低溫下水泥改性弱膨脹土抗壓性能試驗(yàn)與分析

馬芹永，錢(qián)葉宇

(1. 安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

水泥改性土和人工凍結(jié)法在地鐵、綜合管廊等地下工程施工中應(yīng)用廣泛[1-3]。綜合考慮安全、成本、工期等因素后，許多工程或單獨(dú)或聯(lián)合運(yùn)用兩種方法。

在水泥改性和凍結(jié)法施工設(shè)計(jì)中，水泥摻量和相應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是重要的參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)施工安全性和經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的重要指標(biāo)。

部分聯(lián)合采用兩種方法的工程實(shí)例如下。文獻(xiàn)[4]在凍結(jié)法施工中，采用融沉注漿技術(shù)，有效地控制了解凍后地表沉降。文獻(xiàn)[5]在無(wú)錫地鐵盾構(gòu)接受處采用了水平凍結(jié)+管棚注漿的方式，保證了施工的安全。文獻(xiàn)[6]在某聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)施工前，對(duì)地層進(jìn)行預(yù)注漿加固處理，取得了良好的效果。文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了砂層注漿漿液擴(kuò)散模式的研究，優(yōu)化了注漿工藝。文獻(xiàn)[8]用水泥土樁未能阻涌水涌砂，采用液氮快速凍結(jié)加固地層，阻止了問(wèn)題進(jìn)一步發(fā)展。

上述實(shí)例表明，水泥加固和凍結(jié)法加固兩種方法，難以獨(dú)立承擔(dān)復(fù)雜地層條件下的施工任務(wù)。與其在隱患甚至事故發(fā)生時(shí)采用補(bǔ)救措施，不如在施工前進(jìn)行全面設(shè)計(jì)，兩種方法聯(lián)合運(yùn)用，僅按止水要求設(shè)計(jì)凍結(jié)溫度和凍結(jié)壁厚度，而綜合考慮水泥加固和凍結(jié)條件下的地層承載力，從而相對(duì)節(jié)約成本，提前消除重大安全隱患。

文獻(xiàn)[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，水泥固化土的抗壓強(qiáng)度主要取決于水泥摻量，其次是原料土的含水率。文獻(xiàn)[10-11]研究了含水率、空隙率和水泥摻量對(duì)水泥改性粉土強(qiáng)度的影響。文獻(xiàn)[12]研究了碳化作用對(duì)水泥改性石英砂強(qiáng)度特性的影響。文獻(xiàn)[13]探究了含煤偏高嶺土對(duì)水泥改性粉土抗壓強(qiáng)度和滲透性的影響及機(jī)理。文獻(xiàn)[14]從微觀和化學(xué)反應(yīng)的角度研究了不同養(yǎng)護(hù)條件下水泥改性土的強(qiáng)度增長(zhǎng)機(jī)理。文獻(xiàn)[15]進(jìn)行了水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度表征參數(shù)的研究。文獻(xiàn)[16]進(jìn)行了膨脹土水泥改性試驗(yàn)，研究了水泥改性對(duì)抑制膨脹土強(qiáng)度軟化、模量減小的效果。文獻(xiàn)[17]從微觀角度，研究了水泥對(duì)膨脹土的改性機(jī)理。文獻(xiàn)[18]研究了不同凍結(jié)溫度下黏土和砂土的單軸抗拉，抗壓強(qiáng)度，并得到了相應(yīng)的壓拉比。文獻(xiàn)[19]研究了飽和軟黏土在溫度、應(yīng)變速率、含水率和干密度等影響因素下單軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[20-21]探究了凍土單軸抗壓強(qiáng)度與含鹽量、含水率、負(fù)溫的關(guān)系。文獻(xiàn)[22]對(duì)含硫酸鈉渠基土進(jìn)行了不同含鹽量和干密度下的強(qiáng)度特性研究。文獻(xiàn)[23]研究了高溫高含冰量?jī)鼋Y(jié)黏土的單軸抗壓強(qiáng)度特性。

目前對(duì)不同土質(zhì)的凍土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究較多，而對(duì)凍結(jié)水泥土的強(qiáng)度性質(zhì)研究較少。文獻(xiàn)[24]通過(guò)水泥改性上?；尹S色粉砂，得到了針對(duì)該土體凍脹率和融沉率隨水泥摻量的變化規(guī)律，證明了水泥改性對(duì)土體凍脹有明顯的抑制作用，找到了水泥摻量的門(mén)檻值和最佳值。文獻(xiàn)[25-26]通過(guò)凍結(jié)水泥土的系列試驗(yàn)，得到了凍結(jié)水泥改性砂土和黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量、齡期和溫度的變化規(guī)律及其凍脹特性。對(duì)凍結(jié)水泥土的力學(xué)特性，有必要針對(duì)不同地區(qū)不同性質(zhì)的土進(jìn)行大量的相關(guān)試驗(yàn)，增加已得結(jié)論的可靠性。

