濱海水泥土固結特性時間效應分析

朱倩瑩 錢 彪 李 娜 安棟梁 田 旭

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.同創(chuàng)工程設計有限公司,浙江 紹興 312000)

0 引言

濱海軟土是指在較弱海浪暗流及潮汐的水動力作用下，逐漸沉積而形成的淤泥，廣泛分布于我國的沿海、湖泊地區(qū)[1-3].由于濱海軟土本身存在含水率高、孔隙比大、抗剪強度低、壓縮性較大等特點，無法直接將其作為天然地基，因此在實際工程中一般需要加固處理[4-5].

目前比較常見的加固方法是在軟土中加入水泥，以此來增強軟土力學性能.軟土、水泥以及水的混合物被稱為水泥土.學者們對水泥土在力學強度方面已經(jīng)有較多研究和成果.梁仁旺[6]在中摻入不同摻量的水泥，并繪制水泥土材料的應力-應變曲線，為進一步分析水泥土材料奠定了基礎.陳達[7]等通過室內(nèi)配比試驗和力學加載試驗，得到了90 d齡期下的5種不同固化劑的水泥土試樣的應力-應變曲線，并建立了水泥土抗壓強度與齡期間的關系式.王軍[8]對水泥土進行不排水三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)水泥土體的強度與剛度均隨著圍壓與水泥摻入比的增加而增加，而孔壓隨之減少.肖桃李[9]通過控制水灰比不變，研究不同水泥摻量和不同齡期等條件下水泥土無側限抗壓強度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)水泥土的強度增長幅度最大的水泥摻量.潘有林[10]進行了混合水泥土室內(nèi)抗壓強度試驗，找到了水泥土抗壓強度與水泥摻量、養(yǎng)護齡期三者的相關公式.

學者們對水泥土的抗壓強度做了較多研究，但對濱海水泥土的固結特性研究還不多.王偉[11]對納米MgO改性水泥土進行室內(nèi)一維固結壓縮試驗研究其改性效果.王新輝[12]對連云港的水泥土地基進行了固結理論和變形特征的研究，并將研究成果進行推廣應用.目前對濱海水泥土固結特性時間效應的探究還較少，從微觀角度解釋齡期對濱海水泥土固結特性的影響的文章更少.故本文將對濱海水泥土固結特性的時間效應進行分析，并探究其微觀機理.

1 試驗材料

1.1 濱海軟土

本次試驗所用的濱海軟土取自于紹興市上虞區(qū)濱海新城江濱區(qū)域，新城地處杭州灣金南翼，北起錢塘江，西南至曹娥江，東至嘉紹高速公路.該地段的土體靠近江河湖泊，含水率較高，是典型的濱海軟土區(qū)域.對濱海新城的濱海軟土進行SEM電鏡掃描得到濱海軟土表面形態(tài)微觀圖，如圖1所示.可見濱海軟土的表面較稀疏，土粒之間空隙較大，土顆粒之間的空間骨架不明顯.

濱海軟土基本物理指標如表1所示，化學元素成分如表2所示.由表2可見，濱海軟土中最主要的成分為SiO2.SiO2約占所有化學元素質(zhì)量的54%，Al2O3和MgO約占總質(zhì)量1/3.

1.2 水泥

試驗采用的水泥為蘭亭牌復合硅酸鹽水泥，強度為P.C32.5.對水泥進行SEM電鏡掃描得到

水泥的表面形態(tài)微觀圖，如圖2所示.可見水泥的表面顆粒間空間較密致，顆粒與顆粒之間連接緊密。

水泥化學元素成分如表3所示，硅酸鹽水泥主要由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣以及鐵鋁酸四鈣等礦物組成.經(jīng)檢測，其中CaO約占所有化學成分質(zhì)量的65%.

表1 濱海軟土基本物理指標

土質(zhì)土層埋深/m天然含水率/%容重/g.cm-3孔隙比飽和度/%液限/%塑限/%濱海軟土1-35671.631.7498%4024

表2 濱海軟土化學成分

化學成分SiO2Al2O3MgOTiO2K2OFe2O3MnOCaOZnOω(%)54.0517.3415.782.072.360.851.054.432.03

表3 水泥化學成分

化學成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3ω(%)21.685.644.2264.892.51

2 試驗設計

2.1 試驗方案

所有試樣都以濱海軟土為基本土樣，目標含水率均擬定為80%，水泥摻量均為干土質(zhì)量的20%.試樣的測試齡期分別為7 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、28 d.

