福州擾動軟土水泥改良性能試驗研究

杜長鈴，黃順佩，朱尚明，甘 鑫，陳華軍

(1.中電建鐵路建設投資集團有限公司，北京 100070;2.中國水利水電第七工程局有限公司，成都 611730;3.武漢理工大學，武漢 430070;4.日昇創(chuàng)意景觀規(guī)劃設計湖北有限公司，武漢 430074)

福州市南港道大橋與福州地鐵6號線壺井站-萬壽站區(qū)間隧道交匯工程，施工的高架橋樁基樁徑2.2 m、樁長達88 m，與鄰近在建地鐵隧道最小間距僅2.1 m，樁基與地鐵隧道近接段地質(zhì)軟土厚達35 m。由于軟土具有高壓縮性、低強度、低滲透性、流變性及觸變性，在工程建設中極易被擾動而造成不利的環(huán)境變形，因此考慮在施工過程中同時對擾動軟土進行固化改性，提高其強度，以滿足變形控制要求。

目前各土的抗剪強度特性影響因素中，水泥改良對土的抗剪強度特性影響研究較少，部分學者通過對一定水泥摻量比例的水泥改良膨脹土進行室內(nèi)直剪試驗和三軸壓縮試驗，研究表明：水泥的摻入能有效提高改良膨脹土的黏聚力和內(nèi)摩擦角[1-3]。吳剛等[4]對摻入不同水泥比和不同的養(yǎng)護齡期的河積軟土進行壓縮試驗表明：應力相同的前提下，隨著水泥摻量和齡期的增大，應變會越來越小，強度會越來越大。李永彪等[5]和梁勇等[6]認為隨著水泥摻量的增加，水泥改良膨脹土的內(nèi)摩擦角會逐漸增大，之后又逐漸變緩直至穩(wěn)定；而膨脹土的粘聚力也會隨著水泥的增加而增加。內(nèi)摩擦角的增大趨勢為先快后慢，而粘聚力增大的趨勢先慢后快,然后逐漸減慢。閆奇等[7]通過直剪及濾紙法試驗建立了某邊坡黏土含水率不同情況下的基質(zhì)吸力變化函數(shù)，得到不同含水率對應的不同基質(zhì)吸力對非飽和黏土的抗剪強度的影響規(guī)律。曹志翔等[8]使用疊環(huán)式剪切試驗機進行不同含水率砂土的直剪試驗，表明砂土在較低法向應力作用及某特定含水率情況下有利于土體抗剪強度的提升。

目前大多數(shù)研究主要集中在重塑土或原狀土剪切速率對土的抗剪強度特性的影響，對擾動重塑后及水泥改性后的抗剪強度特征的研究甚少，探究土的抗剪強度特征影響因素方面，也只是含水率、干密度、圍壓、固結狀態(tài)等單一因素的影響規(guī)律。論文以福州原狀軟土、重塑軟土及水泥改性土為對象，分別以不同的剪切速率進行直剪試驗，探究福州軟土的抗剪強度變化規(guī)律，為軟土地區(qū)加固設計提供借鑒。

1 試驗方案與試樣制備

1.1 土樣及試樣制備

原狀土試樣取自福州新城高速公路南港道大橋與地鐵6號線隧道交匯處地鐵隧道頂板到底板高程中間段，土樣呈灰黑色，淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土為主，呈現(xiàn)飽和、軟塑-軟可塑狀態(tài)，含少量貝殼和云母類物質(zhì)，屬于福州地區(qū)典型的海相沉積軟土。原狀土試樣嚴格按照土試樣等級Ⅰ級的標準取出置于環(huán)刀中，進行基本物理試驗，其基本物理指標如表1所示。

表1 原狀土基本物理指標

試驗用1%、2%水泥土樣制備不同擾動程度的土樣，采用原狀土在室外風干后碾碎過0.45 mm土工篩的重塑土、型號為525硅酸鹽的水泥、食用鹽、水作為材料，在重塑土中加入水泥，具體制備方法如下：1)將以上所述混合料充分混合攪拌均勻后置于環(huán)刀中，采用壓樣法進行壓實，再加入適量的水并置于潮濕的環(huán)境中達到初凝。2)土樣置于流動的水中1 d，將食用鹽粒全部溶解隨水流帶走。3)將試樣抽氣飽和，并將所有試樣養(yǎng)護3 d后進行試驗。

人工制備結構性土的配比如表2所示。

表2 人工制備結構性土的配比

1.2 試驗方法

飽和的土樣從飽和器中取出后緩慢從環(huán)刀中推入剪切盒中待土樣加垂直壓力固結100 min后進行直接剪切試驗，根據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T50123—2019)確保飽和。原狀土樣、重塑土樣、水泥摻量為1%、2%的人工結構性土各有四組土樣，每組制備六個試樣，分別在剪切速率為 0.2 mm/min、0.8mm/min、1.6 mm/min、2.4 mm/min和法向應力為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的條件下進行直接剪切試驗。

