吹填固化土第一章.doc

天津滨海新区吹填软土的固化及其力学特性研究
目前，随着人类经济活动和工程活动的快速发展，土地资源日趋紧张，特别是对临海的国家和城市，把围海造陆作为获得新的土地资源的重要途径。天津滨海新区位于天津市东部临海地区，是继珠三角和长三角后又一个重要的经济开发区，且区位条件优越，拥有围海造陆土地资源开发的良好自然条件。近年来新区大量采用近海新近沉积的海底淤泥作为吹填原料进行围海造陆，存在的主要问题是吹填软土主要以颗粒细为主，其含水量高、孔隙比大以及固结性能差等，对工程建设非常不利，而传统的吹填软土加固方法造价高历时长，因此，寻找一种更合理、更经济的加固方法，使吹填土能尽快从淤泥状态转变成具有一定承载力的地基，对新区的工程建设具有重要的现实意义。
本文针对上述问题，以天津滨海新区的吹填软土为研究对象，在前人研究的基础上，通过室内试验分析，选定了固化吹填软土的固化材料，针对不同的工程建设需求，确定了固化剂中各固化材料的最优配比，分析了固化土的微结构特征及其固化机理，并对固化土的力学特性进行了研究，此外，通过常规三轴试验，建立了可以考虑应变软化的固化土本构方程。本文取得的主要成果如下：
（1）分别采用水泥单掺、水泥+添加剂双掺试验，初步确定了水泥、石膏、氢氧化钠、碳酸钠、氯化铁五种固化材料在不同含水量条件下对固化效果的影响规律及掺量范围。
（2）通过有效的对比和筛选，选择了水泥、石膏、氢氧化钠、碳酸钠四种固化材料，并确定各固化材料的掺量范围，然后通过正交试验确定了吹填软土几种含水量条件下各固化材料的最佳配比。通过改变固化剂的掺量，分析了不同固化剂掺量对固化土强度的影响，得到了水泥低掺量水平下的最优固化方案。
（3）通过对不同龄期的固化土的微观结构的特征及定量化参数进行对比分析，结合各外加剂在水泥固化土固化过程中的物理化学作用，揭示了固化剂的固化机理，从本质上为吹填软土的固化提供理论证实。
（4）对不同含水量、不同龄期条件下的固化土进行了不同加载方式的压缩回弹试验，并对其压缩特性进行了分析。通过常规三轴试验，分析了围压对固化土力学特性的影响，建立了能考虑应变软化的固化土本构方程。

关键词：吹填软土 固化剂 固化土 微观结构 固化机理 本构关系

第一章 绪论
1.1 研究课题的提出及其研究意义
近些年来，随着人类经济活动和工程活动的增强，土地资源不足问题日渐突出，特别是临海的国家和城市，而吹填造陆作为获得新土地资源的重要手段为这一问题提供了新的思路，同时也是合理清淤疏浚和清洁滨海水域环境的新途径。
天津滨海新区位于天津东部沿海地区，地处渤海之滨，是环渤海经济圈的中心地带，拥有153km的海岸线和3000km2海域，是全国唯一聚集了港口、国家开发区、保税区、海洋高新技术开发区、区港联动运作区、出口加工区和大型工业基地的地区，具有体制创新优势。天津滨海新区为典型的海陆交互相，形成了以塘沽海河口为中心的现代沉降区，蜿蜒的海岸及巨厚的淤泥质河口沉积，造就了滨海新区特殊的岩土工程环境，且天津滨海海岸沉积了丰富的泥沙资源，这都为滨海新区吹填造陆创造了良好的自然条件。天津已具有悠久的吹填造路历史，自1939年塘沽新港始建以来，相继又在海滩和市区海河沿岸进行了多期不同规模的造陆工程。随着新区的快速发展，吹填造陆已成为新区开发土地资源的主要途径。先后在临港工业区。中新生态城、东疆港等区进行了大规模的吹填造陆工程。目前，已完成的吹填造陆面积达百余平方公里，另外，按新区的发展策略，九大功能区中临海的五大功能区均要通过吹填造陆获取土地资源，造陆工程规模之大为全国之最，也是令世界瞩目的。因此，与之相关的理论及技术方法引起了科学界和工程界的关注[1，2]。
天津滨海新区吹填软土以细粒为主，具有含水量高、孔隙比大、压缩性高以及固结性能差和低承载力等特征，经吹填以后要很长时间才能自然沉积固结，待其表面形成硬壳层后方可进行加固处理，但因受到工程条件的限制，这种造陆方式无论是在时间还是财力上消耗都很大。土壤固化剂是在常温下能够直接胶结土体中颗粒表面或能够与粘土矿物反应生成凝胶物，从而达到改善和提高土体力学性能的材料。利用土壤固化剂固化吹填土，能使吹填土尽快地从淤泥状态转变成为具有一定承载力的地基，为滨海新区后期的工程建设做好准备，这将为吹填造陆工程建设带来巨大的经济效益。本文从室内试验出发，对吹填后不久，含水量达到80%以下时的吹填软土进行固化试验，针对不同的工程需求，配制出不同配比的固化剂，对固化剂固化土的微观结构及固化机理进行分析，并对固化土的力学特性进行研究，建立考虑应变软化的固化土本构方程，为工程建设提供参考，具有一定的理论价值和工程意义。

