system: [SYSTEM]

user: 4. 土壤固化剂在软土地基方面的研究 软土的含水量高、强度低、灵敏度高，而由软土组成的地基具有承载力低、较易沉降和差异沉降较大、沉降历时长等特点 [ 21 ] ，因此软土地基不能承受较大荷载，否则会因强度较低造成剪切破坏而产生较大沉降。由于软土问题造成工程建设困难、维修成本高等问题日益突出，对软土地基进行处理是极其重要的。 软土地基处理有许多方法，如换土法、挤压法、排水固结、化学加固法等。其中换土法处理软土层厚度在0.5-3m范围内；挤压法需要大量碎石、砂等，尽管能够提高土壤的承载力，但不利于节约资源和生态保护；排水固结法仅适用于饱和软土，而且所需工期较长。以上三种方法就充分利用土壤资源、改良土壤自身性能方面明显不如化学加固法。化学加固法是指利用水泥浆液、黏土浆液或其他化学浆液，通过灌注压入、高压喷射和机械搅拌，使浆液与土颗粒胶结起来，以改善地基土的物理力学性质的地基处理的方法 [ 21 ] 。而采用土壤固化剂对软土地基进行处理就是一种化学加固法。因此，开发针对软土地质的固化剂新材料是世界各国工程技术人员的一个方向和课题。 4.1. 试验研究 试验研究主要是通过室内试验，再结合现场试验等宏观与微观相结合探究不同固化剂在软土地基处理中的固化性能，以及探究影响固化性能的主要因素。需要注意的是，传统固化剂材料由于采用大量的水泥，对环境影响较大，且由于国内建材价格快速上涨等原因使传统加固剂造价较高，故现阶段广大学者都致力于研发可以降低施工成本，且具有绿色环保的新型固化剂。其中，针对新型固化材料的研究主要有以下几个方面： 1)工业废弃物等在软土固化地基处理中的应用研究 Aly Ahmed [ 22 ] 通过将工业废石膏分别加入到水泥固化土和石灰固化土中，发现增大石膏掺量的比例对水泥固化土的抗压强度的提高不利，但对石灰固化土影响几乎没有，由于石膏较低的成本，因此可以应用于软土路基加固中；方祥位等 [ 23 ] 以干排粉煤灰和脱硫石膏两种工业废料为主原料，对北京软土进行固化研究，结果表明该固化剂改良土的工程特性明显优于石灰改良土，该固化剂改良后的土壤最大干密度增大、抗剪强度变高、防水渗透性好，因此可以提高底基层和基层的整体性，有利于避免公路路面产生裂缝；李战国等 [ 24 ] 认为工业废渣能提供膨胀性水化物填充土颗粒间的孔隙，也含有一定碱度，在加固软土方面有其独特的优势，通过试验发现在水泥用量仅占固化剂总量的24%时，其固化土的抗压强度是水泥固化土的2.75倍，该固化剂使废渣转变成“资源”。朱向阳、赵梦凝等 [ 25 ] [ 26 ] 分别探究了在水泥土搅拌桩中使用矿渣水泥和石膏、在粉喷桩中使用高钙粉煤灰等部分替代水泥进行地基加固中的应用，通过室内试验找到最佳配比，经过推算现场水泥土加固的强度及其变化规律、室内模拟施工等方法，朱向阳得出水泥掺量不得低于70 kg/m，才能满足工程要求的结论，赵梦凝确定高钙粉煤灰掺量15%、水泥掺量5%时，能够满足工程要求。工业废弃物与软土主要发生2.2.1所列出的化学反应，生成的CSH等胶凝性物质，使土颗粒更加致密，减小水对土颗粒的影响，使固化土的强度提高，抗剪能力增大。 2) 碱性活化剂等外掺剂在软土固化地基处理中的应用研究 Chayakrit Phetchuay、易耀林、邢维忠等 [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] 分别研究了碱性活化剂对CCR (电石渣)、FA (粉煤灰)和GGBS (高炉矿渣)等固化软粘土的影响，发现添加活化剂能破坏矿渣等物质内部的稳定结构，将内部具有水化性质的物质释放出来，加快反应的进行，从而显著地提高固化土的抗压强度，Chayakrit还讨论了活化剂所占比例对抗压强度的影响，并提出归一化方程来确定28天内的无侧限抗压强度值。邓永锋等 [ 30 ] 研究添加偏高岭土(MK)对水泥固化土的影响，提出固化土抗压强度与MK掺量之间关系是由活性域和惰性区域组成，MK掺量为3%是其分界点，并通过SEM和压汞试验，探究了固化土微观结构的变化，发现MK的掺入是从孔隙密实和胶结物增加这两方面提升水泥土的力学性能的，进而建立了孔隙比和水泥掺入比两参数的强度预测模型，指导工程实际。