凍融作用下工程渣土固化土長期力學特性研究

曹文權(quán)

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

近年來，隨著經(jīng)濟的不斷快速發(fā)展，我國地下空間建設發(fā)展勢頭迅猛。但在盾構(gòu)隧道、地下輸水管廊等地下工程的建設過程中產(chǎn)生了大量工程渣土，此類工程渣土的處理已經(jīng)成為了地下空間工程低碳發(fā)展面臨的重要問題[1-2]。將地下空間工程渣土進行固化處理并進行工程應用綠色環(huán)保，但由于自然環(huán)境中凍融循環(huán)對固化土的長期力學特性有較大影響，因此，對工程渣土固化土在自然環(huán)境中的長期力學性能進行研究具有重要理論意義和工程價值。

目前已有較多學者對工程渣土固化土的力學特性展開了相關研究，并取得了較多成果：姜軍等[3]通過室內(nèi)試驗分析了盾構(gòu)渣土應用于新型墻體的可行性；張卓等[4]將盾構(gòu)渣土通過免燒免蒸工藝制備成陶粒，較好的避免了盾構(gòu)渣土中重金屬離子對自然環(huán)境的污染；郝彤等[5]通過室內(nèi)試驗，將鄭州某地鐵盾構(gòu)產(chǎn)生的渣土改良制作成水泥復合材料，并對其工作特性展開了分析；李杰等[6]利用自主研發(fā)的固化劑，將寧波某盾構(gòu)隧道渣土制備成免燒陶粒，并對該類型陶粒的物理力學性能和微觀特性展開了詳細研究；張華[7]在總結(jié)其他學者的成果基礎之上，通過摻砂法將盾構(gòu)產(chǎn)生的渣土進行改良并應用于了路基填筑工程中，應用效果較為良好；張書經(jīng)[8]利用堿激發(fā)礦渣作為固化劑，對某盾構(gòu)工程產(chǎn)生的渣土進行了固化，并對其耐久性進行了室內(nèi)試驗。綜上所述，目前對于盾構(gòu)渣土的固化研究主要集中于應用不同固化劑將盾構(gòu)渣土固化制成常規(guī)密度固化土，但已有常規(guī)固化土密度與正常土體接近，大面積應用時易在地基中產(chǎn)生較高的附加應力，從而提高工程造價甚至危害工程安全。輕質(zhì)固化渣土在自然環(huán)境中極易受到干濕凍融效果的作用，其長期力學性能將會直接影響道路工程的安全。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程土建施工A5標位于佛山市順德區(qū)，全線長約5.64 km，采用地下深埋盾構(gòu)施工。盾構(gòu)施工過程中會產(chǎn)生大量砂卵石、中細砂和淤泥等多種工程渣土，且此類渣土中含有盾構(gòu)施工中應用的膨潤土等材料，若利用常規(guī)堆放方法對上述工程渣土進行處置，勢必會對環(huán)境造成污染。

為推進工程施工中“碳中和碳達峰”進程，對本工程中產(chǎn)生的渣土進行資源化利用處理。其中較大粒徑的砂卵石進行破碎后可作為碎石；中細砂進行篩選后可作為混凝土配料；對于大量的黏土，可采用固化技術處理后應用于公路路堤建設，或加工成免燒磚用于市政建設中。

在實際應用過程中，路堤將直接暴露于自然環(huán)境中。在秋冬季凍結(jié)和春夏季融化的循環(huán)作用下，固化土的強度指標和變形指標會產(chǎn)生較大變化，進而直接影響固化土路堤的安全穩(wěn)定性。

2 力學性能試驗

2.1 試驗方案

本文擬對不同含水率、不同密度下輕質(zhì)固化土在凍融循環(huán)作用下的長期力學指標進行研究，試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案

