水泥改良粗顆粒鹽漬土溶陷特性試驗(yàn)研究

許 健，任建威，程?hào)|幸，劉志偉

(1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

粗顆粒鹽漬土在我國(guó)分布比較廣泛，而在干旱的西北地區(qū)尤為集中.近些年來，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，尤其是西北地區(qū)大發(fā)展的實(shí)施，使得絕大多數(shù)工程都面臨棘手的粗顆粒鹽漬土問題.由于粗顆粒鹽漬土地基具有溶陷等特性[1]，因此常給工程建筑物帶來安全隱患和危害，以致引發(fā)巨大的經(jīng)濟(jì)損失.這種現(xiàn)象不管在石油、鐵路還是電力行業(yè)均屢見不鮮.

目前，研究學(xué)者針對(duì)粗顆粒鹽漬土的溶陷特性開展了部分研究工作，取得了一定成果.程?hào)|幸等[2-3]以新疆東北部和甘肅河西走廊地區(qū)典型粗顆粒鹽漬土試驗(yàn)場(chǎng)地為研究對(duì)象，研究了易溶鹽含量、滲透系數(shù)及骨架含量等因素對(duì)粗顆粒鹽漬土溶陷特性的影響規(guī)律；高學(xué)軍等[4]通過雙線法室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)不同干密度及含鹽量粗顆粒鹽漬土試樣的溶陷變形特性進(jìn)行了測(cè)試分析；劉亞峰等[5-6]通過一系列室內(nèi)模擬試驗(yàn)，實(shí)測(cè)了各影響因素單獨(dú)作用下的溶陷變形時(shí)長(zhǎng)，探討了含鹽量、荷載、孔隙比和干密度等因素對(duì)粗顆粒硫酸鹽漬土沉降變形速率的影響規(guī)律；楊鵬等[7]以河西走廊典型粗顆粒硫酸鹽漬土地基為對(duì)象，通過室內(nèi)重塑土樣的溶陷特性試驗(yàn)，揭示了粗顆粒鹽漬土滲透系數(shù)及溶濾變形系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)的影響因素及影響規(guī)律；李耀杰等[8]基于新疆準(zhǔn)東地區(qū)某電廠廠區(qū)內(nèi)粗顆粒鹽漬土的溶陷試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)指標(biāo)室內(nèi)外測(cè)定結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析；劉志偉等[9]開展了粗顆粒鹽漬土地基現(xiàn)場(chǎng)回填碾壓溶陷試驗(yàn)和相關(guān)專題研究.上述研究多以重塑(壓實(shí))或原狀粗顆粒鹽漬土地基為對(duì)象開展室內(nèi)外溶陷試驗(yàn)，研究結(jié)果對(duì)揭示粗顆粒鹽漬土溶陷特性及機(jī)理有積極作用.

1 試驗(yàn)材料與試樣制備

1.1 試驗(yàn)材料

水泥化學(xué)改良試驗(yàn)所用土樣取自新疆準(zhǔn)東煤電煤化工產(chǎn)業(yè)帶五彩灣煤電煤化工園區(qū)，位于新疆維吾爾自治區(qū)昌吉回族自治州的吉木薩爾縣境內(nèi)，距離吉木薩爾縣城正北約140 km 處，隸屬五彩灣，屬于典型粗顆粒鹽漬土場(chǎng)地.試驗(yàn)用土基本物理特性參數(shù)見下表1.此外，對(duì)所取粗顆粒鹽漬土進(jìn)行了天然(含鹽)和淋濾后(不含鹽)兩種狀態(tài)下的試驗(yàn)，其顆粒級(jí)配曲線如圖1所示.從圖中可以看出，大于2 mm樣總質(zhì)量約為50%左右，說明地層為典型粗顆粒鹽漬土層.淋濾后，較小粒徑土顆粒尤其是粒徑小于1 mm土顆粒所占比重明顯增加，說明地基土顆粒表面包裹的易溶鹽晶體進(jìn)行了充分溶解，使得洗鹽前后的土顆粒級(jí)配特征發(fā)生了顯著變化.

表1 試驗(yàn)用土基本物理特性參數(shù)

圖1 試驗(yàn)土樣淋濾前后顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle gradation curve before and after leaching of soil samples

圖2 場(chǎng)地易溶鹽含量隨深度分布規(guī)律Fig.2 The variation regularity of soluble salt content along the depth

由所取試樣的化學(xué)分析試驗(yàn)結(jié)果可知，地基土的易溶鹽含量較高，在所測(cè)33件樣品中，有23件易溶鹽含量大于0.3%，最大可達(dá)2.45%.同時(shí)，易溶鹽含量大于0.3%的試樣主要集中在地層3 m以上，且地層2 m以上為易溶鹽的主要富集區(qū)域，是典型的粗顆粒鹽漬土場(chǎng)地，具體見圖2.