2 水泥摻量對擾動土強度性能的改良效果

2.1 直接剪切強度

根據(jù)剪切位移與剪應力關系曲線無明顯的剪應力峰值，取剪切位移為4 mm時對應的剪應力作為抗剪強度值，對4組法向應力為200 kPa、300 kPa、400 kPa試驗數(shù)據(jù)進行擬合，結果如圖1、圖2所示。在相同的法向應力條件下，隨著水泥摻量的增加，抗剪強度值也隨之增大。原狀土與重塑土黏聚力大小變化范圍為0～12.57 kPa，2%水泥土、1%水泥土，重塑土黏聚力減少幅值分別為21.0%、81.1%、100%。原狀土與重塑土內(nèi)摩擦角大小變化范圍為10.29°～11.22°，2%水泥土、1%水泥土，重塑土內(nèi)摩擦角減少量分別為0.075°、0.241°、0.927°，擾動程度對內(nèi)摩擦角的影響范圍小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是：引起內(nèi)摩擦角變化的大小主要受土顆粒形態(tài)、大小、結構以及密實度的影響[9]，而水泥改性土重構了土顆粒間的膠結作用，并沒有改變土顆粒的形態(tài)和大小，所以內(nèi)摩擦角只在10.29°～11.22°小區(qū)域變化。

2.2 剪切速率影響

根據(jù)規(guī)范標準，在剪應力和剪切位移關系曲線上取峰值點或穩(wěn)定值作為抗剪強度值，對于沒有明顯峰值點，取剪切位移為4 mm時對應的剪應力作為抗剪強度值。對不同剪切速率下的各組試驗數(shù)據(jù)進行擬合，繪制土體抗剪強度包線，如圖3所示。原狀土、2%水泥土、1%水泥土與重塑土內(nèi)摩擦角φ和剪切速率v的關系曲線如圖4(a)，原狀土、2%水泥土、1%水泥土、重塑土的內(nèi)摩擦角從剪切速率變化范圍0.2～2.4 mm/min分別減小了44.7%、39.1%、36.6%、29.9%，原狀土內(nèi)摩擦角受剪切速率的影響更加明顯，隨著剪切速率的增加內(nèi)摩擦角減少幅度增大，原狀土在2.4 mm/min剪切速率下內(nèi)摩擦角小于重塑土的內(nèi)摩擦角。

各土樣黏聚力c和剪切速率v的關系曲線見圖4(b)，原狀土的黏聚力在各剪切速率下均大于重塑土的黏聚力，隨著剪切速率的增加差值分別為6.53 kPa、13.1 kPa、10.9 kPa、19.3 kPa；2%水泥摻量土的黏聚力在各剪切速率下均大于1%水泥摻量土的黏聚力，隨著剪切速率的增加差值分別為2.73 kPa、4.24 kPa、5.00 kPa、4.01 kPa，呈逐漸增大的趨勢；隨著剪切速率的增加，黏聚力均出現(xiàn)先增大后降低再增大的現(xiàn)象。兩種水泥土與原狀土、重塑土的黏聚力隨著剪切速率的增加表現(xiàn)處相似的規(guī)律。黏聚力從產(chǎn)生原因上分析[3]，主要有結合水的聯(lián)結作用、礦物質(zhì)的膠結作用、毛細水的連結作用及化學健力等。飽和土含水率降低時土粒周圍的結合水厚度變薄，孔隙率降低，土顆粒間的距離變短，水膜膠結作用力加強，宏觀上表現(xiàn)為黏聚力增加。由于原狀土有很強的結構性弱化了這方面的影響，重塑土的黏聚力則表現(xiàn)為隨著剪切速率的增加而減少。

3 結 論

a.從原狀土、2%水泥改性土、1%水泥改性土到重塑土，內(nèi)摩擦角和黏聚力均隨著擾動程度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢，原狀土與重塑土黏聚力大小變化范圍為0～7.05 kPa，內(nèi)摩擦角在10.29°～11.22°區(qū)域變化。水泥摻量為1%時改性土接近重塑土的剪切力學特征，隨著水泥摻入比增加到2%，改性土接近原狀土的剪切力學特征。

b.隨著剪切速率的增加，原狀土的內(nèi)摩擦角在0.2～2.4 mm/min剪切速率范圍內(nèi)減小了44.7%，2%水泥摻量土減少了39.1%，1%水泥摻量土減少了36.6%，重塑土減少了29.9%。原狀土在2.4 mm/min剪切速率下內(nèi)摩擦角小于重塑土的內(nèi)摩擦角。

c.原狀土的黏聚力在各剪切速率下均大于重塑土的黏聚力，隨著剪切速率的增加差值分別為6.53 kPa、13.1 kPa、10.9 kPa、19.3 kPa；2%水泥摻量土的黏聚力在各剪切速率下均大于1%水泥摻量土的黏聚力，隨著剪切速率的增加差值分別為2.73 kPa、4.24 kPa、5.00 kPa、4.01 kPa，呈逐漸增大的趨勢;隨著剪切速率的增加，黏聚力均出現(xiàn)先增大后降低再增大的現(xiàn)象。