一個測試齡期為一組試驗，由于試驗具有偶然性以及數(shù)據(jù)具有離散性，每組試驗做5個試樣，即每組重復測試5次數(shù)據(jù).共有7種不同的測試齡期，故有7種試樣代號.試樣代號所代表的齡期如表4所示，表格中CCS-X的含義如下：其中CCS為濱海水泥土(Coastal cement soil)，X為測試齡期.

2.2 試樣制作

將取來的濱海軟土用水浸泡數(shù)日后過篩，所用篩的孔徑為1 mm.除去淤泥中的粉碎大顆粒以及貝殼等雜質(zhì)，攪勻后靜置兩周.兩周后過篩的軟土含水率較穩(wěn)定，取適量軟土，測得其實際含水率.

按照設計好的試驗方案計算配比，稱取相應的濱海軟土、水泥以及水，攪拌均勻，隨后倒入直徑61.8 mm，高度20 mm的環(huán)刀中.將試樣在圓形環(huán)刀中振實，并將其表面抹平，固結試樣如圖3所示.制樣完成之后將所有的固結試樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護相應的天數(shù).

2.3 設備與加載

圖4為本試驗采用的全自動氣壓固結儀，型號為LH-STC-1F.本次固結試驗按照《土工試驗方法標準》[13]的試驗規(guī)定進行，在進行固結壓縮試驗時的加載荷壓分別為12.5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，400 kPa，200 kPa，100 kPa，50 kPa，25 kPa，12.5 kPa，每級荷載加壓持續(xù)1 h.從12.5 kPa加壓至800 kPa后卸壓，每級卸壓為1 h，卸壓至12.5 kPa.從試驗開始到試驗結束，總共需12 h.考慮到實際工程狀況，加載荷壓加至800 kPa即可.試樣壓縮前后對比圖如圖5所示.

3 固結壓縮特性分析

3.1 濱海水泥土變形量分析

將不同養(yǎng)護齡期下的濱海水泥土進行固結壓縮后，繪制其變形量與加載壓力的曲線圖，如圖6所示.

圖6所示為不同齡期下濱海水泥土壓縮變形量曲線圖，養(yǎng)護7 d的濱海水泥土隨著豎向壓力的增大， 在800 kPa的豎向壓力下， 其最大壓縮量可達到4.31 mm，變形率為21.6%.而經(jīng)過28 d的養(yǎng)護后，同級壓力下沉降量都有大幅度下降，在800 kPa的豎向壓力下，其最大壓縮量僅為3.25 mm，變形率為16.3%.28 d齡期的濱海水泥土較7 d齡期下的最大壓縮量下降了1.06 mm，最大變形率下降了5.3%.

表4 試樣代號所對應的摻量及齡期

測試齡期(d)781012141628試樣代號CCS-7CCS-8CCS-10CCS-12CCS-14CCS-16CCS-28

3.2 濱海水泥土孔隙比變化分析

參考土力學中測土粒比重的方法，本次試驗中測得濱海水泥土在不同養(yǎng)護齡期下的顆粒比重ds以及試樣密度ρ.根據(jù)公式(1)，求得濱海水泥土試樣的初始孔隙比，如表5所示.

(1)

公式(1)中，ds為試樣的顆粒比重，ω為試樣含水率，ρ為試樣密度，ρω為水的密度.

對7 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、28 d養(yǎng)護齡期下的濱海水泥土進行固結壓縮試驗過后，根據(jù)公式(2)得到不同壓力下孔隙比.

表5 試樣代號所對應初始孔隙比

代號測試齡期(d)顆粒比重初始孔隙比CCS-772.672.12CCS-882.632.09CCS-10102.562.00CCS-12122.541.98CCS-14142.531.97CCS-16162.511.94CCS-28282.471.90

(2)

公式(2)中，e0為試樣初始孔隙比，△h為試樣壓縮量，h0為試樣初始高度，ei為試樣在不同壓力下的孔隙比.圖7-圖8為不同齡期下濱海水泥土e-p以及e-lgp曲線圖.濱海水泥土隨著養(yǎng)護齡期的增長，其初始孔隙比減小.加壓后，試樣的初始孔隙比與最終壓力下的孔隙比的變化量也隨著養(yǎng)護齡期的增長而逐漸減小，在800 kPa時，養(yǎng)護7 d的濱海水泥土在固結壓縮后其孔隙比減小值為0.67，養(yǎng)護28 d的濱海水泥土孔隙比減小值為0.50.

3.3 濱海水泥土壓縮系數(shù)分析

為了進一步探究不同齡期下濱海水泥土試樣的壓縮性，根據(jù)公式(3)求得壓縮系數(shù).

(3)

公式(3)中，α為試樣壓縮系數(shù)，e1為試樣在p1壓力下的孔隙比，e2為試樣在p2壓力下的孔隙比，p2為p1后一級的壓力.