1.2 試樣制備

現(xiàn)場(chǎng)所取試樣為粗顆粒鹽漬土擾動(dòng)樣，需通過室內(nèi)擊實(shí)獲得重塑土樣，進(jìn)而進(jìn)行室內(nèi)化學(xué)改良溶陷試驗(yàn).研究分析粗顆粒鹽漬土在不同水泥配合比改良及不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間情況下對(duì)應(yīng)的溶陷特性，并通過試驗(yàn)研究改良方案，確定摻合料最優(yōu)配合比.

重塑粗顆粒鹽漬土試樣制備具體過程如下：

(1) 將所取粗顆粒鹽漬土試樣過20 mm篩，然后將52.5普通硅酸鹽水泥摻合料分別按照0%、2%、4%、6%及8%配合比與粗顆粒鹽漬土試樣混合均勻，測(cè)定混合料初始含水量并放置備用.

(2) 考慮到現(xiàn)場(chǎng)回填粗顆粒鹽漬土易于壓實(shí)的要求，本次試驗(yàn)試樣含水量統(tǒng)一按照最優(yōu)含水量6.9%配制，具體試驗(yàn)操作過程：按照最優(yōu)含水量計(jì)算固定質(zhì)量試樣噴水量，保持制樣溫度在20 ℃以上，用噴壺分層將散裝土樣均勻噴濕，密封靜置24 h.測(cè)定試樣3個(gè)不同部位含水量，誤差不大于1%時(shí)，認(rèn)為土樣濕潤(rùn)均勻，取3個(gè)不同部位含水量平均值作為本批次土樣含水量.

(3) 按照一定的干密度(壓實(shí)系數(shù)0.95)計(jì)算所需濕土質(zhì)量并導(dǎo)入試樣筒內(nèi)，開動(dòng)壓力機(jī)將土樣分層壓制成直徑為152 mm、高度為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣.

(4) 將制備好的試樣密封，在20 ℃條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)周期分別為0 d、7 d、14 d及28 d(圖3)，然后進(jìn)行相應(yīng)試驗(yàn)操作.

2 試驗(yàn)方案

室內(nèi)溶陷試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)參照《鹽漬土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50942-2014)的有關(guān)條款內(nèi)容執(zhí)行，具體試驗(yàn)過程如下：

一是充分發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)班子帶頭作用。成立以廳黨組書記、廳長(zhǎng)黃志平同志為組長(zhǎng)的廳機(jī)構(gòu)改革領(lǐng)導(dǎo)小組，組建綜合保障、“三定”規(guī)定、人事、財(cái)務(wù)、紀(jì)律監(jiān)督等五個(gè)專題工作組。及時(shí)召開廳黨組會(huì)議、廳黨組擴(kuò)大會(huì)議，班子成員集體訂立“五條班規(guī)”并承諾帶頭踐行、自覺接受監(jiān)督：第一，對(duì)黨忠誠(chéng)，政治堅(jiān)定；第二，依法履職，勤政為民；第三，廉潔自律，守正篤行；第四，五湖四海，合心合力；第五，務(wù)實(shí)創(chuàng)新，勇于擔(dān)當(dāng)。

(1) 將試樣安裝好，預(yù)加1.0 kPa荷載，使試樣和儀器各部緊密接觸，記錄室溫并采集百分表初始讀數(shù)；

(2) 逐級(jí)施加25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa荷載，試驗(yàn)過程中每30 min自動(dòng)采集百分表讀數(shù)，每一級(jí)變形量小于0.01 mm/h時(shí)認(rèn)為試樣變形穩(wěn)定，然后施加下一級(jí)荷載；

(3) 待200 kPa荷載下百分表讀數(shù)穩(wěn)定后，加入淡水使試樣浸水溶濾，讀取浸水后試樣穩(wěn)定變形量，然后逐級(jí)施加300 kPa、400 kPa荷載并采集各級(jí)荷載下穩(wěn)定變形量.

(4) 終止壓力下，百分表穩(wěn)定后，記錄百分表最終讀數(shù)，依次卸載并卸下加載框架、承壓板、百分表并取出試樣描述試樣狀態(tài)，拍照記錄.

室內(nèi)化學(xué)改良試驗(yàn)共完成20個(gè)粗顆粒鹽漬土水泥改良試樣的溶陷試驗(yàn)，具體試樣種類如下表2所示.

