广州南沙地区软土多为高含水量的淤泥和淤泥质土，具有压缩性高、承载力低、结构性强等不良工程特征^[1-4]，须妥善处理方可满足工程建设需要.用固化剂加固土体，是工程上常用的软基处理方法之一.最常用的土壤固化剂是水泥，但对于某些土质, 仅仅采用水泥加固效果不佳, 从而限制了该技术的应用范围，此外，该技术需耗用大量水泥，因此, 开发适应于各类土质的固化剂, 降低成本, 是软土地基水泥加固技术发展中亟待解决的重要课题.

现有研究表明：利用水泥、石灰浆体搅拌地基加固技术能降低工程造价^[5-6]；加固土体的强度随水泥、石灰的掺入量增大而增大，二者可发挥各自的优点，提高地基土体强度，地基强度随龄期增长而增大^[7]；当粉质黏土中水泥掺入比为15%时，石灰中所含氢氧化钙对水泥土的增强作用有限，但总体规律为随着氢氧化钙掺量的增加石灰水泥土强度在增大^[8]；利用工业废石膏与水泥配合加固软土地基，与单用水泥加固相比，土体强度可成倍提高，具有一定的经济效应，不同土体石膏的最佳掺入量不同^[9-11].工程实践也表明, 与单用水泥相比, 用磷石膏与水泥配合加固软土地基可大幅度提高加固土强度, 拓宽水泥加固技术适用的范围，技术、经济和环境效益显著^[12]；有学者认为单从宏观力学方面不能很好的评估土壤加固，还需要研究微观层面钙矾石地形成^[13]；随着龄期的延长，水泥-石灰处理过的淤泥土中微孔填充作用更明显，这是强度提高的重要微观层面原因^[14]；含石膏与不含石膏的水泥加固土在水化反应程度与物理微结构方面均存在着较为显著的差异，并导致了加固土体宏观强度表现上的不同^[15].也有学者建立神经网络模型来分析软土的微观结构^[16].但就目前看来，针对珠江三角洲地区软土的固化研究还不完善.本文立足现有成果，以广州市南沙区软土作为为研究对象，分别用石灰、石膏、膨润土伴以水泥进行加固，研究各种固化剂与水泥共掺时对南沙软土的加固效果.

1 原状土物理力学特性

本次研究以广州市南沙区环市大道与双山大道交汇处淤泥作为试验用土.其基本参数如表 1所示.

2 试验方法 2.1 试样制备

将取来的土样放入烘箱烘干.将烘干后的土样击碎, 过2 mm筛, 将筛余的土置于塑料桶密封备用.

直剪试验试样由直径61.8 mm高20 mm的环刀制备.无侧限抗压试验试样，由内径39 mm高80 mm的三瓣模制备.制备方法：按一定配比(如表 2所示)称取适量干土、水泥及与之搭配的固化剂，置于配样桶中，充分混合.按照70%的含水量及0.5的水灰比所需水量取适量水掺入，搅拌均匀.将洗净的三瓣模组装好, 内壁涂一层薄机油，置于涂有机油的玻璃片上，将土体分3~5层加入模中捣实、整平、覆盖玻璃片, 放入塑料袋密封，置于底部有少量水的密封箱中，至龄期试验.环刀制样与三瓣模类似.留少许加固后土做扫描试验，养护条件相同.本实验所用到的固化剂有：广州产石井牌42.5级普通硅酸盐水泥、石灰、石膏、膨润土.

2.2 选用试验

本次研究选用直剪试验、无侧限抗压试验及电镜扫描试验.环刀制备的土样用于直剪试验，用应变控制式直剪仪进行试验，得到固化土样的内摩擦角及黏聚力.三瓣模制备的土样用于无侧限抗压试验，用液晶全自动压力试验机进行试验，得到固化土样的无侧限抗压强度.备用的少许土样用JSM6490LV型扫描电子显微镜进行试验，研究固化土样的微观结构特征.

3 试验结果及分析 3.1 水泥单掺试验

目前, 国内水泥土的水泥掺入比一般为5%~25%^[17]，试验选10%、15%、20%、25% 4个掺入比，7 d、15 d、28 d 3个龄期试验结果见表 3.

如表 3所示，相同水泥掺量固化土样的抗剪强度及无侧限抗压强度随龄期的增加而增大，同一龄期随水泥掺入比增大而增大.从龄期28 d数据看，当水泥含量从10%增加到15%时，土体内摩擦角、黏聚力、无侧限抗压强度分别提高了48.38%、72.65%和144.81%，当水泥掺入比由15%增加到20%时，这3个参数的增长率分别为49.31%、23.93%和46.14%，水泥掺入比由10%增加到15%时强度上升的幅度最大.分析7 d时数据，也能得出类似结果.结合工程常用掺入比，综合考虑选取15%的水泥掺入比为基准.

