新型GS固化土与水泥土的力学特性对比研究*

陈 鑫 俞 峰 洪哲明 潘黎芳 刘兴旺 李 瑛

(①浙江理工大学基础结构技术研究所，杭州 310018，中国)

(②浙江省装配式混凝土工业化建筑工程技术研究中心，杭州 310018，中国)

(③浙江省建筑设计研究院，杭州 310006，中国)

0 引 言

随着城市建设的发展，加固土成为地下工程中极为重要的部分，尤其在深大基坑和环境条件要求严格的基坑工程。以水泥为主固化剂的复合固化剂材料种类繁多，可以应用于不同地区不同类型的土质中，常见的外掺剂包括粉煤灰、环氧树脂、膨润土、氢氧化钠等。水泥因取材方便、价格低廉被广泛应用于地基加固、公路基层中，但仍存在污染环境、强度低、抗渗性能差等问题。外掺剂的使用可以有效解决常用胶结材料(如水泥、石灰等)带来的问题：(1)减少水泥的使用量，节约资源并降低环境污染；(2)通过营造固化土的良好化学反应环境，提高固化土的长期强度；(3)改善固化土的微观结构，形成稳定均匀的致密胶结物，提高固化土的强度和抗渗性能。同时常见的粉煤灰、矿渣等材料来源于工业废渣，此类外掺剂的再利用可以有效降低环境污染并减少成本，并结合新工艺技术应用实际工程。近年来新型固化剂因成本低、强度高、环保稳定等优点，大量应用于实验研究和现场工程中，国内外学者针对加固土做了不少研究。

Jha et al.(2015)通过综合比较固化土无侧限抗压强度、孔隙率、压缩性等特征研究不同掺量和养护时间对石灰固化土性能的影响，通过扫描电镜(SEM)等室内试验揭示出影响其强度和体积变化行为的微观机理。Rios et al.(2016)利用粉煤灰、氢氧化钠和硅酸钠制成碱性活化剂代替水泥固化粉砂，单轴压缩实验表明该新型固化剂显著提高了固化土的强度，并通过扫描电镜观察新型固化土和水泥土固化过程微观结构的演变规律，发现碱活化试样的强度增长更快更持久。Yilmaz et al.(2017)采用无侧限抗压强度试验方法，研究不同水泥掺量和4种化学试剂对提高塑性黏土的稳定作用，研究表明低浓度的化学剂因增加絮凝作用，混合物强度略有增加；高浓度的化学剂使得土壤混合物强度有所降低，且混合物强度随着水泥掺量的增加而显著降低。魏丽等(2018)研究SH固土剂对盐渍土的固化作用，通过无侧限抗压强度试验、劈裂法抗拉实验、SEM扫描电子显微镜试验及X射线衍射试验等多种试验手段，证明SH固土剂提高了土体力学性能。刘松玉等(2018)通过无侧限抗压强度试验、X射线衍射试验和扫描电镜试验等，研究活性MgO碳化固化粉质黏土的力学性能影响，并对初始含水率和碳化时间进行分析，结果表明MgO碳化程度越高、初始含水率越小，加固土强度越大，并提出以碳化时间为主因素的固化土碳化微观模型。何俊等(2019)将碱渣、矿渣和水玻璃3种材料对高含水率疏浚淤泥进行固化，通过无侧限抗压强度试验和Ⅹ衍射试验研究其强度性质。徐日庆等(2019)将粉煤灰、石灰和TZ-01用于固化淤泥质土，通过无侧限抗压强度试验，探究含水量、掺量、龄期等因素对固化土特性的影响，并建立了强度预测模型。Yang et al.(2020)研究硅灰(SF)和添加剂对改善富盐海相软黏土工程性能的影响，通过正交试验设计筛选出使固化土无侧限抗压强度和稳定性能最优的配合比，并通过SEM和XRD揭示其微观机理。俞良辰等(2020)采用磷酸镁水泥固化有机质土，通过无侧限抗压强度试验、直剪试验与普通硅酸盐水泥固化有机质土进行对比，发现磷酸镁水泥固化有机质土性能较普通硅酸盐水泥固化有机质土差。征西遥等(2020)通过在普通水泥中加入不同掺量的超细水泥组成复合固化剂，并采用无侧限抗压强度仪(UCS)、电镜扫描仪(SEM)试验手段对其力学性能进行分析，揭示其固化微观机理，为相应的工程实践提供理论基础。

