水泥摻量與上覆應(yīng)力耦合作用下軟黏土固結(jié)滲透特性分析

孫福平,陳 杰,陸友芽,江廷薈

(1.廣西河田高速公路集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

軟黏土是一類具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性和低剪切強(qiáng)度的細(xì)粒土,其給道路路基的設(shè)計(jì)帶來了一定的困難和挑戰(zhàn)性。這種軟黏土廣泛分布在我國湛江、天津、溫州等地區(qū)[1-3],其固結(jié)滲透特性引起的高沉降量和不均勻沉降現(xiàn)象是路基建設(shè)中常見的典型問題[4]。如何用改良軟黏土替代造價(jià)較高的換填法,并對其固結(jié)滲透特性進(jìn)行評(píng)價(jià),是未來深入研究的熱點(diǎn)問題。

固結(jié)滲透特性是軟黏土的重要特性之一。固結(jié)壓力是影響固結(jié)滲透性的一個(gè)重要因素,其與抗剪強(qiáng)度、孔隙比、屈服應(yīng)力、壓縮指數(shù)和孔隙度等息息相關(guān)[5-6]。羅嗣海[7]獲取了軟黏土滲透系數(shù)與孔隙比之間的關(guān)系式,并計(jì)算了滲透系數(shù)隨固結(jié)時(shí)間的變化。蔡超等[8-9]探討了軟黏土滲透系數(shù)隨應(yīng)力水平變化的規(guī)律,并提出了軟黏土固結(jié)壓力與滲透系數(shù)的定量關(guān)系,推進(jìn)了滲透系數(shù)預(yù)測理論在實(shí)際工程中的應(yīng)用。黃趙星等[10]對固結(jié)條件下的軟黏土孔隙演化規(guī)律進(jìn)行了分析。余良貴[11]分析了沉積環(huán)境和動(dòng)力特性對軟黏土滲透系數(shù)的影響。軟黏土的滲透固結(jié)規(guī)律及機(jī)理已有一定的研究,但是多聚焦于天然沉積軟黏土,對改良軟黏土的研究仍有待深入。

許多改良方法被提出并應(yīng)用于軟黏土固化研究當(dāng)中,包括電滲加固、石膏、石灰、粉煤灰、水泥等[12-14]。水泥材料較為廉價(jià),是實(shí)際工程中應(yīng)用最廣的技術(shù)之一。學(xué)者們針對水泥改良軟黏土(CMSC)的力學(xué)強(qiáng)度開展了較多研究。Walske等[15]研究了在現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)條件下溫度和壓力對水泥填充材料的強(qiáng)度的影響。Subramaniam等[16]研究了低水泥含量(2.5%～10%)固化穩(wěn)定軟黏土的應(yīng)力-應(yīng)變行為和臨界狀態(tài)參數(shù),并提出了經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)測臨界狀態(tài)參數(shù)。Wang等[14]研究了90天長期固穩(wěn)定條件下水泥固化軟黏土的強(qiáng)度和變形規(guī)律。Liu等[17]通過現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬,研究了水泥漿濃度和原位含水量條件下的固化效果。總之,在軟黏土中添加水泥會(huì)增加剛度和強(qiáng)度,降低延展性和壓縮性,使其屈服應(yīng)力增加,孔隙比急劇下降[18];膠結(jié)產(chǎn)物如鋁酸鈣水合物(CAH)、硅酸鈣水合物(CSH)和硅酸鋁鈣水合物(CASH)將增加顆粒之間的粘結(jié),減小了孔隙尺寸,并提高強(qiáng)度[19-20]。綜上可知,對于處理過的軟黏土,巖土工程特性取決于固結(jié)效應(yīng)和化學(xué)反應(yīng),學(xué)術(shù)界已對水泥的改性機(jī)理展開了大量研究,然而鮮有研究考慮上覆應(yīng)力條件與水泥摻量比的耦合作用下軟黏土的固結(jié)滲透特性。