图1-1 天津滨海新区发展策略图和吹填现场
1.2 土壤固化剂国内外研究进展
土壤固化技术至今已成为一门综合了胶体化学、土力学、结构力学等综合性的交叉学科。近几十年来，土壤固化技术得到了迅速的发展。国内外大量的专家、学者及工程技术人员，从不同的工程应用目的出发，采用各种固化材料对不同特性的土壤进行了固化研究，开发出了大量的固化材料。使固化材料由起初单一的的无机结合材料发展成为目前复杂的多种类型的化学材料，在兴建的道路、港口、机场等工程中，得到了普遍的应用，产生了巨大的经济效益，并取得了丰硕的实践经验和理论成果[3，4]。
1.2.1 土壤固化剂国外研究现状
国外对土壤固化剂的研究，从上世纪初就开始，以美、日等发达国家为代表，对土壤固化技术进行了深层次的开发。Bell（1994）分别在水泥和石灰中添加PFA（一种添加剂），并对其加固粘土的效果进行了研究[5]。Medina等（1995）针对红土的组成成分,利用磷酸加固红土[6]。Osula D.O.A（1996）分别采用石灰和水泥固化细粒粘性土，研究发现石灰掺入比比水泥掺入比对固化土强度的影响大[7]。HilmiLavA.等（2000）将火力发电站的粉煤灰分别与水泥和石灰混合对土进行固化，并对固化土作了微结构、化学及矿物学等分析，研究表明两种材料加固土的效果基本相同[8]。Zalihe（2001）等用粉煤灰和石灰来加固含有石灰质的膨胀性粘土[9]。此外，还有大量新型固化剂的研究。如美国人Reynolds于1959年成功的研制了ISS（Ionic Soil Stabilizer），该固化剂是一种由多个强离子组合而成的电离子土壤固化剂，国内称之为“固路宝”，一般呈液态。Attom（1998）等认为用燃烧过的橄榄废弃物可以作为一种新的土壤固化剂[10]。Thecan（2002）研究认为腐生物分解木质素中的担子菌类在土壤固化过程中起着重要作用[11]。目前，国外研制的土壤固化剂已大量应用于各种工程建设中，效益显著。如美国生产的Soil-rock,EN-1, top-seal等土壤固化剂。日本生产的Aught-set系列土壤固化剂。澳大利亚研发的Roadbond(r),Roadpacker(r)。南非生产的ISS土壤固化剂，CON-AID土壤固化剂等。
1.2.2 土壤固化剂国内研究现状
我国从20世纪80年代开始引进国外的土壤固化技术，在吸取国外经验的基础上，针对我国不同特性的土壤进行了大量的固化研究工作，先后取得了一系列的研究成果，并在工程建设中得到了广泛的应用。目前，我国在土壤固化剂方面的研究大多集中在无机类方面，在离子类固化剂、高分子类固化剂及复合型固化剂方面也有一定的研究。
（1）无机类土壤固化剂
无机类固化剂大多采用水泥、工业废料等为主剂，添加各种外加剂配制而成。目前研究的成果主要有水泥固化土、工业废料类固化土、硅粉固化土及水玻璃固化土等。
在水泥固化土的研究方面，黄新、周国钧（1994）认为水泥固化土的强度主要来自水泥水化产生的胶结作用，并通过试验分析得出：水泥加固土的强度受到水泥土孔隙水Ca(OH)2的饱和度及土体本身对Ca2+、OH-、CaO的吸收量两方面的影响[12]欧阳克连、宁宝宽(2009)探讨了pH值和各种侵蚀性离子对水泥土的力学效应的影响,并对环境侵蚀机理进行了探讨[13]。杨爱武、杜东菊等(2007、2010)对天津海积软土进行了室内固化及现场验证试验，试验结果表明，碱性环境对水泥土强度的提高具有很大的促进作用，并能节省工程造价[14，15]。
在石灰固化土方面，Chirdchanin等（2004）从力学性能方面研究了腐殖质和盐分浓度对石灰固化土的影响，并通过加固土的微结构分析，对石灰固化土的力学特性和微结构之间的关联性进行了讨论[16]。刘莹、王清等（2006）选用水泥和石灰分别对吹填土进行了处理，并对两种添加方式的机理及固化效果进行了详细的分析和研究[17]。