(1)凍融試驗過程：考慮本次試驗在室內(nèi)完成，對土體的復雜邊界條件進行一定的簡化。具體方案如下：凍融設備采用濕度可控式高低溫溫控箱。凍結(jié)時土樣含水率控制為試驗所需值(如表1所示)，溫度控制為-20 ℃，融化時的溫度控制為20 ℃。經(jīng)過多次嘗試性的凍結(jié)和融化試驗，發(fā)現(xiàn)試樣經(jīng)過6 h即可完全凍結(jié)，6 h即可完全融化，因此選定一個凍融循環(huán)時間為12 h。

(2)強度指標試驗過程：將不同含水率的固化土進行0次、1次、2次、3次、4次、6次和10次凍融循環(huán)后，在靜力三軸儀上進行剪切試驗，根據(jù)他人研究成果，試驗中不考慮固結(jié)和排水條件，圍壓分別為100、200、300及400 kPa。

(3)變形指標試驗過程：將制備的固化土進行0次、1次、3次、5次、7次、10次、15次、25次凍融循環(huán)之后進行固結(jié)壓縮試驗。試驗儀器采用WG型單杠桿固結(jié)儀。加壓等級分為25、50、100、200、300、400和800 kPa，每級荷載壓縮持續(xù)1 h，最后一級需要記下1 h后的讀數(shù)外還要記錄24 h后的讀數(shù)。

2.2 試樣制備

本試驗中所使用的工程渣土取自珠江三角洲水資源配置工程土建施工A5標，其基本性質(zhì)見表2。固化劑主要包括生石灰、水泥、鋁粉，通過固化劑正交試驗并充分考慮土體強度和工程造價等因素確定固化劑主要配比：生石灰∶水泥∶鋁粉=60%∶38%∶2%。

表2 工程渣土基本物理力學指標

試驗中通過改變固化劑與土體之間的比例分別配制含水率為10%、12%、14%、16%、18%、20%的固化土；通過改變固化劑基準配比中鋁粉含量分別配制密度為1.45、1.55和1.65 g/cm3的固化土。

在制樣時先將工程渣土與固化劑進行攪拌，攪拌均勻后，分3～4次分層放入制作好的模具(內(nèi)直徑3.98 cm、高度8 cm的有機玻璃管)中分層振實并進行密封標準養(yǎng)護。結(jié)合他人試驗結(jié)果，選擇齡期28 d的輕質(zhì)固化土進行物理力學試驗分析。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 凍融循環(huán)對固化土內(nèi)摩擦角的影響

通過對不同圍壓下固化土的靜力三軸剪切試驗可以獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下固化土內(nèi)摩擦角值如表3所示，其隨凍融循環(huán)次數(shù)變化如圖1所示。

表3 不同含水率的土體內(nèi)摩擦角φ(°)

圖1 內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關系曲線

結(jié)合表3和圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，內(nèi)摩擦角不斷降低且降低幅度不斷減小，凍融循環(huán)次數(shù)超過6次后內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定；且含水率越低，固化土的內(nèi)摩擦角越大。

引入內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)Kφ描述內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關系，并選用生長曲線函數(shù)對內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關系進行擬合，生長曲線函數(shù)如式(1)所示：

Kφ=aφ+bφe(-n/λφ)

(1)

式中：aφ、bφ、λφ為系數(shù)。Kφ為內(nèi)摩擦角的劣化系數(shù)，可表示為：

(2)

式中：φn為n次凍融循環(huán)后固化土內(nèi)摩擦角；φ0為不經(jīng)歷凍融循環(huán)時固化土內(nèi)摩擦角。

將表3中數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)，可擬合得到內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化的上下限曲線如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

上式擬合效果如圖2所示。由圖2可知，式(3)和式(4)可以較好的反映內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化關系，實際工程中可利用上式對工程渣土固化土內(nèi)摩擦角的范圍進行計算。

圖2 內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)與循環(huán)次數(shù)關系曲線

表4列出了工程渣土固化土在凍融循環(huán)作用下內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的參考取值范圍，實際工程中也可以根據(jù)該表評估工程渣土固化土經(jīng)過凍融循環(huán)后的內(nèi)摩擦角取值范圍，含水率高時取小值。