本文對(duì)所研究的弱膨脹土，進(jìn)行不同水泥摻量以及凍結(jié)和室溫下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以找到最佳水泥摻量，驗(yàn)證并評(píng)估水泥改性和凍結(jié)兩種方法對(duì)該土體的加固效果。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用土為合肥某地鐵建設(shè)工程的弱膨脹土，該土的基本性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 土體基本參數(shù)

采用重塑土進(jìn)行試驗(yàn)，先將土在溫度設(shè)定為105℃的鼓風(fēng)烘箱中烘至恒重，再用橡皮錘將干土碾碎，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)程，過(guò)2mm篩，每次取土進(jìn)行試驗(yàn)前將土在塑料袋中攪拌均勻，以確保每一批次所用的土顆粒級(jí)配接近。為了使試驗(yàn)更接近于實(shí)際情況，采用天然含水率20%作為試驗(yàn)含水率。

水泥采用P.O.42.5水泥，水泥摻量依次為0%、5%、8%、10%、12%、15%、18%和20%，水膠比取0.5。

在干土中按天然含水率20%加水；將濕土放入密封袋中靜置24h，以確保水分在土中分散均勻；按照所設(shè)定的水泥摻量，先將水泥均勻拌入土中，再加入根據(jù)水膠比計(jì)算所需的水量；最后，采用分層擊實(shí)法，制作φ50mm×100mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試塊，脫模后，將試塊裝入密封袋中密封，室溫下養(yǎng)護(hù)28d。

1.2 試驗(yàn)方法

在進(jìn)行水泥土凍結(jié)條件下的試驗(yàn)時(shí)，先將養(yǎng)護(hù)好的試塊在-10℃低溫箱中凍結(jié)24h；提前半小時(shí)將單軸壓力機(jī)打開(kāi)并調(diào)節(jié)到設(shè)定溫度，使壓力機(jī)內(nèi)的溫度均衡；再迅速將試塊放入低溫壓力機(jī)中，再恒溫20min，以降低取放試塊時(shí)溫度變化所導(dǎo)致的的誤差。

試驗(yàn)采用應(yīng)變控制法進(jìn)行，設(shè)定的變形速率為1%/min。開(kāi)始試驗(yàn)前預(yù)壓至0.02kN。試驗(yàn)自動(dòng)結(jié)束條件為：應(yīng)力達(dá)到峰值后降低20%或者應(yīng)變達(dá)到20%。該試驗(yàn)機(jī)每0.01s自動(dòng)采集一次試驗(yàn)力、應(yīng)力、軸向變形和軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)顯示應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分析

8℃和-10℃條件下不同水泥摻量(0%、5%、8%、10%、12%、15%、18%和20%)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥土強(qiáng)度隨水泥摻量變化關(guān)系

由圖1可以看出，水泥摻量相同條件下，試塊強(qiáng)度在凍結(jié)時(shí)明顯高于8℃。這充分體現(xiàn)了在軟弱地層中應(yīng)用凍結(jié)法時(shí)，其對(duì)地層承載力顯著的提高作用。

-10℃凍結(jié)條件下，水泥摻量增大，試塊強(qiáng)度隨之增長(zhǎng)。 但水泥摻量到12%之后， 強(qiáng)度增長(zhǎng)速度逐漸減緩，摻量到15%之后，強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著減緩。

在8℃下，試塊強(qiáng)度在水泥摻量到15%之后出現(xiàn)下降。摻量為18%和20%時(shí)，相對(duì)于15%摻量，其強(qiáng)度分別下降24.7%和17.8%。

為了便于定量化分析水泥摻量對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，定義水泥摻入效率η，其物理意義為單位水泥摻量對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的量化指標(biāo)。計(jì)算公式為

式中：ci為水泥摻量；σci為水泥摻量ci水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；σ0為不摻水泥時(shí)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算不同摻入?yún)^(qū)間的水泥摻入效率η，結(jié)果如表2所示。

表2 不同摻入?yún)^(qū)間的水泥摻入效率η

根據(jù)水泥摻入效率η的計(jì)算結(jié)果，可以直觀地看到在各摻入?yún)^(qū)間，水泥摻量對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高作用不同，-10℃凍結(jié)時(shí)，在12%～15%這個(gè)摻入?yún)^(qū)間， 雖然其η=7.4%比前一段η=15.0%要小，但仍能提供較大的強(qiáng)度增長(zhǎng)。但是在摻量超過(guò)15%的區(qū)間，其η≤3%，可認(rèn)為水泥摻量增加不再引起改良土強(qiáng)度增長(zhǎng)，這與前面定性分析的結(jié)果一致。

因此，從強(qiáng)度增長(zhǎng)的角度，基于該試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)所研究的合肥弱膨脹土，其水泥的最佳摻量為15%，合適摻入?yún)^(qū)間為12%～15%。

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

圖2、圖3分別為-10℃和8℃下不同水泥摻量的應(yīng)力應(yīng)變曲線，圖3中水泥摻量0%時(shí)，其應(yīng)變達(dá)到了試驗(yàn)終止條件20%，對(duì)應(yīng)終止時(shí)的應(yīng)力為0.23MPa。

