先將三瓣膜洗凈、擦干組裝好，并在內(nèi)壁和底座內(nèi)壁均勻涂上一層凡士林，再貼上一層塑料薄膜，防止脫模時(shí)試樣損壞。為了嚴(yán)格控制干密度，采用擊實(shí)棒分5層加料進(jìn)行擊實(shí)。

4 吹填海砂及其固化土的三軸試驗(yàn)

4.1 素土試樣的三軸試驗(yàn)結(jié)果

三向受力狀態(tài)能更好地模擬土樣的原始應(yīng)力狀態(tài)，所以采用三軸試驗(yàn)對(duì)海砂土的強(qiáng)度進(jìn)行分析。

根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，土樣的最大干密度為1.61 g/cm3，最優(yōu)含水率為14.5%。素土試樣的UU三軸試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，在不同圍壓條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖2 海砂土三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果

圖3 不同圍壓條件下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)結(jié)果表明，海砂土黏聚力c為6.2，內(nèi)摩擦力φ為36°，破壞峰值不明顯，表現(xiàn)為塑性破壞、應(yīng)變硬化特性。

海砂土塑性小，保水性差，水分散失快。用海砂土填筑路基，即使碾壓成型，但是隨著水分的蒸發(fā)散失，表層土體會(huì)出現(xiàn)松散，在車輛荷載的反復(fù)作用下，易形成較深的車轍，所以固化土的關(guān)鍵在于有效增加海砂土的黏聚力。

對(duì)摻入石灰或水泥等不同無(wú)機(jī)結(jié)合料的吹填海砂進(jìn)行UU試驗(yàn)，以研究在不同摻量、不同齡期、不同延遲時(shí)間、不同含鹽量、不同干密度、不同含水率等條件下的非飽和土體強(qiáng)度和變形特征。

取剪跨比λ為4，軸壓比ηk為0.1，配筋率ρl為0.96%在不同縱筋強(qiáng)度的三種矩形空心墩，縱筋強(qiáng)度分別為464 MPa、507 MPa、542 MPa，進(jìn)行Pushover分析，其對(duì)應(yīng)的能力曲線如圖12所示，由圖12可知，縱筋強(qiáng)度的提高對(duì)空心墩的承載能力有所提高，但空心墩位移延性隨著縱筋強(qiáng)度的提高而減小。

4.2 加固土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特性

水泥、石灰石加固海砂土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4和圖5，試樣的含水量為14.5%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，干密度為1.6 g/cm3。由圖可得：水泥固化土比石灰固化土峰值應(yīng)力大，但當(dāng)水泥摻量增大至7%時(shí)，海砂土的塑性逐漸消失，變得硬脆，破壞峰值也變明顯，隨后殘余強(qiáng)度下降較多。但當(dāng)圍壓增大到300 MPa時(shí)，試樣重新趨于塑性破壞。而石灰的摻入對(duì)于降低塑性效果不大。

圖4 水泥加固海砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 石灰加固海砂土應(yīng)力-應(yīng)變曲線

摻水泥7%和摻石灰7%的試樣破壞形態(tài)如圖6。試樣的含水量為14.5%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，干密度為1.60 g/cm3。由圖可以看出，摻水泥7%時(shí)，試樣呈脆性破壞，45°方向出現(xiàn)剪切破壞帶。摻石灰7%時(shí)，試樣呈塑性破壞，豎向應(yīng)變較大。

4.3 強(qiáng)度特性

4.3.1 干密度的影響

不同干密度試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖7所示。試樣的含水量為14.5%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，干密度分別為1.50,1.60,1.70 g/cm3。摻入水泥和石灰后，海砂土的黏聚力有大幅度提升，內(nèi)摩擦角提升幅度較小。隨著試樣的干密度增大，海砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大，干密度從1.50 g/cm3變化到1.70 g/cm3的過程中，石灰固化土黏聚力增加20.5%，內(nèi)摩擦角增加了5.5%；水泥固化土增加19.5%，內(nèi)摩擦角增加了5.3%。

圖7 干密度對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

圖8 含水量對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

4.3.2 含水量的影響

不同含水量試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖8所示。試樣的干密度為1.6 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，含水量分別為10%,14.5%,18%。由圖可得：隨著含水量的升高，水泥固化土和石灰固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都均勻減小，但水泥固化土的減小幅度更大，含水量從10%到18%時(shí)，黏聚力c值減小32.5%。同時(shí)并未發(fā)現(xiàn)界限含水量的現(xiàn)象。

4.3.3 齡期的影響

不同齡期試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖9所示。試樣的干密度為1.60 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，含水量為14.5%。分別標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7,14,28 d。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，無(wú)論是水泥固化土還是石灰固化土的強(qiáng)度均有提升，但規(guī)律不同，石灰土前期強(qiáng)度增加較快，后期趨于平緩，水泥土則是在14 d以后強(qiáng)度增加較快。

圖9 齡期對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

4.3.4 擊實(shí)延遲時(shí)間的影響

不同擊實(shí)延遲時(shí)間試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖10所示。試樣的干密度為1.60 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，含水量為14.5%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，延遲擊實(shí)時(shí)間分別為0，3，5,7 d。延遲擊實(shí)是指加入石灰或水泥后沒有做到立即擊實(shí)，而是延遲若干天后再做擊實(shí)制樣。隨著延遲時(shí)間的增加，無(wú)論是水泥固化土還是石灰固化土的強(qiáng)度均減小，其中水泥固化土的下降幅度更大，達(dá)到45.4%，而石灰固化土只有33.3%。

