土遗址是特定历史环境留下的不可移动文物,不同土遗址记载的不同社会环境文化汇成中华民族的传承。但由于所处环境恶劣与缺乏保护,土遗址现状不容乐观。土遗址保护在我国发展较晚,目前相对广泛使用的,采用化学试剂对生土体进行加固的方法主要目的在于提高土遗址的抗水、防风化等耐久性能力,对抗震等力学性能方面研究相对不足。本文依托国家自然科学基金项目聚合物纤维网面层加固土坯砌体的黏结机理与抗震性能研究,在对有机和无机加固试剂与试验土料适用性分析的基础上,进行了加固土体的力学性能研究,包括直剪试验、单轴抗压试验和劈拉试验,对比分析了全渗透及部分渗透加固前、后土体力学性能指标的变化规律。并通过微观结构分析,分析了化学加固对生土试件宏观力学性能的作用机理。结合宏观力学试验和微观结构分析结果,进行了化学加固土体的单轴抗压本构关系分析,提出了本构关系模型。本文的主要研究成果总结如下:(1)通过渗透性、外观保持性、透汽性、耐水性、耐盐碱和耐冻融试验,分析了大连粉质黏土和福建南靖黏土质砂与化学加固试剂间的适用性。结果表明,正硅酸乙酯(TEOS)与黏土质砂的各项适用性整体较好,其对原土的渗透性、外观保持性和透汽性表现均为最优,但会导致粉质黏土加固后开裂,后续使用受限。水性聚氨酯与两种生土材料的渗透性、外观保持性和透汽性表现最差,但加固后的土料耐水、耐盐碱和耐冻融性最优,其浓度越大,上述效果表现越显著。4.8模数PS的加固效果介于TEOS和水性聚氨酯之间,无明显使用限制性。3%、5%和7%浓度PS的加固效果对比发现,5%浓度的PS综合效果相对较优。(2)通过直剪试验、单轴抗压试验和劈拉试验对3%、5%、7%浓度PS试剂和3%、7%和12%浓度水性聚氨酯试剂全渗透加固生土材料抗剪、抗压和抗拉的力学性能进行了研究,对比分析了素土和加固试件破坏形态及强度。结果表明,随时间发展,28d后水性聚氨酯和PS均能充分发生化学作用,提高粉质黏土颗粒间的粘聚力,进而提高加固土体的力学性能。其中,抗剪强度最大分别能提高82.52%和17.98%,单轴抗压强度最大能分别提高107.41%和18.52%,抗拉强度最大分别能提高126.8%和13.4%。7%水性聚氨酯和5%PS对粉质黏土力学性能的改善综合效果最优。对黏土质砂生土材料而言,PS加固效果较差,强度提高幅度有限,而水性聚氨酯和TEOS均能显著提高加固土体的单轴抗压强度。12%水性聚氨酯效果与TEOS效果相似,提高幅度分别为91.67%和 108%。(3)为探究实际施工条件下,化学试剂部分渗透的加固粉质黏土力学性能,进行了半渗透加固土料的抗剪、抗压性能试验。试验结果表明,半渗透加固土体的抗剪、抗压强度均高于素土强度,但提高幅度明显低于全渗透加固土体,约为全渗透加固的50%左右。直剪试验中,抗剪强度受到加固土体—素土接触面与剪切力施加方向夹角的影响,垂直夹角方向的抗剪强度要低于平行方向的强度,试件破坏时表面出现沿接触面方向的通长裂缝。单轴抗压试验中,裂缝首先形成于试件中未加固素土部分或加固土体—素土接触面,随着荷载增加向加固土体部分发展。最终破坏时,试件表面和内部裂缝主要形成于素土部分,加固部分裂缝较少,抵抗变形的能力较高。(4)通过扫描电镜(SEM)试验,对比分析了 PS、水性聚氨酯和TEOS加固粉质黏土和黏土质砂的内部微观结构变化以及与宏观力学性能的关系。试验结果表明,化学加固试剂通过化学作用在生土材料内部形成了不同成分的空间联结结构体系,提高了土体颗粒间的联结,验证了直剪试验发现的加固土体粘聚力提高现象。PS需要通过与黏土矿物反应生成针刺状硅酸盐凝胶,但生成速度相对较慢,导致加固试件前期强度较低。水性聚氨酯在土体中固化,形成尺寸相对较大的枝蔓状结构,与土体颗粒连接紧密且自身固化速度快,加固试件的强度高,但影响土体的透汽性,对黏土质砂加固效果较好。TEOS通过水解作用在土体中形成线状或薄片状硅氧烷体系,生成物尺寸最小,对土体原微观结构影响较小的情况提高加固土体的强度,加固土体透汽性最优。(5)结合单轴抗压试验现象与应力-应变曲线特征将曲线为四段:孔隙压缩阶段、伪线弹性阶段、裂纹不稳定发展阶段、裂纹快速发展阶段。对比分析了 PS、水性聚氨酯加固粉质黏土变形指标,结果表明,PS、水性聚氨酯加固后荷载峰值应变下降、弹性模量增加、泊松比增加、韧性降低,荷载峰值应变降低幅度分别为30%、10%;弹性模量增幅分别为96%、138%;泊松比增幅分别为34%、8%。并根据变形指标分析了微观结构的特性。基于生土材料应力应变特性,建立了加固前、后粉质黏土的本构关系模型,并与试验结果吻合良好。