1 室内试验方法

1.1 试验材料

由于砂土和黏土颗粒级配、抗剪强度、渗透性差异明显，分别适用于不同特性需求的工程，因此本试验选用可塑性强的黏土和透水性较强的砂土，均采自杭州市某基坑，其基本物理指标如表1所示；试验采用GS土体硬化剂和普通硅酸盐水泥P.O42.5两种固化剂，GS土体硬化剂技术性能指标如表2所示；拌合水采用自来水。

表1 试验用土基本物理指标Table 1 Physical properties of tested soil

表2 土体固化剂技术性能指标Table 2 Technical indices of soil hardening agents

1.2 试验分组

本试验采用控制变量法分析土质、掺量、龄期对GS固化土和水泥土无侧限抗压强度的影响，进而探究GS固化土的力学特性。曹智国等(2015)认为水泥土分为反应区、非反应区、惰性区，5%～20%是常用的水泥土掺量范围，位于非反应区-反应区之间，因此设定水泥掺量为15%、20%，根据目前工程应用测算，按照等投资原则设定GS掺量，设定GS掺量为10%、14%，养护龄期为10id、20id、28id、35id，试验分组如表3所示。

表3 试验分组Table 3 Test group

1.3 试验方法

本试验对比分析土质、掺量、龄期对GS固化土与水泥土强度的影响，进而探究GS固化土强度的力学特性。为避免试验偶然性，同一龄期每组试块制作3个，并选取部分土样进行电镜扫描试验。试验方法如下：

(1)根据试验方案，称取所需原状取得的黏土和砂土的质量，及相应掺量所需的固化剂质量和规定水胶比的水质量，水胶比为1.2，固化剂掺量aw和水胶比W/B计算如式(1)、式(2)。

(1)

(2)

式中：ms为固化剂质量；mg为土样质量；mw为拌合水质量。

(2)将称取好的土样、固化剂及拌合水倒入搅拌机内搅拌直至均匀，装入150imm×150imm×150imm的立方体试模，经振动台振实成型，养护24ih后拆模，置于室内自然养护。

(3)

qu=1.294·q

(4)

式中：q为试件无侧限抗压强度(MPa)；P为试件破坏的最大荷载(kN)；A为试件横截面积(mm2)；qu为换算无侧限抗压强度(MPa)。

2 室内试验结果分析

2.1 应力-应变曲线

图1为P1、P3、G1、G3试块无侧限抗压强度的应力-应变曲线，其中，σ为应力，ε为应变。由该图可知：

(1)由P1、P3固化土试块应力-应变曲线可以看出，水泥土试块加载特性表现为应力随着应变的增加缓慢增长，依次经历初始加载阶段、塑性上升阶段、强度屈服阶段、破坏阶段及残余应力阶段，表现为剪切破坏特征。初始加载阶段应变迅速增加、应力缓慢增长，塑性上升阶段应力增长速率加快，强度屈服阶段应变持续增加但应力变化较小，破坏阶段应变持续增加、应力到达峰值，试块未完全破坏。

(2)由G1、G3固化土应力-应变曲线可以看出，GS固化土试块加载过程中应力-应变曲线峰值明显，依次经历初始加载阶段、塑性上升阶段、强度屈服阶段和破坏阶段，具有较大抗压强度和较小破坏应变(约2%左右)，表现为劈裂破坏特征。初始加载阶段应力随应变缓慢增长，塑性上升阶段和强度屈服阶段后应力增长直至峰值破坏点，试块破坏后曲线进入陡降阶段。

(3)对比P1、P3、G1、G3试块应力-应变曲线，GS固化土在强度、刚度方面性能优于水泥土，且表现出更高的脆性，其微观机理有待进一步研究。其中：G1固化土的抗压强度远高于P1固化土，不难看出，GS固化黏土的效果明显优于水泥固化黏土，但在砂土中，相比水泥土，提升效果不明显。

2.2 无侧限抗压强度

不同掺量、土质、固化剂和龄期试块无侧限抗压强度值如表4所示，固化土的无侧限抗压强度随龄期的变化如图2所示，其中，T为龄期。

表4 无侧限抗压强度(单位：MPa)Table 4 Unconfined compressive strength(unit：MPa)