圖9所示的是不同養(yǎng)護齡期下濱海水泥土的壓縮系數(shù)，起初加壓時，所有的試樣的壓縮系數(shù)變化較大，在豎向壓力加載至400 kPa后，濱海水泥土的壓縮系數(shù)開始慢慢下降并趨向于穩(wěn)定值0.63MPa-1附近，其壓縮系數(shù)越小，其孔隙比變化越緩慢，因而土的固結趨向于穩(wěn)定.借鑒土力學中對土體壓縮系數(shù)的分析[14]，在壓力段P1(100 kPa)至P2(200 kPa)時的壓縮系數(shù)α1-2來看，7 d齡期下的濱海水泥土壓縮系數(shù)較高，屬于高壓縮性水泥土.14 d以及28 d齡期下的濱海水泥土的壓縮系數(shù)下降至0.1MPa-1到0.5MPa-1之間，屬于中壓縮性水泥土.在同級壓力下，隨著養(yǎng)護齡期的增長，其壓縮系數(shù)明顯減小.養(yǎng)護齡期的增長使得濱海水泥土壓縮速度減緩，抗壓縮能力增強.

3.4 濱海水泥土回彈量分析

圖10為不同齡期下濱海水泥土卸壓回彈量.當荷載從800 kpa開始卸載壓力時，試樣開始有略微反彈.且隨著濱海水泥土養(yǎng)護齡期的增加，其反彈能力減弱.養(yǎng)護7 d時，土樣卸載時回彈量為0.71 mm，養(yǎng)護28 d后，土樣卸載回彈量為0.32 mm，約為養(yǎng)護7 d齡期下的1/2.

綜上規(guī)律可見，當壓力從12.5 kPa增加至800 kPa時，水泥土試樣有最大的壓縮量，養(yǎng)護齡期越久，水泥與水的水化物和軟土顆粒之間的反應越來越充分，濱海水泥土的抗變形能力也逐漸增強，最大壓縮量越小.壓力從800 kPa卸載至12.5 kPa時，水泥土的反彈能力隨著養(yǎng)護齡期的增長而減弱，養(yǎng)護齡期越久的水泥土越穩(wěn)定.

4 微觀分析

為了進一步研究養(yǎng)護齡期對濱海水泥土的抗壓縮效果的影響，有必要從微觀角度來分析[15-18].將微觀上的顆粒形狀以及骨架結構反饋至宏觀力學上，結合宏觀和微觀分析，使得研究成果更具有說服力[19-21].

不同養(yǎng)護齡期下水泥土的微觀SEM電鏡圖見圖11，養(yǎng)護齡期為7 d時，已經(jīng)有較多微小的纖維狀的針狀結晶體.養(yǎng)護齡期為14 d時，結晶體變大變粗.當養(yǎng)護齡期到達28 d時，則出現(xiàn)了較大的結構單元體，試樣中的結構類型大部分有團聚狀結構.隨著養(yǎng)護齡期增長而產(chǎn)生的這些團聚狀結構，使得顆粒之間形成了較大的堅實的骨架，因而提高了濱海水泥土的抗壓縮變形能力.

5 結論

(1)隨著養(yǎng)護齡期的增長，軟土與水泥反應充分，試樣穩(wěn)定.水泥土的抗壓縮性能隨著養(yǎng)護齡期的增長而增強.在最大荷載800 kPa下，28 d齡期下的濱海水泥土的變形壓縮量較7 d齡期下減少了1.06 mm，孔隙比變化絕對值從0.67下降至0.5，變形率從21.6%下降至16.3%.

(2)隨著養(yǎng)護齡期的增長，濱海水泥土在卸載壓力時回彈能力減弱.7 d養(yǎng)護齡期的水泥土的回彈量為0.71 mm，28 d養(yǎng)護齡期的水泥土的回彈量為0.32 mm.

(3)養(yǎng)護初期，水泥土試樣中有較微小的纖維狀針體結晶，隨著養(yǎng)護齡期的增長，試樣內(nèi)部反應也趨向于平穩(wěn).28 d齡期后，水泥土試樣內(nèi)的細小纖維狀晶體變成了較大的結晶物，均勻地分布在土體之中，形成骨架.可見隨著養(yǎng)護齡期的增長，土顆粒之間有較大的骨架形成，也解釋了水泥土的抗壓縮性能隨著齡期的增長而增強的原因.

需要說明的是，本文僅從固結壓縮試驗和SEM測試兩方面討論了濱海水泥土固結特性的時間效應，對于微觀機理與宏觀力學之間的關系有待進一步深入研究.