在工业废料类固化土的研究方面，黄新、胡同安（1998、2001）利用废石膏和水泥配合加固软土，研究表明，与单纯用水泥加固相比，可显著提高加固效果，并且得出加固土孔隙水中的CaO、OH-浓度决定了水泥-废石膏的适用性及其增强效果[18，19] 。荀勇（2000）在水泥中掺入适量的工业废料对软土进行固化，并从机理探讨、室内外试验等方面对此类固化剂加固软土的可行性和适用性进行了分析[20]。张明（2001）对水泥土中粉煤灰外掺剂配方和粉煤灰加固土原理进行了研究，认为掺和了粉煤灰的固化土在水泥水硬性胶结作用下，其结构得到了加强，强度得到了提高，尤其是后期强度增长明显，且固化土中粉煤灰可取代15%～20%的水泥，这样不仅充分利用了粉煤灰工业废料，而且还降低了工程费用[21]。周红波等（2004）用高钙粉煤灰对上海浦东国际机场二期促淤软土进行了加固试验，试验结果表明高钙粉煤灰能加固和改善软土的强度、压缩性、渗透性等物理力学性能，并指出高钙粉煤灰是一种加固促淤软土地基的新型材料[22]。陆华(2006) 针对广东江门地区的软土，通过大量的室内试验，利用高钙粉煤灰、石膏两种工业废渣与水泥等按一定的组合配比研制出了一种新型的软土固化剂[23]。周乃武等（2007）以高炉矿渣为主剂、以烧碱、石膏为辅剂,研制出了一种针对粉砂土的新型土壤固化剂[24]。孟庆山、杨超等（2010）用主固化材料水泥及辅助固化材料石膏和粉煤灰，通过组合配比对武汉东湖疏浚淤泥分别进行固化试验，确定了不同材料组合及配比条件下淤泥固化强度特点[25]。
在硅粉类固化土的研究方面，黄殿瑛（1994）在水泥中添加硅粉对土进行固化试验研究，认为硅粉的火山灰效应和微粒充填效应，能使水泥水化与硬化向有利方向发展，从而提高了固化土的强度[26]。王文军、朱向荣（2004、2005）将性能优异的纳米硅粉作为外加剂应用于水泥土的改性研究，并通过室内试验，探讨了纳米硅粉水泥土的强度特性及固化机理 [27，28]。王立峰、翟惠云（2010）在大量试验的基础上，应用正交试验对纳米硅水泥土抗压强度的影响因素和影响大小进行了定量地分析，并给出了纳米硅水泥土的最佳配合比，试验结果表明，纳米硅粉能显著提高水泥土抗压强度[29]。
在水玻璃类固化土的研究方面，刘同春(1990)用水玻璃作为主剂，添加少量的醋酸乙酯和促凝剂，以海水为溶剂，对孤东海滩地区粉砂土进行了化学固结试验研究。试验结果表明，固结后的砂土强度大幅提高，尤其是后期强度更为显著，并指出可将其广泛地应用于油田软土地基加固[30]。程鉴基(1994、1996) 将水泥-水玻璃灌浆应用于珠江三角洲软土地区的地基加固纠偏、防渗挡土帷幕和码头滑坡工程加固等，并指出，水泥水玻璃灌浆必须根据珠江三角洲软土的实际情况，再结合其它常规的物理方法进行优化组合使用，还指出，珠江三角洲的铁质水、氮氨水、微咸水和酸碱度、矿化度及淤泥有机质等水质土质特性，都会直接影响水泥-水玻璃化学灌浆的固结体强度的耐久性和凝胶时间 [31，32]。黄春香（2002）用水泥-水玻璃对福建沿海地区软土进行加固试验，研究认为水玻璃与水泥和土之间不仅存在着物理吸附作用，还发生了一系列的化学反应，从而提高了土体强度[33]。
（2）离子类土壤固化剂
离子类土壤固化剂（简称ISS）是一种由多个强离子组合而成的化学物质，一般为液态。汪益敏、张丽娟（2001）等用ISS加固广州吉山粉土质砂和砂质低液限粉土，确定了其最佳用量，并探讨了不同条件下ISS固化土的强度和水稳性的变化规律[34]。王尚、张玉斌（2005）等通过试验研究表明，经ISS离子稳固剂固化后的土体的抗压强度、抗折强度和水稳定性都有明显提高[35]。崔德山、项伟（2007）等用ISS对红粘土进行固化试验，得出了ISS加固红粘土的压实性能和强度的变化规律，试验结果表明，在红粘土中加入适量的ISS后，能减少粘土颗粒的结合水，降低粘土的塑性指数，增大红粘土的承载力[36]。 刘清秉、项伟（2009）等用ISS对河南安阳地区膨胀土进行固化试验，结果表明，加入适量的ISS后，能减小土体线缩率，降低膨胀性指标，增大抗剪强度，并能使土体由亲水性变成憎水性，且具有较好的水稳性[37]。
（3）高分子类土壤固化剂