表4 內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)參考值

3.2 凍融循環(huán)對固化土黏聚力的影響

通過對不同圍壓下固化土的靜力三軸剪切試驗可以獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下固化土黏聚力值如表5所示，其隨凍融循環(huán)次數(shù)變化如圖3所示。

表5 不同含水率的固化土黏聚力變化 kPa

由表5和圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，工程渣土固化土黏聚力不斷降低且降低幅度不斷減小，凍融循環(huán)次數(shù)超過6次后黏聚力基本趨于穩(wěn)定；且含水率越低，固化土的黏聚力越大。

圖3 黏聚力與循環(huán)次數(shù)關系曲線

引入黏聚力劣化系數(shù)Kc描述黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關系，并選用生長曲線函數(shù)對黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關系進行擬合，生長曲線函數(shù)如式(5)所示：

Kc=ac+bce(-n/λc)

(5)

式中：ac、bc、λc為系數(shù)。Kc為黏聚力的劣化系數(shù)，可表示為：

(6)

式中：cn為n次凍融循環(huán)后固化土黏聚力；c0為不經(jīng)歷凍融循環(huán)時固化土黏聚力。

將表5中數(shù)據(jù)代入式(5)、式(6)，可擬合得到黏聚力劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化的上下限曲線如式(7)、式(8)所示：

(7)

(8)

上式擬合效果如圖4所示。由圖4可知，式(7)和式(8)可以較好的反映黏聚力劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化關系，實際工程中可利用上式對工程渣土固化土黏聚力的范圍進行計算。

圖4 黏聚力劣化系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關系曲線

3.3 凍融循環(huán)對固化土變形指標的影響

通過對不同密度固化土的側(cè)限條件下的壓縮試驗可以獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)下固化土壓縮模量如表6～表8所示。

表6 密度為1.65 g/cm3壓縮模量MPa

表7 密度為1.55 g/cm3壓縮模量MPa

表8 密度為1.45 g/cm3壓縮模量MPa

經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后，壓縮模量為大約初始的80%～90%；經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后，壓縮模量為大約初始的60%～80%；經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，壓縮模量大約為初始的50%～60%，且凍融循環(huán)10次之后壓縮模量基本不再下降，極限可取初始壓縮模量的50%～60%。

引入壓縮模量劣化系數(shù)KE描述壓縮模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關系，并選用生長曲線函數(shù)對壓縮模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關系進行擬合，生長曲線函數(shù)如式(9)所示：

KE=aE+bEe(-n/λE)

(9)

式中：aE、bE、λE為系數(shù)。KE為壓縮模量的劣化系數(shù)，可表示為：

(10)

式中：En為n次凍融循環(huán)后壓縮模量；E0為不經(jīng)歷凍融循環(huán)時的壓縮模量。

將表6～表8中數(shù)據(jù)代入上式，可擬合得到密度1.45 g/cm3、1.55 g/cm3和1.65 g/cm3固化土壓縮模量劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化上下限曲線如式(11)、式(12)所示，實際工程中可利用該式對工程渣土固化土壓縮模量的范圍進行計算。

(11)

(12)

4 結(jié)論

(1)通過室內(nèi)試驗研究了工程渣土固化土在凍融循環(huán)作用下的長期力學性能，經(jīng)歷過10次循環(huán)后，黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量劣化系數(shù)降低幅度均較小，即劣化系數(shù)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后黏聚力劣化系數(shù)范圍為0.47～0.55；內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)范圍為0.91～0.93，含水率高時取小值；壓縮模量劣化系數(shù)范圍為0.51～0.61，密度小時取小值。

(2)建立了凍融循環(huán)作用下工程渣土固化土長期強度指標和變形指標擬合曲線，可為工程渣土固化土力學指標的選取提供參考。