2.2.1 土性对固化土无侧限抗压强度的影响

图2表明，两种土固化后的无侧限抗压强度随着龄期的增加而增大。无侧限抗压强度增长值如表5所示。

表5 无侧限抗压强度的增长Table 5 Growth of unconfined compressive strength

图2、表5 表明：(1)当龄期从10id增长至35id，P1固化土无侧限抗压强度增长率为24.55%，而P3固化土强度增长率为35.10%。可以得出，同一掺量时，水泥固化砂土的强度增长率明显高于水泥固化黏土。结合表4，发现水泥固化砂土强度是水泥固化黏土的1.5～1.7倍。当龄期从10id增长至35id，G1固化土无侧限抗压强度增长率为115.97%，G3固化土强度增长率为80.04%，G1固化土强度增长率大于G3，且G2固化土强度增长率仍大于G4。可以得出，同一掺量时，GS固化黏土的强度增长率明显高于GS固化砂土。(2)结合表4可以得到，当龄期35id时，G1固化土强度仍比同龄期P1固化土大37.13%，且G2固化土较同龄期P2固化土大11.24%。这一结果表明，龄期为35id时等预算下GS固化黏土的强度高于水泥固化黏土。考虑到经济效益，同等预算下GS固化黏土强度明显高于水泥固化黏土。因此在固化黏土时，采用GS固化剂更为经济。

2.2.2 掺量对固化土无侧限抗压强度的影响

固化剂掺量对无侧限抗压强度的影响如图3所示。由图3发现以下规律：(1)随着固化剂掺量的增加，两种固化土的强度随之增大。原因是：随着固化剂掺量的增加，固化剂水化生成C-S-H凝胶和氢氧化钙等增多，土颗粒间胶结作用增强，固化土体孔隙率减小，从而提高了固化土的无侧限抗压强度。(2)考虑掺量和龄期对强度增长影响的耦合作用：T=10id时掺量对水泥土强度的影响依次小于T=20id、T=28id、T=35id时掺量对土体强度的影响，说明在固化土过程中，随着水化反应的进行，胶结物增加，孔隙率减小，土体强度随之增大；而GS固化土的强度随掺量及龄期变化较为均匀，造成这种差异的原因是GS在反应过程中经历了一次水化后，生成的Ca(OH)2与矿渣中的C2S发生二次水化，脱硫石膏作为缓凝剂，保证反应充分进行，生成更多C-S-H凝胶。

2.2.3 龄期对固化土无侧限抗压强度的影响

图4为不同固化剂固化土无侧限抗压强度随龄期的变化。可以看出，T=10id时，GS固化黏土强度低于水泥固化黏土强度；T=20id时，GS固化黏土强度高于水泥固化黏土的强度。G1固化土的强度增长率高于P1固化土的强度增长率，且G1固化土强度发展与P2较为接近。随着龄期的增长，GS固化黏土强度持续增加，强度增长速率在10id内最大且随龄期增长而逐渐减缓。水泥固化黏土在10～20id时强度增长曲线最为陡峭，随后掺量为15%的水泥固化黏土强度曲线趋于平缓，而掺量为20%的水泥固化黏土强度仍在上升。因此，固化土的强度增长与掺量、龄期密切相关。T=10id时，G3固化土强度低于P3固化土强度，T=20id时前者强度高于后者，龄期为35id时两者强度相差不大；掺量为20%的水泥固化砂土强度在T=10d、20d、28d、35id时均高于掺量为14%的GS固化砂土，两种固化剂固化砂土的性能有待进一步研究。从经济效益来看，在软土地区，GS硬化剂较水泥更具优势。

GS固化黏土无侧限抗压强度随龄期的变化规律如图5所示，两种固化土的无侧限抗压强度均随龄期增长而增大。Kitasume et al.(2003)研究了暴露于不同环境下水泥土的强度，发现无侧限抗压强度随龄期的对数线性增加。朱剑锋等(2019)对镁质水泥固化有机质土进行研究，提出了TZ18固化土的抗压强度模型，发现TZ18固化土无侧限抗压强度随龄期呈对数关系。从图5中可以看出，GS固化黏土的抗压强度随龄期呈对数线性增长，可用关系式进行拟合，式(5)、式(6)得到的关系式如下。

当aw=10%时

qu=1.0445lnT-1.3314(R2=0.9862)

(5)

当aw=14%时

qu=1.2395lnT-1.6339(R2=0.9991)