表2 試樣分組

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 壓縮溶陷曲線

圖4～圖5所示分別為不同水泥配合比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下粗顆粒鹽漬土試樣壓縮溶陷曲線.從圖中可以看出，摻加水泥摻合料并養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，粗顆粒鹽漬土試樣的壓縮溶陷變形顯著減小，這表明水泥摻合料一定程度上可對(duì)鹽漬土溶陷性進(jìn)行改良消除.從圖中還可以看出，相同水泥配合比條件下，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加，鹽漬土壓縮溶陷變形無顯著變化規(guī)律；相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間情況下，隨著水泥配合比增加，鹽漬土壓縮溶陷變形亦無顯著變化規(guī)律.

值得注意的是，部分水泥改良粗顆粒鹽漬土試樣浸水溶陷過程中反而出現(xiàn)了體積膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致壓縮過程中試樣位移量表現(xiàn)出一定的“回彈”特征.分析其原因，主要是水泥土在養(yǎng)護(hù)過程中水泥和土中水分發(fā)生水解及水化反應(yīng)，生成鈣釩石以及與土顆粒凝聚成團(tuán)粒的水化硅酸鈣等產(chǎn)物，增強(qiáng)了土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性.上述作用過程降低了土樣的滲透特性，使浸水時(shí)的溶陷沉降量顯著減小.此外，試樣中未水化完成的水泥在浸水加載過程中進(jìn)一步水化放熱，從而引起試樣體積膨脹.

圖4 不同水泥配合比條件下的壓縮溶陷曲線Fig.4 Compression curve with different cement content

圖5 不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下的壓縮溶陷曲線Fig.5 Compression curve with different curing age

3.2 溶陷系數(shù)

圖6所示為改良粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)隨水泥配合比變化規(guī)律曲線，圖中溶陷系數(shù)為負(fù)值表明浸水過程中試樣體積膨脹(下同).

圖6 溶陷系數(shù)隨水泥配合比變化規(guī)律Fig.6 The law of coefficient of collapsibility varying with cement content

從圖中可以看出，不養(yǎng)護(hù)(養(yǎng)護(hù)時(shí)間0 d)條件下，隨水泥配合比增加，鹽漬土溶陷系數(shù)無顯著變化規(guī)律且變化幅度較小，這反映出不養(yǎng)護(hù)條件下水泥摻量對(duì)鹽漬土溶陷系數(shù)無明顯影響.分析其原因，主要是由于不養(yǎng)護(hù)條件下，水泥無法充分發(fā)生水解及水化反應(yīng)，進(jìn)而無法形成具有較高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性的復(fù)合土體.養(yǎng)護(hù)條件下，水泥配合比2%～4%時(shí)，鹽漬土的溶陷系數(shù)顯著減小，溶陷性改良效果明顯；但隨著水泥配合比進(jìn)一步增加，溶陷系數(shù)整體變化幅度逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定的數(shù)值，表現(xiàn)出指數(shù)衰減特征.基于上述分析，可以得到2%～4%水泥配合比對(duì)粗顆粒鹽漬土溶陷性改良效果相對(duì)最優(yōu).

圖7 溶陷系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化規(guī)律Fig.7 The law of coefficient of collapsibility varying with curing age

圖7所示為粗顆粒鹽漬土溶陷系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化規(guī)律曲線.從圖中可以看出，不含水泥(水泥配合比0%)條件下，試樣溶陷系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加無顯著變化規(guī)律，表現(xiàn)出波動(dòng)形變化特征，這表明不含水泥條件下養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)鹽漬土溶陷系數(shù)無影響.含水泥試樣養(yǎng)護(hù)7 d后，溶陷系數(shù)有一定程度的降低，溶陷性得到一定的抑制；但隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)一步增加，溶陷系數(shù)變化速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定的數(shù)值.基于上述分析，養(yǎng)護(hù)時(shí)間7 d對(duì)粗顆粒鹽漬土溶陷性改良效果相對(duì)最優(yōu).

對(duì)比圖6和圖7，不難發(fā)現(xiàn)，相比養(yǎng)護(hù)時(shí)間，一定程度上提高水泥配合比對(duì)粗顆粒鹽漬土地基溶陷性改良效果相對(duì)更優(yōu).