碱性活化剂等外掺剂能激发物质内部活性物质的活性，提高土壤的PH值，促进水化等反应，同时能与CSH等物质发生类似方程式5的反应，生成钙矾石等物质，形成的网络结构能提高固化土的强度。 (5) 3)有机化合物类固化剂在地基处理中的应用研究 王广政等 [ 31 ] 采用离子固化剂CHF固化粘性土壤，探讨在不同剂量的石灰和养护时间下的改良效果，发现CHF的固化性能与龄期成正比，同时在石灰掺量较少的情况下即可满足地基加固的承载力要求。任葳葳 [ 32 ] 采用聚丙烯酸脂乳液、苯丙乳液、吸水树脂三种高分子材料对淤泥土进行固化，发现掺加高分子材料后，固化土的抗压、抗剪强度增加，而且固化土还具有了一定的保水性，土壤的缩限有显著地提高，并根据干湿循环测试、泡水试验等探究了该固化剂应用于边坡工程、软基填筑材料是可行性的。通过电镜扫描等发现有机化合物与土壤作用时，能打破土颗粒的排列，使土颗粒联结更加致密，从而提高固化土的强度、抗变形能力等；通过CT扫描探究固化土的孔隙变化，发现有机化合物类固化剂作用下的固化土的大孔隙减少，小空隙增加，优化了孔隙结构和排列，进而改善软土的强度。 另一方面，针对影响固化性能因素的研究有：涂帆等 [ 33 ] 发现粉喷桩和浆喷桩的抗压强度都与水泥掺量成线性关系，但掺量对粉喷桩后期影响较大，而粉喷桩适用于含水量较大的地区，还根据第3、7天的抗压强度，建立经验公式，拟合浆喷桩的28天水泥土的抗压强度。宁建国等 [ 34 ] [ 35 ] 探究了土壤PH、土壤矿物成分对固化土抗压强度的影响，发现土壤中的蒙脱石含量高会降低抗压强度，需要加入碱式物质，提高抗压强度，土样PH值增大，固化土的抗压强度随之提高，当Ca(OH) 2 达到饱和时，增大PH，抗压强度基本恒定；王领等 [ 36 ] 重点探究了水泥加固土初期PH值变化与强度的关系，发现初期PH大于11.7时，28天上海粘土的抗压强度才能满足要求。 4.2. 理论研究 软土固化剂对地基加固的理论研究，主要是利用影响固化土性能的因素如水泥掺量、固化龄期、含水率等作为参数，通过数值分析、构建数学模型等方法预测固化土的抗压强度等。 Lorenzo等 [ 37 ] 提出用固化后的孔隙率(e ot )和水泥掺量(A w )的比值来表征水泥固化软粘土的强度和压缩性，其中通过应力-应变行为看出当e ot /A w 比增加时，水泥固化土的应变软化得到改善；李雪刚、徐日庆等 [ 38 ] [ 39 ] 采用水泥、生石膏和几种外加剂固化含有机物腐植酸的软土，并通过响应面法优化软土复合固化剂配方，发现添加改良土的28天强度在740~891 kPa变化，强度值能满足工程要求，并通过建立固化土综合强度预测模型与固化土弹塑性损伤模型，分析有机质含量、固化剂掺量和水泥掺量之间的变化规律；王立峰等 [ 40 ] 探究纳米硅粉SiO 2-x 作为水泥土外掺剂对固化土的影响，并使用正交分析与回归分析，得出水泥掺量显著影响抗压强度、围压和纳米硅掺量其次影响抗压强度的结论，进而根据最佳配比建立回归方程预测抗压强度；Zhang等 [ 41 ] 提出用固化后的孔隙率、水泥掺量以及养护龄期作为控制参数，使用函数表达式6对固化土的无侧限抗压强度进行表征，其中q u 表示无侧限抗压强度(UCS)，n t 表示固化后的孔隙率，a w 表示水泥掺量，T表示固化时间，C、D为无量纲常数。 (6) 综上所述，使用土壤固化剂处理软土地基，能通过一系列的物理化学反应改良土壤的物理性能和力学性能，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的物质或固结柱体，与天然地基形成复合地基，共同承担荷载。而且应用工业废渣能使废渣变宝，应用有机物和生物酶类物质有利于环保，可见土壤固化剂对于处理软土地基的应用前景非常广泛。再通过不同影响参数构建本构关系、数学模型等可以更好地指导工程实际。