(6)

图6为GS固化黏土不同龄期下应力-应变曲线。该图表明：(1)T=10id时，GS固化黏土加载过程中，前期土体孔隙较多、应力随应变的增加而缓慢增长；后期孔隙压缩完毕、试块均匀受压；故塑性上升阶段应力快速增加，强度屈服阶段应力缓慢增加直至峰值破坏点，破坏阶段应力衰减且试块破坏。(2)随着龄期增加，水化产物不断填充孔隙，塑性上升阶段的应力-应变曲线斜率明显增大、强度屈服阶段应变增长变小，且峰值破坏点上移。

2.3 变形模量

变形模量E50是材料抵抗弹塑性变形的重要参数，通过无侧限抗压强度试验取得，采用无侧限条件下一半破坏应变对应的应力与相应应变的比值定义(裴振伟等，2018)，如式(7)所示。

(7)

式中：σ1/2为一半破坏应变所对应的应力；εf为破坏应变。

图7为不同固化土T=35id时的变形模量与抗压强度的关系。针对变形模量，众多学者给出了不同的取值。蔡光华(2017)通过无侧限抗压强度试验研究不同因素对活性MgO碳化固化土力学强度的影响，结果表明MgO碳化固化土的变形模量约20～250qu，与水泥等固化土变形模量大致相当。Wang et al.(2018)研究了在水浸和冻融条件下水泥、石灰和粉煤灰固化沉积土的应力-应变曲线，发现变形模量E50是抗压强度的47.7～282.6倍。图7为固化土变形模量与无侧限抗压强度之间的关系，两种不同固化剂固化土的数据点大体分布在三角区内，分别如式(8)、式(9)所示：

水泥土E50=(23.24～71.62)qu

(8)

GS固化土E50=(31.11～77.24)qu

(9)

2.4 微观分析

电镜扫描(Scanning electron microscope，SEM)技术是一种用于分析微观结构的影像化手段。SEM技术的广泛应用极大程度上推动了岩土微观分析的发展，目前已有不少学者作了此类研究。Estabrag et al.(2016)研究水泥固化污染黏土的特性，通过电镜扫描观察到，水泥固化土颗粒通过胶结产物连接，且存在孔隙。Zhang et al.(2018)通过电镜扫描研究木质素稳定土的微观结构，发现木质素加入土壤后产生的沉淀胶结物覆盖在土颗粒上，形成致密的结构。本文在无侧限抗压强度试验的基础上选取部分土样进行扫描电镜(SEM)试验，观察不同固化土的微观结构，微观结果如图8。可以看出：(1)在放大3000倍数下，水泥固化黏土试样(图8a)虽呈现出絮状产物，但表面稀疏，土颗粒排列无序，土颗粒间胶结作用不明显，存在较多孔隙；而GS固化黏土试样(图8c)，可以观察到大部分块状晶体，土颗粒被大量凝胶包裹，土体间孔隙少，整体性较高。胶结作用致使结构连接更为紧密，抗压强度相应更高，微观结构特征与宏观力学特性得到一致规律，同时也印证了王东星等(2019)的研究。(2)由图8b观察得出，水泥固化砂土中簇形纤维状水化物和片状水化物填充在孔隙之中，但仍存在较大孔隙，土体结构整体性不高；GS固化砂土(图8d)排列紧密，无明显孔隙，土体表面仍可观察到絮状水化物。结合龄期与抗压强度的关系，GS强度随龄期持续增长，在T=35id时表现出较高的增长速率，而水泥在此时增长趋于平缓。因此GS在改善微观结构、实现均匀分散、优化强度增长规律等方面优于水泥。(3)由土样微观结构可以看出，GS固化土中土颗粒黏结紧密，而水泥土中呈现出碎散状态，推测GS固化土抗渗性优于水泥土。

3 现场试验

为更好揭示GS硬化剂在实际工程中的应用效果，于杭州市大江东某试验场进行了MJS(Metro Jet System，全方位高压喷射工法)工法试桩现场试验，试验场地土层分布如表6所示。本试验基于室内试验的基础上，对比分析采用水泥和GS硬化剂固化MJS工法桩后的成桩完整性和桩身抗压强度，进一步研究GS固化土的力学特性及工程适用性。试验采用MJS工法，MJS工法是在传统高压喷射工艺的基础上，通过加入多孔管和前端切削搅拌装置，实现喷浆、地内压力和排泥集中管理，既保证了加固效果又减少了对周边环境的影响(张帆，2010)。该工法目前已广泛应用于基坑工程当中。