圖2 -10℃不同水泥摻量下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖2可以看出，-10℃凍結(jié)條件下，對(duì)不摻水泥的試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型，但過(guò)了屈服點(diǎn)之后，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)的幅度明顯降低，呈現(xiàn)接近于完全塑性的特征。而摻入水泥的試樣，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線都為應(yīng)變軟化型。不同水泥摻量下，峰值應(yīng)變范圍為7.4%到12.4%，極限應(yīng)變范圍為9.8%到18.2%，為延性破壞。

在8℃下，如圖3所示，不摻水泥的試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型，直至軸向應(yīng)變到20%試驗(yàn)停止。而摻入水泥的試樣延性較低。峰值應(yīng)變范圍在0.61%到1.5%，極限應(yīng)變范圍在0.88%到2.2%，呈現(xiàn)出偏脆性破壞的特征。

圖3 8℃不同水泥摻量下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對(duì)峰值應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行量化分析，圖4為8℃和-10℃條件下8種不同水泥摻量的峰值應(yīng)變變化曲線。

圖4 水泥土峰值應(yīng)變隨水泥摻量變化關(guān)系

在-10℃條件下，摻入水泥后，隨著水泥摻量的增大，對(duì)應(yīng)的峰值應(yīng)變呈現(xiàn)出先減小，再緩慢增長(zhǎng)的規(guī)律，摻量為12%時(shí)峰值應(yīng)變?yōu)?.9%，較8℃下的最大峰值應(yīng)變提高了350%。

從以上可以看出，對(duì)所研究的土樣，水泥改性之后其應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征由應(yīng)變硬化變?yōu)閼?yīng)變軟化，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯的提高。凍結(jié)時(shí)的峰值應(yīng)變和極限應(yīng)變比8℃下有顯著提高，表明凍結(jié)能提高改性土的延性。證明了兩種方法聯(lián)合使用具有效果的疊加作用。

2.3 破壞形態(tài)分析

圖5為8℃未摻水泥(a)和摻入水泥(b)的試塊破壞形態(tài)，可以看出，摻入水泥的試塊，其破壞模式中有明顯的豎向裂縫，這就說(shuō)明在軸向應(yīng)變較小時(shí)(2%左右)，試樣組成部分之間裂開(kāi)失去整體結(jié)構(gòu)性而承載能力迅速下降。因此在設(shè)定條件下無(wú)法承受更大的應(yīng)力和應(yīng)變。在不摻水泥時(shí)，如圖5(a)所示，試塊依靠土顆粒間相對(duì)較大的粘聚力和較好的協(xié)調(diào)變形能力，不容易被壓散，能承受較大的軸向應(yīng)變，試塊呈現(xiàn)出中間臌脹形的破壞。

圖6為-10℃條件下水泥摻量0%(a)和水泥摻量12%(b)的試塊破壞形態(tài)，從圖6(a)可以看出，軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)試塊并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的臌脹現(xiàn)象，而是僅僅表現(xiàn)為被擠密壓縮。從圖6(b)可以看到，凍結(jié)水泥土能承受較大的應(yīng)變，呈現(xiàn)中間臌脹形破壞形態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)8℃下水泥土在應(yīng)變較小時(shí)就被壓散的情況。這說(shuō)明凍結(jié)時(shí)的冰膠結(jié)作用能極大地提高土體的內(nèi)聚力，保證土體不會(huì)被輕易因壓散而失去承載能力。

(a)水泥摻量0% (b)水泥摻量8%圖5 8℃下試塊破壞形態(tài)

(a)水泥摻量0% (b)水泥摻量12%圖6-10℃下條件試塊破壞形態(tài)

3 結(jié)論

(1)在所研究的水泥摻入范圍內(nèi)，摻入水泥能明顯提高該弱膨脹土的強(qiáng)度。-10℃凍結(jié)條件下，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增大，最佳摻量為15%，此時(shí)相對(duì)于不摻水泥時(shí)的強(qiáng)度提高146%，合適摻入?yún)^(qū)間為12%～15%；8℃下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在摻量為15%時(shí)達(dá)到峰值，強(qiáng)度由0.23MPa提高到3.48MPa。

(2)凍結(jié)對(duì)試樣強(qiáng)度有明顯的提高作用。不摻水泥時(shí)，由凍結(jié)因素所增益的平均強(qiáng)度增長(zhǎng)率為1 191.3%，水泥土由凍結(jié)因素所增益的平均強(qiáng)度增長(zhǎng)率最低為110.1%。

(3)在各摻入水平，-10℃凍結(jié)時(shí)的峰值應(yīng)變明顯高于8℃，-10℃凍結(jié)條件下下水泥土的峰值應(yīng)變最小為6.9%，而8℃下水泥土的峰值應(yīng)最大為1.45%；在對(duì)應(yīng)摻量下，由凍結(jié)因素所增益的平均峰值應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)率最低為457.6%，證明了凍結(jié)能顯著提高水泥土的延性。