固化灰渣土路基動力特性及穩(wěn)定性試驗研究

摘要：利用制備的固化劑，將灰渣與工程棄土進行固化處理，并開展固化灰渣土路用性能的動力特性和水穩(wěn)定性試驗，研究了固化劑摻量、圍壓、動應(yīng)力比的影響。結(jié)果表明，隨著固化劑摻量的增加，試樣的動彈性模量明顯增大，阻尼比變化較小；浸水24 h后，試樣的動彈性模量降低15%～20%，阻尼比有一定的增長；隨著動應(yīng)力比的增長，動彈性模量弱化較為明顯，阻尼比弱化較少。研究結(jié)論可以為灰渣的利用以及固化灰渣土路基的設(shè)計、動力反應(yīng)分析提供參考。

關(guān)鍵詞：固化；灰渣土；動彈性模量；阻尼比；水穩(wěn)定性

中圖分類號：U238 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）03-000-06

Research on Experimental of Dynamic Characteristics and Stability of Solidified Ash Soil Subgrade

LI Ben1， CHEN Zhiyang1， LU Qi2

（1. CHN Energy Zhejiang Beilun No.1 Power Generation Co.， Ltd.， Ningbo 315010， China;

2. Institution of Geotechnical Engineering， Ningbo University， Ningbo 315211， China）

Abstract： Using the prepared curing agent， the ash residue and engineering waste soil were solidified， and dynamic characteristics and water stability tests of the road performance of the solidified ash residue soil were conducted to study the effects of curing agent dosage， confining pressure， and dynamic stress ratio. The results showed that with the increase of curing agent dosage， the dynamic elastic modulus of the sample increased significantly， and the damping ratio changed little; after 24 h of immersion， the dynamic elastic modulus of the sample decreased by 15%～20%， and the damping ratio increased to some extent; as the dynamic stress ratio increases， the dynamic elastic modulus weakens more significantly， while the damping ratio weakens less. The research conclusion can provide reference for the utilization of ash and the design and dynamic response analysis of solidified ash soil subgrade.

Keywords： solidification; ash soil; dynamic elastic modulus; damping ratio; water stability

利用水泥、粉煤灰、礦粉以及高分子材料作為固化劑，不僅能夠提高土體的強度、穩(wěn)定性和抗水性能，還有利于縮短工期、節(jié)約資金、保護環(huán)境[1-7]。固化土在動力作用下的性能仍處于探索階段[8]。張向東等[9]、鄧長青等[10]、徐鵬等[11]、譚毓清等[12]對改良土進行了動力特性試驗研究，吳躍東等[13]針對疏浚淤泥固化土開展動三軸試驗，分析不同配比下的動應(yīng)力-動應(yīng)變關(guān)系和阻尼比等特性。

電廠能源轉(zhuǎn)換過程中會產(chǎn)生灰渣、粉煤灰等，國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司每年約產(chǎn)生45萬t海水渣。如果能利用土壤固化劑對電廠灰渣進行固化穩(wěn)定，使其達到回填材料的性能要求，則可提高電廠灰渣的綜合利用率[14]。為此，結(jié)合國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司一期節(jié)能減排改造項目場地道路回填，利用自行制備的固化劑，開展基于電廠灰渣的固化土填料動力特性試驗和水穩(wěn)定性試驗研究，分析固化劑摻量、圍壓、動應(yīng)力比等對固化路基土的長期動力特性及水穩(wěn)定性的影響，為提高電廠灰渣綜合利用率提供依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗土體為取自國能浙江北侖第一發(fā)電有限公司一期節(jié)能減排改造項目的淤泥質(zhì)軟黏土，土樣的初始含水率為46.1%，初始孔隙比為1.03，土粒比重為2.72。按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），在標準擊實條件下，試驗得到的最大干密度為1.72 g/cm3，最優(yōu)含水率為19.1%。

1.2 試驗裝置

固化土動力特性試驗采用GDS三軸儀，固化土微觀孔隙結(jié)構(gòu)試驗采用掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）。

1.3 試驗方案

制配YB100型粉體固化劑，該固化劑由0.1%～0.5%的聚丙烯酰胺、1%～2%的添加劑、2%～4%的強化劑、20%～30%的硅酸鹽熟料、10%～20%的生石灰、1%～5%的生石膏、40%～60%的粉煤灰組成。利用該固化劑對項目基坑開挖的淤泥質(zhì)軟黏土、電廠灰渣進行固化，試驗土體經(jīng)過碾壓、翻曬、過篩處理，灰渣與土的比例為3∶7。固化劑摻量為0%、2%、6%，試驗時按不同摻量將灰渣土、固化劑拌和均勻并密封24 h，并在高80 mm、直徑39.1 mm的三瓣飽和器內(nèi)分4層進行擊實成型。試樣制作完成用塑料薄膜包裹后密封，并在養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護7 d。

考慮場地道路上交通荷載的頻率不同，試驗振動頻率取2 Hz，循環(huán)次數(shù)均為10 000次，動應(yīng)力取10、20、30 kPa，振動方法均為固結(jié)不排水振動，圍壓取50 kPa和100 kPa。試驗方案如表1所示。

2 固化土動力特性試驗結(jié)果

2.1 灰渣土

當固化劑摻量為0%、養(yǎng)護齡期為7 d時，在不同圍壓、相同動應(yīng)力比條件下，試樣的動彈性模量隨著振動次數(shù)的增加呈增大趨勢，但是增加比較平緩。隨著動應(yīng)力比的增大，動彈性模量逐漸減小。圍壓越大，試樣所受到的約束越大，其強度越高，動彈性模量也越大。阻尼比整體趨向減小，動應(yīng)力比越大，阻尼比越小。