3.3 溶陷性評(píng)價(jià)

表3所示為不同水泥配合比及養(yǎng)護(hù)時(shí)間條件下改良粗顆粒鹽漬土試樣溶陷性統(tǒng)計(jì)與評(píng)價(jià)結(jié)果.從表3可以看出，所有試樣的溶陷系數(shù)均小于規(guī)范界限值0.01，均為非溶陷性鹽漬土.此外，即使不含水泥(水泥配合比0%)條件下，室內(nèi)壓實(shí)重塑粗顆粒鹽漬土試樣的溶陷系數(shù)亦小于0.01，為非溶陷性鹽漬土，這與該場(chǎng)地現(xiàn)場(chǎng)浸水溶陷試驗(yàn)結(jié)果差異較大.現(xiàn)場(chǎng)浸水溶陷試驗(yàn)結(jié)果表明該場(chǎng)地粗顆粒鹽漬土層平均溶陷系數(shù)為0.017(表4和圖8)，高于規(guī)范界限值0.01，為溶陷性地基土層.分析其原因，主要是由于室內(nèi)擾動(dòng)樣重塑壓實(shí)的過程中，粗顆粒鹽漬土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，易溶鹽的分布形態(tài)和天然狀態(tài)有了較大的差別.這反映出一定條件下粗顆粒鹽漬土地基處理過程中，可把粗顆粒鹽漬土作為回填料進(jìn)行碾壓，進(jìn)而通過提高粗顆粒鹽漬土壓實(shí)系數(shù)可顯著改良地基土的溶陷性并提高地基承載力，具有明顯的工程經(jīng)濟(jì)效益.

表3 溶陷性統(tǒng)計(jì)表(表中溶陷系數(shù)為負(fù)，表示試樣體積膨脹)

續(xù)表3

水泥含量/%養(yǎng)護(hù)時(shí)間/d浸水壓力/kPa最大沉降量/mm溶陷量/mm試樣高度/mm溶陷系數(shù)/%溶陷性評(píng)價(jià)40200-0.661-0.061500.04非溶陷性7200-0.0300.18150-0.12非溶陷性14200-0.31301500.00非溶陷性28200-0.3030.041150-0.03非溶陷性60200-0.655-0.031500.02非溶陷性7200-0.290.159150-0.11非溶陷性14200-0.4360.08150-0.05非溶陷性28200-0.1710.109150-0.07非溶陷性80200-1.141-0.1711500.11非溶陷性7200-0.2840.151150-0.10非溶陷性14200-0.1410.101150-0.07非溶陷性28200-0.1620.111150-0.07非溶陷性

表4 現(xiàn)場(chǎng)浸水試驗(yàn)溶陷系數(shù)

圖8 現(xiàn)場(chǎng)浸水壓縮溶陷曲線Fig.8 Compression curve for field immersion test

4 結(jié)論

(1) 摻加水泥摻合料并養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間后，粗顆粒鹽漬土試樣的壓縮溶陷變形顯著減??；部分水泥改良試樣浸水過程中體積出現(xiàn)膨脹現(xiàn)象，導(dǎo)致試樣位移量表現(xiàn)出一定的“回彈”特征.

(2) 不養(yǎng)護(hù)條件下，溶陷系數(shù)隨水泥配合比增加無顯著變化規(guī)律且變化幅度較小；養(yǎng)護(hù)條件下，鹽漬土溶陷系數(shù)隨水泥配合比增加逐漸減小，但降低幅度逐漸減小，呈指數(shù)衰減特征；2%4%水泥配合比對(duì)粗顆粒鹽漬土溶陷性改良效果相對(duì)最優(yōu).

(3) 不含水泥試樣溶陷系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加無顯著變化規(guī)律，呈波動(dòng)形變化特征；含水泥試樣養(yǎng)護(hù)7 d后，溶陷系數(shù)有一定程度的降低；隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間進(jìn)一步增加，溶陷系數(shù)變化速率逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定數(shù)值；養(yǎng)護(hù)時(shí)間7 d對(duì)粗顆粒鹽漬土溶陷性改良效果相對(duì)最優(yōu).

(4) 相比養(yǎng)護(hù)時(shí)間，一定程度上提高水泥配合比對(duì)粗顆粒鹽漬土地基溶陷性改良效果相對(duì)更優(yōu).

(5) 不含水泥條件下，室內(nèi)壓實(shí)重塑粗顆粒鹽漬土的溶陷系數(shù)亦小于0.01，為非溶陷性鹽漬土，與現(xiàn)場(chǎng)浸水溶陷試驗(yàn)結(jié)果差異較大；一定條件下可把粗顆粒鹽漬土作為回填料進(jìn)行碾壓，進(jìn)而通過提高壓實(shí)系數(shù)可顯著改良粗顆粒鹽漬地基土的溶陷性.