高分子类土壤固化剂原理是：在常温、常压条件下，经催化剂催化和引发剂引发，使高分子单体在土中发生聚合反应，形成网状或空间结构，从而填充土中孔隙以及裹缚土颗粒和土团粒，大大提高土体的强度[38]。刘瑾（2001、2002）等用一种以聚丙烯酸基体系为主体的水溶性高分子土体固化剂（WSP）对黄粘土进行固化试验研究，结果表明，分子量越小时，其固化性能越好，特别是当土体Ca2+含量为2%左右时，固化效果优异[39，40]。王银梅等（2004、2005）采用新型高分子材料SH对黄土进行了固化试验研究，结果表明，用SH加固后的黄土强度高、水稳性好且耐低温。SH是一种新型的水溶性高分子固化材料，是由兰州大学采用高分子合成的方法获得的，它的亲水性强，在水中能无限溶解而形成溶液。SH主要通过氢键、离子交换、吸附等物理化学作用显著提高黄土的强度[41，42]。石坚、姜利（2009、2010）等用美国路邦EN-1土体固化剂对作为基层材料的粘土进行了固化试验，并对固化土的路用性能作了对比分析，结果表明，采用路邦EN-1固化剂稳定土，能显著提高土体强度，明显改善道路基层土的工程特性。路邦EN-1土体固化剂是一种高分子土壤固化剂。它与水稀释后，能与土壤中的矿物质和土壤颗粒发生溶解、结晶、吸收、扩散、再结晶的链式化学反应，将路基凝结成为整体结实、持久的板体结构，增强路基的承载能力，降低路基弯沉，提高路基密实度，提高路基回弹模量，并能显著改善路基的水稳定性[43-46]。
（4）复合型土壤固化剂
复合型土壤固化剂是指一种采用两种或两种以上的化学物质按照一定的比例配合而成的新型固化材料，主要由主固化剂和激发剂两部分组成，有固体和液体两种形态。陈云波（1996年）对石灰固化土的外加剂进行了研究，认为Na2SO4、Al2(SO4)3和石膏对石灰稳定土具有较明显的增强效果[47]。黄晓明（2002）等以水泥、石灰、矿渣等一种或几种互配物作为主固化剂，再选用胡马酸、马来酸、氢氧化钠、碳酸钠、硫酸铝钾、氟化钠、三乙醇胺和胺基磺酸盐等中的较理想的组群作为助固化剂，配制出了一种TR型土壤固化剂，其对粘土及亚粘土的固化效果好，具有良好的路用性能[48]。董邑宁等（2001、2002）分别用ZDYT固化剂和水泥固化粘土，试验结果表明，ZDYT固化剂的固化效果明显优于水泥 [49-50]。方祥位、孙树国等（2006）用GT型土壤固化剂对北京的软土和黄土进行加固试验研究，结果表明，GT型土壤固化剂是一种很好的改良和加固土壤的材料。 GT型土壤固化剂是一种新型的土壤改性加固材料，它以脱硫石膏和高钙灰两种工业废料为主要原料，辅以水泥、熟石膏、生石灰、硫酸铝及明矾石等次要成分，采用生石灰消解法除掉脱硫石膏中的自由水，并按全粉料配料的方法研制而成[51]。郭印（2007）针对含水量高且富含有机质的淤泥质土，配制出了一种以水泥为主固剂，外加FDN、水玻璃、石膏、生石灰、苛性碱、三乙酰胺等添加剂的GX07固化剂。并将该固化剂的固化强度与其它固化剂的强度进行了对比分析，验证了该固化剂在强度发展上的优势[52]。韩信来（2009）经研究表明，利用硫酸钠、尿素、三聚磷酸钠、三乙醇胺、十二烷基硫酸钠、聚炳烯酰胺及硅酸钠组成的新型液态固化剂，在7d龄期的无侧限抗压强度可达到2.38～2.66MPa，28d强度可达到3.35～3.78MPa，具有很好的开发前景[53]。
1.2.3 常用土壤固化剂加固土的固化机理
不同的土壤固化剂加固土的机理有所不同，为了研制性能更优异的土壤固化剂，有必要对目前常用的几类土壤固化剂的固化机理进行了解。
1、水泥加固土机理[54-56]
在土中掺入水泥后，水泥很快与土中的水发生强烈的水解和水化反应，并生成氢氧化钙（Ca(OH)2）和含水硅酸钙（3CaO·2SiO2·3H2O）、含水铝酸钙（3CaO·Al3O2·6H2O）及含水铁酸钙（3CaO·Fe2O3·6H2O）等水化物。具体反应过程如下：
①硅酸三钙（3CaO·SiO2）
硅酸三钙水化反应生成水硅酸钙和氢氧化钙，是决定固化土强度的主要因素：
2(3CaO·5H2O)+6H2O→3CaO·2SiO2·3H2O +3Ca(OH)2
②硅酸二钙（2CaO·SiO2）
硅酸二钙水化反应生成水硅酸钙和氢氧化钙，主要形成固化土后期强度：
2(2CaO·SiO2)+4H2O→3CaO·2SiO2·3H2O +Ca(OH)2
③铝酸三钙（3CaO·Al3O2）
铝酸三钙水化反应生成水化铝酸钙，其水化反应速度最快，可促进早凝：
3CaO·Al3O2+6H2O→3CaO·A12O3·6H2O
④铁铝酸四钙（4CaO·Al3O2·Fe2O3）
铁铝酸四钙水化反应生成水化铝酸钙和水化铁酸钙，能促进固化土早期强度：
4CaO·Al3O2·Fe2O3+2Ca(OH)2+10H2O→3CaO·Al3O2·6H2O +3CaO·Fe2O3·6H2O
⑤硫酸钙（CaSO4）
硫酸钙和铝酸三钙与水发生反应生成钙矾石，以结晶的形式将大量的自由水固定下来，其结晶后体积显著增加，能有效地填充土中的孔隙：