在50 kPa圍壓下，動應(yīng)力比從0.2增加到0.6，動彈性模量從30 MPa增大到70 MPa，阻尼比從9%減小到5%。在100 kPa圍壓下，動應(yīng)力比從0.1增加到0.3，動彈性模量從60 MPa增大到85 MPa，阻尼比從8%減小到4%。

2.2 固化灰渣土

不同固化劑摻量條件下固化灰渣土的動力特性試驗結(jié)果如圖1、圖2、圖3、圖4所示。圖1為養(yǎng)護7 d，圍壓為50 kPa時，固化灰渣土試樣的動彈性模量隨振動次數(shù)變化曲線。由圖1可以看出，動應(yīng)力比越大，固化灰渣土試樣的動彈性模量越小；在相同動應(yīng)力比下，固化劑摻入由2%增大到6%，固化灰渣土試樣動彈性模量明顯增大。例如，當動應(yīng)力比為0.2，固化劑摻量2%時，固化灰渣土試樣的動彈性模量約為120 MPa，而固化劑摻量為6%時，試樣的動彈性模量約為155 MPa。

當固化劑摻量提高時，試樣的阻尼比整體呈下降趨勢，且隨著固化劑含量的增加，阻尼比在振動過程中的變化更小，曲線更平緩，如圖2所示。這是由于固化劑與土體拌合后，其中的硅酸三鈣、硅酸二鈣與水分產(chǎn)生強烈的水解和水化反應(yīng)，提高了固化土的強度。

圖3為養(yǎng)護7 d，圍壓為100 kPa時，固化灰渣土試樣的動彈性模量隨振動次數(shù)變化曲線。對比圖3和圖1可以看出，當圍壓由50 kPa增大至100 kPa后，各固化劑摻量條件下的固化灰渣土試樣的動彈性模量總體上均有一定的增大。

對比圖4和圖2可以看出，當圍壓由50 kPa提高至100 kPa時，各固化劑摻量條件下的固化灰渣土試樣的阻尼比總體上呈減小趨勢，隨著固化劑摻量的增加，阻尼比呈現(xiàn)減小的趨勢，振動次數(shù)的變化趨于平緩，試樣的穩(wěn)定性有一定的提升。綜上，當固化劑摻量為6%時，固化灰渣土表現(xiàn)出較好的動力特性，同時說明6%的固化劑與水產(chǎn)生的水化反應(yīng)更穩(wěn)定。

2.3 浸水固化灰渣土

為了研究固化灰渣土的水穩(wěn)定性，選取摻量為6%的固化灰渣土試樣，對其養(yǎng)護7 d后浸水24 h，在50 kPa的圍壓下進行動力試驗，結(jié)果如圖5、圖6所示。試樣浸水前后動彈性模量和阻尼比隨振動次數(shù)變化較為明顯，浸水后試樣的動彈性模量降低15%～20%，阻尼比有一定的增長。由圖5可知，當動應(yīng)力比為0.2時，浸水后動彈性模量呈現(xiàn)出一定程度的弱化現(xiàn)象；當動應(yīng)力比為0.6時，試樣動彈性模量的弱化現(xiàn)象并不明顯。因此，在6%的固化劑摻量下，固化灰渣土的水穩(wěn)定性較好。

由圖6可知，浸水前后，試樣的阻尼比隨著動應(yīng)力比的增大呈現(xiàn)出增大的趨勢；當動應(yīng)力比為0.6時，隨著振動次數(shù)的增大，阻尼比表現(xiàn)出一定程度的波動。究其原因，高分子聚丙烯酰胺和強化劑具有較好的抗水性和黏接能力，提高了固化土的水穩(wěn)定性。

3 機理分析

選取固化劑摻量0%和2%、4%、6%的試樣養(yǎng)護7 d，再開展SEM掃描試驗，結(jié)果如圖7所示。圖7（a）為不摻固化劑的試樣，其集聚體團粒很明顯，集聚體間孔隙很大。圖7（b）、圖7（c）為摻入固化劑后試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其集聚體間大孔隙明顯減少，小孔隙增多。軟黏土摻入固化劑后，試樣中的水化硅酸鈣等網(wǎng)狀膠凝物質(zhì)可增強黏土團粒間的膠結(jié)，硅酸鈣與水的反應(yīng)也提升了固化灰渣土的強度和水穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

不摻固化劑時，試樣的動彈性模量隨圍壓的增大而增大，阻尼比隨圍壓的增大整體呈現(xiàn)減小的趨勢。在相同圍壓下，試樣的動彈性模量隨動應(yīng)力比的增大而減小，阻尼比和動應(yīng)力比并未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。當固化劑摻量按0%、2%、6%增加，固化灰渣土試樣的動彈性模量明顯增大；隨著固化劑含量的增加，阻尼比在振動過程中的變化更小，曲線更平緩。

固化灰渣土浸水24 h后，試樣的動彈性模量降低15%～20%，阻尼比有一定的增長。隨著動應(yīng)力比的增長，試樣動彈性模量的弱化現(xiàn)象并不明顯，阻尼比的變化弱化減小較少，原因是高分子聚丙烯酰胺和強化劑具有較好的抗水性和黏接能力，提高了固化土的水穩(wěn)定性。摻入固化劑后，固化劑成分與土體中的水分產(chǎn)生水化反應(yīng)，產(chǎn)生了膠凝物質(zhì)，增強黏土團粒間的膠結(jié)，提高了土體強度。同時，與土體反應(yīng)生成絡(luò)合物，產(chǎn)生了離子交換和團粒化作用，提高了土體的穩(wěn)定性。

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