表6 土层分布表Table 6 Distribution table of soil layer

表7 MJS工法桩桩芯完整性对比Table 7 Comparison of the integrity of cores from the MJS piles

qu=β×q

(10)

式中：β为高径比修正系数。

由于室内试验制作试块无法反映固化土成桩的完整性，在现场分别对GS固化土桩和水泥土桩进行取芯，芯样情况如图9所示。该图表明，MJS工法施工下水泥土桩桩芯呈柱状为主，局部为块状，块径2～5icm，芯长10～20icm，最长达40icm，芯样质量指标RQD=50%～60%左右，而GS桩桩芯最长达70icm，芯样质量指标RQD=70%～80%左右，且水泥土桩桩芯破碎率较高，GS固化土桩桩芯相对完整，与微观结构特征规律一致，GS固化土成桩完整性优于水泥土桩，适用于MJS工法。

图10为龄期对桩身强度的影响，表明GS固化土桩的无侧限抗压强度随着龄期的增长而增大，水泥土桩后期强度基本保持不变。随着龄期的增长，GS固化土桩抗压强度增长率减小，但变化不大，仍呈现增长趋势。结合室内试验中GS固化土和水泥土的早期强度，GS固化土在35id后强度随着龄期持续增长，而水泥土桩后期强度随龄期增长变化不大。由此可见，T=83id时GS固化土的强度仍在继续增长，而T=44id后水泥土强度随龄期变化不大。

图11为桩身强度随深度的变化，表明GS固化土桩抗压强度随着土层变化而变化。深度为2～8im时，T=44id时的水泥土桩抗压强度高于T=41id时的GS固化土桩抗压强度，深度为10～14im时则反之，其余龄期同理。T=83id时GS固化土桩10im深度处抗压强度高于T=86id时水泥土桩同深度处的抗压强度，其他深度处由于数据不全无法给出明确规律。桩身强度随深度变化推测原因如下：(1)成桩喷射不均匀；(2)GS土体硬化剂和水泥适用于不同土质。结合表6发现，2～8im处土层主要为砂质粉土层和粉砂层，10～14im处为淤泥质粉质黏土层，2～8im处水泥土桩强度高于GS固化土桩，10～14im处则反之。结果显示GS固化黏土效果优于水泥固化黏土，与室内试验规律一致。

现场试验表明，GS固化土强度伴随龄期增长持续变大，龄期达到83id时强度仍存在增强趋势，且由数据显示GS固化黏土效果优于水泥固化黏土，这与室内试验的所得结果基本一致，进一步验证了GS固化土的工程适用性。基于早期强度快，后期强度高的特点，其可应用于路基工程。另外从经济效益方面来看，GS固化土亦满足工程实践需求。

4 结 论

本文通过两种固化剂固化土的室内试验和现场试验，对比分析了GS土体硬化剂和水泥的力学性能，主要结论如下：

(1)GS固化土受压破坏时，经历了初始加载阶段、塑性上升阶段、强度屈服阶段和破坏阶段，具有抗压强度大，破坏应变小的特点；而水泥固化土破坏应变大，抗压强度小。GS固化土相较水泥土表现出高强度、高刚度、高脆性。

(2)随着掺量的增加，两种固化土无侧限抗压强度不断增长；随着龄期的增长，GS固化土的无侧限抗压强度随龄期的对数呈线性增长，但水泥固化土的强度增长率明显下降，趋于平缓。

(3)通过无侧限抗压强度得到不同固化土变形模量与抗压强度的关系为：当固化剂为GS时，变形模量是抗压强度的31.11～77.24倍；当固化剂为水泥时，变形模量是抗压强度的23.24～71.62倍。

(4)微观机理研究表明，GS固化土颗粒排列紧密，微观结构特征和宏观力学特征表现出一致规律，GS在提高土体抗渗性、改善微观结构、实现均匀分散、优化强度增长规律等方面优于水泥。

(5)现场试验表明，GS固化土桩成桩完整性优于水泥土桩。GS固化土桩抗压强度随着土层性质而变化，且随着成桩时间推移增强；基于早期强度快，后期强度高的特点，其可应用于路基工程，亦满足经济效益需求。