3CaSO4+3CaO·A12O3+32H2O→3CaO·A12O3·3CaSO4·32H2O
水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成水泥石骨格，有的与周围具有一定活性的粘土颗粒发生反应，其反应形式主要有以下几个方面：
（1）离子交换和团粒化作用
土作为多相分散体系与水结合时，会表现出一般的胶体特征，多数土颗粒在天然状态下带负电荷，其表面可带有钠离子或钾离子，它们可以和水泥水化生成的氢氧化钙中的钙离子进行当量吸附交换，结果导致土颗粒表面双电层厚度变薄，从而降低了土颗粒的分散性，促使大量的土颗粒形成较大的土团粒，从而减少土的压缩性，提高土体强度。
（2）硬凝反应（火山灰反应）
随着水泥水化反应的深入，当溶液中析出的钙离子数量超过了上述离子交换的需要量后，组成粘土矿物的二氧化硅（SiO2）和三氧化二铝（A12O3）的一部分或大部分就会与钙离子发生化学反应，生成不溶于水的稳定的结晶化合物。
xCa(OH)2+SiO2+(n-x)H2O→xCaO·SiO2·nH2O
yCa(OH)2+Al2O3+(m-y)H2O→yCaO·Al2O3·mH2O
（3）碳酸化作用
水泥水化中的游离氢氧化钙可吸收水中和空气中的二氧化碳，产生不溶于水的碳酸钙，它使得土的分散度降低，强度得到提高，并增加了土的渗透性。
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
2、石灰加固土机理[16,17,47,57]
在土中加入石灰后，石灰和土将发生一系列的物理化学反应，主要有离子交换反应、氢氧化钙结晶反应、碳酸化反应和火山灰反应。石灰和土拌合后，与水反应生成Ca(OH)2，并在水的作用下进一步解离成Ca2+和OH-离子，其中Ca2+能与Na+、K+离子进行离子交换，使胶体双电层减薄，从而使石灰土具有初期的水稳定性。
CaO+H2O→Ca(OH)2→Ca2+ +2OH-
其中Ca(OH)2中能吸收水分形成含水晶格，把土颗粒胶结成整体，提高了石灰土的水稳定性。
Ca(OH)2+nH2O→CaOH)2·nH2O （氢氧化钙结晶反应）
Ca(OH)2性可与水中和空气中的CO2反应生成CaCO3，它具有较高的强度和较好的水稳性，其对土的胶结作用使土体得到了加固。
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O （碳酸化反应）
另外，土中的活性硅、铝矿物在石灰的碱性激发下发生解离，并在水的参与下与氢氧化钙反应生成含水硅酸钙和含水铝酸钙等胶结物。生成的这些胶结物逐渐由凝胶状态转化为晶体状态，从而使石灰固化土的刚度不断增大，同时强度和水稳定性也不断随之提高。
xCa(OH)2+SiO2+(n-x)H2O→xCaO·SiO2·nH2O
yCa(OH)2+Al2O3+(m-y)H2O→yCaO·Al2O3·mH2O （火山灰反应）
3、工业废料类固化剂加固土机理[17-22,57-58]
此类固化剂大多是在工业废料中掺加适量的水泥或石灰来加固土体。工业废料中的元素组成主要是活性氧化硅、活性氧化铝等，与土壤的元素组成比较接近。在碱性环境下，工业废料中的活性氧化硅、氧化铝能发生硬凝反应生成胶凝物质，在土颗粒和固化剂之间进一步形成有效的作用力，并且强度在较长的时间内稳定地增加，具有良好的抗冻性和水稳性。此外，工业废石膏能与活性物质中的氧化铝反应生成膨胀性物质钙矾石。
4、硅粉（SF）加固土机理[27，28]
硅粉（SF）是一种高活性的火山灰质材料它能与水泥的水化产物氢氧化钙（CH）发生反应，生成水化硅酸钙（CSH），提高了净浆强度，降低了水灰比，并且填充了水泥颗粒间孔隙，而水泥土的结构主要是CSH所形成的骨架结构。因此SF与CH、CSH发生的火山灰反应使得固化土的强度大为提高。
5、水玻璃加固土机理[30-33]
水玻璃为一种复杂的强碱弱酸盐类胶体溶液。它能与许多物质发生非常复杂的物理化学反应。水玻璃加固土的机理是水玻璃遇到粘土中的高价金属离子或PH值低于9的孔隙水，便生成硅酸钙或硅胶颗粒，填充于粘土颗粒间的孔隙，从而提高土体强度。水玻璃除了与土之间生成沉淀填充之外，还有它在粘土颗粒之间的化学胶结作用。在反应中，水玻璃的胶体性质新生物质的水解、高度的吸附能力以及在反应过程中难以确定的其它因素，对反应的产物都有非常大影响。在土和水泥的混合溶液中加入水玻璃后，水玻璃能与水泥水解产生的Ca(OH)2反应生成具有一定强度的水化硅酸钙（CSH）凝胶体。反应式如下：