3.2 其他固化剂与水泥同时加固数据及分析

以15%基准水泥掺入比和70%基准含水量为基础，分别添加石灰、石膏、膨润土.不同掺入比、不同龄期的土体各强度指标如表 4所示.由表 4看出，与水泥单掺试验类似，同一掺入比下土体的抗剪强度及无侧限抗压强度随龄期的增加而增大，同一龄期随各种固化剂掺入比增大而增大，但各自的影响效果不尽相同.

3.2.1 水泥-石灰加固土体试验数据分析

在水泥基准掺入比为15%的基础上，将石灰按不同掺入比加入其中与水泥一起加固南沙淤泥，实验数据如表 4所示.由表 4中数据可得出以下结论：

(1) 后期强度：以龄期28 d数据为例，石灰掺入比为1.5%时，较之单掺水泥试验，土体的内摩擦角、黏聚力、无侧限抗压强度分别增加了14.4%，9.7%和15.3%.这说明石灰的加入对水泥固化南沙淤泥有一定帮助.当掺入比由1.5%增加到3%时，这3个指标的增长率分别为18.7%、5.1%和65.4%，整体上有较大的提升，这说明石灰掺入比会影响水泥对南沙淤泥的加固效果.而当石灰的掺入比升高至4.5%时，这3个参数的增长率为6.9%、2.0%和9.0%，增加幅度显著下降，这说明，在基准水泥掺入比不变的情况下，固化土的强度随石灰掺入比的增加，在3%左右的石灰掺入比下效果最佳.将石灰掺入比为3%的数据与单掺水泥的数据比较得出，掺入3%的石灰后土体的内摩擦角、黏聚力、无侧限抗压强分别增长了35.8%、15.4%和90.6%，效果理想.

(2) 早期强度：以7 d数据为例，相比于单掺水泥数据，掺入3%的石灰后土体的内摩擦角、黏聚力、无侧限抗压强分别增长了63.7%、33.2%和25%，效果比较理想.这说明石灰能一定程度提高水泥加固南沙淤泥的早期强度.但与结论(1)中的分析数据相比，整体上看，石灰对水泥加固南沙淤泥的后期强度影响较为明显.

3.2.2 水泥-石膏加固土体试验数据分析

在水泥基准掺入比为15%的基础上，将石膏按不同掺入比加入，与水泥一起固化南沙淤泥，实验数据如表 4所示.由表中数据可得出以下结论：

(1) 从28 d数据看，以与石灰相同的方法分析可以得出石膏的最佳掺入比为1.5%.

(2) 从7 d数据看，较之单掺水泥试验，掺入1.5%的石膏后土体的内摩擦角、黏聚力、无侧限抗压强分别增长了56.2%、32%和92%，效果很好.这说明石膏能较大幅度提高水泥加固南沙淤泥的早期强度.

(3) 以龄期为变量来分析数据，石膏掺入量为1.5%时，土体7 d的内摩擦角、黏聚力及无侧限抗压强已经达到其28 d强度各个指标的86.4%、76.3%和84.9%.这说明石膏的加入能加快水泥加固南沙淤泥后土体强度形成速率.

(4) 当石膏掺入量为1.5%时，土体内摩擦角、黏聚力及无侧限抗压强度分别为15.89°、127kPa和1 013 kPa，而单掺20%水泥这3个参数分别为18.41°、123.52 kPa和966 kPa，两组数据大体上已经持平.这说明，在同一强度要求下，石膏的加入可以降低加固南沙软土水泥的使用量，减小幅度在25%左右.

3.2.3 水泥-膨润土加固土体试验数据分析

在水泥基准掺入比为15%的基础上，将膨润土按不同掺入比加入其中与水泥一起固化南沙淤泥，试验数据如表 4所示，由表 4可知：

(1) 从28 d数据看，膨润土最佳配比应在1.5%~3%之间，再结合7天强度数据，可知在3%左右.

(2) 从7 d数据看，较之单掺水泥试验，掺入3%的膨润土后土体的内摩擦角、黏聚力、无侧限抗压强分别增长了70.3%、35.7%和123.2%.这说明膨润土能大幅度提高水泥加固南沙淤泥的早期强度.

(3) 膨润土掺入比为3%时，28 d内摩擦角、黏聚力及无侧限抗压强度分别为20.44°、156.21 kPa和1 200 kPa，已经超过单掺20%水泥时的数值，而且接近单掺25%水泥时数值.这说明，强度要求相同时，膨润土的加入可以降低加固南沙软土所需水泥25%~40%的使用量.