圖10 擊實(shí)延遲時(shí)間對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

擊實(shí)延遲造成固化土強(qiáng)度減小的原因是由于混合料在靜置時(shí)間內(nèi)，土和固化劑之間的物理化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)開始，形成了初步強(qiáng)度，有一定的膠結(jié)程度，此時(shí)再對(duì)它擊實(shí)會(huì)使試樣整體骨架結(jié)構(gòu)變松散，造成延遲擊實(shí)成型后試樣強(qiáng)度降低[7]。

4.3.5 含鹽量的影響

土壤含鹽量是指土中所含鹽分的質(zhì)量占干土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。濱海地區(qū)土壤鹽分主要以可溶性氯鹽為主，由于地下水位高且時(shí)常變化，土中鹽類遇水后溶解，經(jīng)過一系列積鹽、脫鹽以及與土體內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)的過程，影響土的物理力學(xué)性質(zhì)，降低土體強(qiáng)度、產(chǎn)生地基溶陷和路基沉降等工程問題。本文針對(duì)不同含鹽量影響固化土強(qiáng)度規(guī)律進(jìn)行了研究。

不同含鹽量試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖11所示。試樣的干密度為1.6 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，含水量為14.5%。含鹽量分別為1%,3%,7%,10%。由圖可得：當(dāng)含鹽量小于3%時(shí)，水泥固化土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均隨含鹽量的增大而增大，當(dāng)含鹽量大于3%時(shí)，黏聚力和內(nèi)摩擦角則隨含鹽量的增大而減小，所以認(rèn)為3%為含鹽量對(duì)水泥土、石灰土強(qiáng)度影響的閾值。

圖11 含鹽量對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

水泥固化土、石灰固化土是在一定的含水量和孔隙率的土中摻入少量的水泥或石灰拌制而成的，因摻量少，土中含水量高，黏土礦物對(duì)Ca(OH)2有一定的吸附能力，故水泥、石灰土中產(chǎn)生的膨脹反應(yīng)的物質(zhì)較少，Ca(OH)2濃度低。另外硫酸鹽濃度較低時(shí)，膨脹生成物的量必然也很少，水泥土中孔隙較多，土粒團(tuán)有較大的可壓縮性，允許一定的膨脹，此膨脹均勻地分布在整個(gè)水泥土中，填滿原有孔隙，孔隙水被排出，有效應(yīng)力增大，有利于土體固結(jié)；同時(shí)膨脹反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹力也不會(huì)超過水泥土自身的黏結(jié)強(qiáng)度，不會(huì)影響其結(jié)構(gòu)特性。所以水泥土強(qiáng)度反而會(huì)增大。換而言之，當(dāng)含鹽量低于某一數(shù)值時(shí)，水泥、石灰土的強(qiáng)度會(huì)隨著含鹽量的增加而增加，當(dāng)含鹽量高于這一閾值時(shí)，水泥、石灰土中會(huì)產(chǎn)生的較多的膨脹物質(zhì)，特別是在工程實(shí)際中存在硫酸鹽類與鎂鹽類同時(shí)作用時(shí)，這樣不僅膨脹量超過土的孔隙體積，膨脹力也大于土自身的黏結(jié)強(qiáng)度，必然使土強(qiáng)度降低甚至破壞[8]。

4.3.6 無(wú)機(jī)料含量的影響

不同無(wú)機(jī)料含量試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角如圖12所示。試樣的干密度為1.6 g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)7 d，含水量為14.5%，而結(jié)合料摻量分別為3%，5%，7%。由圖可得：隨著水泥、石灰摻量的增加，海砂土的黏聚力和內(nèi)摩擦角均增大，水泥土的幅度更大。同時(shí)它們的變化規(guī)律都是在摻量小于5%時(shí)增長(zhǎng)速度較快，而超過5%后增長(zhǎng)速度放緩。

圖12 無(wú)機(jī)結(jié)合料摻量對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響

5 結(jié) 論

以水泥和石灰加固的吹填海砂為研究對(duì)象，通過三軸剪切試驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)度和變形特征進(jìn)行研究，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 海砂土和石灰加固土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要為應(yīng)變硬化型，破壞峰值不明顯；當(dāng)水泥含量超過5%時(shí)，水泥加固海砂土傾向于脆性破壞，破壞試樣有明顯的剪切破壞面。

(2) 無(wú)論是采用石灰還是水泥作為無(wú)機(jī)結(jié)合料，都能有效提升海砂土的黏聚力，改善其工程性能。

(3) 干密度、結(jié)合料摻量、養(yǎng)護(hù)齡期均為固化海砂土強(qiáng)度影響的正相關(guān)因子；含水率、延遲擊實(shí)時(shí)間則為負(fù)相關(guān)因子；含鹽量對(duì)固化海砂土強(qiáng)度有閾值的影響，小于3%含鹽量時(shí)，強(qiáng)度隨含鹽量增加而增加，大于3%時(shí)，強(qiáng)度隨含鹽量增加而減小。

這些規(guī)律可對(duì)海砂土填筑路基工程現(xiàn)場(chǎng)提供技術(shù)幫助，例如控制含水率壓實(shí)，或者是摻石灰或摻水泥后對(duì)延遲時(shí)間的控制等，都能使工程效益達(dá)到最大化。

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