Ca(OH)2+Na2O·nSiO2+mH2O→CaO·nSiO2·mH2O+NaOH
6、离子交换类固化剂加固土机理[3-4,34-35]
此类固化剂的固化机理是通过自身的离子交换作用来改变土体的性质，使得土颗粒表面吸附层变薄，趋于憎水性，土颗粒因此失去了其膨胀性，从而使整个土层结构变得松散，易被压实。这个过程具有不可逆性，对土壤具有永久的固化作用。目前我国使用的离子类土壤固化剂主要是指从美国引进的ISS固化剂。该固化剂与传统的水泥、石灰等半刚性材料不一样，它是一种柔性材料，且经它固化后的土不易开裂和散解。离子类固化剂是一种环保产品，使用方便，且对人体、动植物及自然均无损害。
7、高分子类固化剂加固土机理[39-42]
高分子类固化剂加固土机理就是在常温、常压条件下，通过催化剂催化和引发剂引发作用，使高分子单体在土中发生聚合反应，形成坚固的网状或空间结构，并填充于土中孔隙和胶结土团粒，通过在土颗粒和聚合物之间形成物理化学联系而大幅提高土体强度。高分子乳液类固化剂加入到土体中会产生化学聚合反应生成大的有机分子链，能胶结土体颗粒，而大的有机分子链交换到粘土分子表层后会产生屏蔽作用，这将减少土体中的吸附水，从而达到改善土体工程性质的目的。
8、复合型固化剂加固土机理[47-53]
复合型固化剂由主固化剂和激发剂两部分组成。此类固化剂加固土原理主要有以下几个方面：①胶结土壤颗粒，在固化土中构成网状结构，形成了土体早期强度；②表面活性作用和缓凝作用，调整固化剂的延迟时间；③与粘土矿物发生化学反应，弥补了网状结构强度的不足，形成了土体的后期强度，从而最终提高土体强度；④激发早强作用，与其它组分反应形成的生成物具有体积膨胀和填充固化土内部孔隙的作用。
1.3 土的微观结构研究进展
土的微观结构是指组成土体的各基本颗粒单元—结构单元相互间通过连接力（如静电力、分子力、氢键等）以及可溶盐（包括易溶盐、中溶盐和难溶盐等）和游离的硅、铝、铁、氧化物、有机质的胶结作用等连接而成的空间格架，包括连结力和连接物质[59]。土的微观结构特征是影响土体工程性质的关键因素之一，近年来已受到大量科研人员和工程技术人员的重视。各国从事这方面的研究人员日益增多，同时也取得了大量的成果。
1925年作为土力学奠基人的Terzagh首次提出了粘土的蜂窝状结构，他认为该结构是在土体自然沉积过程中很常见的一种结构形态，并指出：在评价土体的工程性质时，有必要考虑土体的微观结构，从此开创了土的结构性微观研究的新领域，成为土微结构研究的开端[60]。之后Goldschmit（1926）提出了片架排列结构，并认为高灵敏度的粘土中粘土颗粒为不稳定的片架排列，而低灵敏度的粘土则具有较大的密度和较稳定的排列。Casagrade (1932)在蜂窝结构的基础上提出了基质粘土和连结粘土的概念[61]。土壤微观形态学创始人W.L Kubiena从土壤学的角度出发，对大量的土壤微结构形态进行了研究，提出了一套土壤微结构形态的描述体系和大量的相关术语，是微结构分类的重要依据，首次对土微观结构进行了系统的研究。由于土体微结构的复杂性和观察技术手段的限制，研究人员往往通过假想来建立土体的微结构模型，再根据土的宏观力学性能对其进行验证，仍处于对微结构的定性分析阶段，但此阶段的研究成果为后续土体微结构的研究奠定了重要的理论基础。
20世纪50年代到80年代为土体微观结构研究的快速发展和成果频出的阶段，光学显微镜、偏光显微镜和X射线等技术手段在土体的微结构研究过程中得到了广泛应用，尤其是扫描电子显微镜的出现，使得土体微观结构的研究得到了突破性的进展。Lambe (1953-1959)从胶体化学及双电层理论出发，提出由边—边和边—面接触的开放式（Open）的非盐絮凝结构，由面—面和边—面接触的盐絮结构以及由面—面接触的分散（Dispersion）排列结构[62]。R. Brewer (1964) 第一次提出了“组构”的概念[63]。陈宗基（1957）提出了片状颗粒的接触形式，并给出了相应的三维网络模型。Tovey等（1973）首次尝试根据电子显微镜试验成果对土体微结构进行定量化研究[64]。唐大雄（1987）将细粒土的微结构划分为六种基本结构类型：絮凝结构、团粒结构、骨架结构、片堆结构、凝块结构和磁畴结构等[65]。