3.3 微观试验结果分析

土体所表现出的各种物理力学特性均与它的微观结构直接相关，用固化剂固化软土的方法其实质就是从土体结构方面去改善土体特性.为了进一步研究固化剂对南沙淤泥的固化效果，本文对原状土样和固化后土样分别进行扫描电子显微镜观测，根据电镜扫描的结果，从微观角度来分析土体的结构变化与宏观物理力学性质之间的联系.

3.3.1 原状土及水泥加固土微观结构特征

图 1为南沙原状淤泥电镜扫描图片，从图中可以看出，土体由不规则片状土颗粒组成，一些土颗粒散乱分布在土体内部，其骨架松散、孔隙较大，土颗粒之间主要是接触连接.

图 2为单掺15%水泥的固化试样电镜扫描图片，从图中可以看出，土体内部片状结构不再那么明显，土中出现了一定数量的杆状、球状和纤维状物质，使土颗粒集聚成团.这是由于水泥水化所产生的大量Ca²⁺与黏土矿物反应生成的纤维状物质附着在土颗粒和胶凝体表面，把它们胶结在一起，使得颗粒之间的孔隙减小，土体变得相对致密，颗粒间的相互作用增强，强度得以提高.

3.3.2 水泥-石灰加固土微观结构特征

以石灰掺入比为3%时为例，如图 3所示，相比于图 2，与之类似的是有一定数量的杆状、球状和纤维状物质使土颗粒集聚成团，不同的是土体的颗粒团更大.这是由于石灰加入后，使土体中的Ca(OH)₂、Ca²⁺、OH^-含量大大提高，更多的Ca²⁺与土骨架SiO₂表面的Na⁺、K⁺进行当量吸附交换, 胶体吸附层减薄，使大量的土颗粒形成较大的颗粒团.而且，Ca(OH)₂的结晶反应使石灰吸水形成含水晶格(Ca(OH)₂·nH₂O)形成的晶体相互结合，并与土颗粒结合形成共晶体，把土颗粒胶结成整体.

3.3.3 水泥-石膏加固土微观结构特征

以石膏掺入比为1.5%时为例, 如图 4所示.与图 2相比，颗粒排布更有规律，颗粒团更大.与图 3相比，土体中杆状、纤维状物质含量增多，这是由于石膏与水泥中的含铝相水化物反应生成大量的钙矾石晶体，钙矾石晶体是较粗大的针柱状晶体，它们在孔隙中相互交叉，并与水化硅酸钙一起构成空间结构，起到支撑孔隙、减小加固土平均孔径的作用，弥补了土体孔隙造成的强度损失，使加固土强度进一步提高.

3.3.4 水泥-膨润土加固土微观结构特征

以膨润土掺入比为3%时为例, 如图 5所示.与图 3相比，图中出现一些簇在一起的珊瑚状物质.这与膨润土的特殊性质有关.膨润土的主要成分是蒙脱石，蒙脱石具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积8~20倍的水而膨胀至30倍，蒙脱石和软土混合后具有可塑性和黏结性，能使周围的颗粒团簇在一起.膨润土吸水可减少土体自由水含量并填充原有孔隙，减小固化土孔隙大小，并与水化硅酸钙一起构成空间结构，因而使土体具有更高的强度.

4 结论

(1) 在15%的水泥基准掺入比的情况下，掺加石灰、石膏、膨润土能较大幅度提高南沙固化软土强度.

(2) 石灰的最佳掺入比为3%，相当于水泥掺量的20%左右.相对于单掺水泥，龄期28 d强度有较大提高，其中无侧限抗压强度甚至提高了90%以上.

(3) 石膏的最佳掺量为水泥掺量的10%左右，石膏能大大提高水泥加固南沙淤泥土的早期强度，当其含量为水泥10%时，龄期7 d无侧限抗压强度较之单掺水泥提高了92%，同时提高水泥加固南沙淤泥强度的形成速率.在强度要求相同的条件下，掺入占水泥10%左右的石膏能使水泥用量减少25%左右.

(4) 膨润土的最佳掺量为水泥掺量的20%左右.膨润土能大幅提高水泥加固南沙淤泥的早期强度, 当其掺量为水泥的20%时，龄期7 d无侧限抗压强度比单掺水泥提高了1倍有余，而且在此掺入比下，就28 d强度来看，能使水泥使用量减少25%~40%.

(5) 土体微观结构的改变是影响其宏观力学性质变化的重要影响因素，不同固化剂掺入时土体的内部结构各不相同，因而会表现出不同的物理力学特性.