90年代以来，随着现代高科技的迅速发展、计算机技术的快速更新和新方法的不断出现，土的微结构进入了定量化研究和工程应用的新阶段。施斌等（1995）用Videolab图像分析系统对粘土进行了结构定量化分析[66]。白晓红等（2001）用强化定向法分析了粘性土的微观结构[67]。刘莹，肖树芳等（2003,2006）研究了吹填土的微结构特征，并对吹填土的固化机理及吹填土在固结条件下的结构强度的增长机理进行了分析[17,68]。李忠良（2006）以室内试验与理论分析相结合，从宏观到微观再到宏观为研究方法，对天津滨海新区吹填土的微结构与宏观力学性质之间的关系进行了系统的研究[69]。杨爱武，杜东菊，王春波等（2007,2010）通过微观试验，对固化土的微结构进行了定量化分析[14,15,70]。张彦（2010）通过对天津滨海新区分布的三类软土（海积软土、吹填软土和湖沼相软土）的微观试验，将微结构参数定量化，并建立了滨海新区软土微观结构图谱[71]。程寅，李战国等（2011）采取SEM、XRD、EDXA等试验对固化土的固化机制进行了分析[72]。
微结构的提出和发展，在土结构的定性分类、定量化分析及解释土体的某些工程性质方面起到了重要的作用。结构性为土体最基本的特性之一，在地基处理加固中，无论使用哪种方法对其进行处理，其核心都再在于改善土体的结构，以达到加固地基的目的。本文将对固化剂固化后的吹填土进行微观试验，对其进行定性和定量化研究，揭示固化剂固化机理以及固化土微观特性与其宏观力学性能的关系。

1.4 固化土力学特性的研究现状
由于室外条件的限制，在室内对固化土进行各种力学特性试验已成为室外试验和工程设计中最为重要的参考依据，所以通过室内试验手段对固化土的力学特性进行研究具有非常重要的意义。目前，人们主要从固化土的强度特性、压缩变形特性及本构关系等几个方面对固化土的力学特性进行研究和探讨。
1.4.1 固化土强度特性的研究
固化土的强度指标通常由固化土试样的无侧限抗压强度试验来检验。固化土的无侧限抗压强度是指固化土在无侧限压力的条件下抵抗轴向压力的极限强度，其为固化土最基本、最重要的力学性能指标[73]。影响固化土无侧限抗压强度的因素有很多，主要有水泥掺入比和标号、龄期、土样的含水量、土样中的有机质含量、养护条件及外加剂含量等。
ShenbagaR.Kaniraj等（1999）建立了固化土强度与水泥掺量、粉煤灰掺量及龄期之间的函数关系[74]。张家柱（1999）研究表明，在相同水泥掺量条件下，水泥的标号越高，配制的水泥土的强度也越高，325#水泥每增加1%的水泥掺量，无侧限抗压强度平均增加244kPa，而425#水泥则增加276 kPa[75]。汤怡新等（2000）通过大量的试验研究表明，水泥用量是影响水泥固化土抗压强度的主要因素，且对任意软质原料土，都存在一个最低水泥用量，若达不到这一用量则起不到固化作用；其次是原料土中的含水量，并通过对28种配方试验结果进行分析，提出了一个原料土含水量对抗压强度影响的经验公式[76]。陈甦等（2001、2006）根据三种水泥土的室内配比试验，分析了水泥土抗压强度随水泥掺入比、龄期及土天然含水量的变化规律[77，78]。杨滨（2007）通过对大量的强度试验结果进行分析，认为对水泥土的强度影响性大小依次为：似水泥含量、龄期、似含水量，且似含水量和似水泥含量间的交互作用明显[79]。且刘顺妮等（1998）采用石膏等外加剂对不同含水量的粘土进行了固化试验以及XRD和SEM分析，结果表明，外加剂对水泥稳定土的作用效果随粘土的含水量不同而不同[80]。徐日庆等（2007）通过在软土中添加腐殖酸制备得到了有机质含量不同的人工有机质土，并对人工有机质土进行了固化试验，结果表明，随着固化土中有机质含量的增加，固化土强度呈对数形式下降[81]。储成富（2006）将不同含量的有机质掺入到盐城泻湖相软土中制成试料土，对其进行了大量的水泥加固试验，并对试验结果进行了分析，提出了水泥加固不同有机质含量的软土后的室内无侧限抗压强度预测公式[82]。张春雷等（1997）研究了在不同添加量和不同龄期条件下的单一固化材料和复合型固化材料固化淤泥土的强度规律[83]。徐日庆、绍玉芳（2005）对取自温州半岛工程海堤淤泥质土进行室内加固试验，选定了土壤固化剂的最佳掺量，并在不同含水量、不同养护条件下，对不同龄期固化土进行了抗压强度试验，结果表明，养护温度下降10ºC，固化土强度随之下降15%～40%，土中含水量减少5.8%，固化土强度随之提高8%左右，且固化土在不不浸水养护条件下比浸水养护时的强度提高了50%左右[84]。
1.4.2 固化土变形特性的研究
当固化土呈压缩破坏时，破坏应变εf已成为衡量固化土变形特性的重要指标之一，若材料破坏时的应变大，可视为材料韧性好，反之，若破坏时的应变小，则材料表现为脆性破坏。变形模量E50也是用来度量固化土变形特性参数之一，E50是指固化土轴向应力达到50%抗压强度时水泥土的割线模量。
刘焕存（1997）经研究认为，对于一般夯实水泥土，εf可取1.4%～1.8%[85]。杨怡新（2000）经研究表明，水泥固化土的破坏应变大多分布在1%～2%之间，且随抗压强度的增大有减小的趋势[76]。梁仁旺等（2001）经试验研究认为，随着水泥掺入比的增加，水泥土破坏后期的下降段变得越来越陡，材料性能趋向脆性，同时，应力达到峰值时的应变逐渐减小且小于1%，而一般土体的峰值应变大于3%[86]。Glen A.Lorenzo等(2004)用水泥掺量之比与固化后土的孔隙比来描述固化土的压缩变形特性[87]。李建军等（2009）研究了不同试验手段对测定水泥土的变形模量的影响，结果表明，采用棱柱体抗压强度来测定水泥土的变形模量比较合理、简单，并提出了抗压强度与水泥土变形模量的关系[88]。
1.4.3 固化土本构模型的研究
随着计算机的发展和各种建筑物的大量兴建，土的本构模型已成为土力学领域中的重要分支，同时也推动了试验土力学和计算土力学的发展。土的本构模型是根据土的力学特性和试验结果，结合弹塑性本构关系理论而建立起来的数学模型，用来处理工程问题中的弹塑性应力、应变及强度和变形的问题。由于土的复杂性及试验条件的限制，不可能建立一个对任何土质类型和任何条件下都适用的本构模型。因此，针对具体的土质类型建立一个适用的本构模型有着重要的现实意义[89,90]。
目前，国内外对固化土本构关系的研究主要以水泥系固化土为主。根据前人的研究资料，可以将水泥土的本构关系模型大致上分为弹塑性本构模型、损伤本构模型及由前两者结合起来建立的弹塑性损伤本构模型。郝巨涛（1991）对水泥土进行了常规的三轴试验，结果发现水泥土的试验结果和胶结土的试验结果不同，其应力-应变曲线没有明显的折点，为驼峰状的应变软化型，而与超固结土十分相似，随着软化现象的发生，水泥土具有明显的剪胀现象，且随着围压升高，软化现象与剪胀现象逐渐减弱，当达到一定围压时，材料最后即转化为理想弹塑性材料，并根据试验数据在Roscoe等人的临界状态理论的基础上，利用应力比参数(q-p0)/p对塑性应变增量进行了回归分析得出了水泥土的塑性势，并采用相关联的流动规则与塑性应变硬化规律，建立了水泥土的弹塑性本构模型[91]。王立峰等（2003、2008）在试验的基础上，研究了纳米硅水泥土的变形特性，建立了单轴受压条件下纳米硅水泥的本构模型；以塑性理论为指导，建立了纳米硅水泥土的屈服准则，并推导到出了纳米硅水泥土的弹塑性本构模型[92,93]。郭印（2007）对固化土的无侧限抗压强度与三轴试验中的应力-应变曲线进行可非线性拟合，建立了符合该固化土自身特点的非线性本构关系[52]。张土乔(1992)以连续性损伤力学为基础，建立了水泥土的损伤本构模型和损伤演变方程，并对此进行了室内试验验证[94]。童小东等(2002)通过对损伤试验曲线进行分析和研究，探讨了水泥土的损伤机制，将水泥土的变形和损伤过程分为裂纹和孔洞的闭合阶段、水泥土的线弹性响应阶段、微缺陷的稳态扩展阶段和裂纹贯通及非稳态扩展阶段等四个阶段；并通过对损伤试验结果的整理，得到了应力、应变和损伤变量及有效作用应力、有效塑性应变与有效弹性模量之间的关系曲线，阐述了它们的发展和变化规律，为水泥土弹塑性损伤模型的建立奠定了基础[95]。王文军（2003）分析和描述了纳米硅水泥土受压破坏的过程，解释了纳米硅水泥土在受力过程中的损伤现象及细观损伤机制，分上升和下降两段建立了单轴受压条件下纳米硅水泥土的非线性本构模型，并给出了模型参数的选取方法和建议[96]。
1.5 本文的主要研究内容及技术路线
通过对国内外有关固化土方面的研究现状的简要介绍，结合实际工程的需要，在前人研究的基础上，提出了本文所要进行的研究课题：天津滨海新区吹填软土的固化及及其力学特性研究。
1.5.1 主要研究内容
本文主要研究的内容有：