本文將針對水泥改良軟黏土開展試驗(yàn)研究,探討CMSC的固結(jié)滲流變化規(guī)律,闡明水泥改良劑對軟黏土固結(jié)滲透特性的影響。通過分析上覆應(yīng)力和水泥摻量比的耦合效應(yīng),研究不同條件下的CMSC固結(jié)壓縮規(guī)律以及滲流規(guī)律,查明影響CMSC固結(jié)滲流特性的主要因素,為軟黏土地區(qū)路基填筑工程提供理論參考及技術(shù)依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

軟黏土試樣取自湛江某公路項(xiàng)目建設(shè)現(xiàn)場,深度為3～4 m。該場地軟黏土含水量高、壓縮性高、強(qiáng)度低、含粉量高,其基本參數(shù)如表1所示。

表1 軟黏土的基礎(chǔ)物理性能指標(biāo)表

試驗(yàn)所用水泥為32.5級(jí)華新牌普通硅酸鹽水泥,初凝時(shí)間約為4 h。

1.2 試驗(yàn)材料

將現(xiàn)場取回的試樣自然風(fēng)干,用橡膠錘碾碎,過2 mm孔徑的圓孔篩備用。將過篩后的風(fēng)干土與水泥混合均勻,調(diào)制成初始含水率為35%的土樣,并壓制成直徑61.8 mm、高度為20 mm、干密度為1.12 g/cm3的試樣塊。采用水泥摻量比η為0、5%、10%、15%、20%、25%進(jìn)行試驗(yàn),其中15%預(yù)估為綜合經(jīng)濟(jì)性考慮后實(shí)際工程中抗剪強(qiáng)度較高的水泥摻量比[21]。在調(diào)制過程中,分兩次加入設(shè)計(jì)水量:第1次噴灑一定的水量到混合土樣中,使其含水率達(dá)到30%的狀態(tài),然后將其密封在塑料袋中48 h,保證水泥的水化反應(yīng)充分;第2次噴灑5%的含水率,并密封悶料24 h,隨后壓制成擬定尺寸的試樣塊。

本研究采用自制的固結(jié)滲透儀進(jìn)行固結(jié)滲流試驗(yàn)。該裝置由常規(guī)固結(jié)儀經(jīng)過簡單改裝后制作而成,可在每級(jí)荷載加載完成且試樣固結(jié)穩(wěn)定后,施加設(shè)定的水頭進(jìn)行變水頭滲透試驗(yàn),從而得到每一級(jí)固結(jié)應(yīng)力下的滲透性。具體改裝方法可參考Tavenas等[22]的研究。固結(jié)過程中,按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50123-2019)的固結(jié)試驗(yàn)方法施加上覆應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果

通過一維固結(jié)試驗(yàn),分析了不同上覆壓力下CMSC壓縮指數(shù)(Cc)、孔隙比(e)和壓縮模量(Es)的變化規(guī)律。

CMSC的孔隙比參數(shù)通過He等[23]提出的方法進(jìn)行計(jì)算。通過不同摻量比η的CMSC固結(jié)試驗(yàn),獲取的e-lgp曲線以及εa-p(主應(yīng)變-上覆應(yīng)力)曲線如圖1所示。

圖1 e-lgp曲線圖

由圖1可知,低摻量比CMSC的e-lgp曲線和εa-p曲線均呈現(xiàn)典型的高壓縮性特征。由εa-p曲線可知,隨著摻量比η的增長,相同上覆應(yīng)力下主應(yīng)變逐漸減小,屈服應(yīng)力增大,可見改良土剛度和壓縮強(qiáng)度閾值增大。隨著固結(jié)應(yīng)力的增長,5%與10%摻量比的e-lgp關(guān)系曲線逐漸重合,15%～25%摻量比的e-lgp關(guān)系曲線在另一趨勢線上重合。根據(jù)固有壓縮特征理論[24],這反映了一定摻量比η范圍內(nèi)CMSC具有相同的固有壓縮特征。可認(rèn)為η≤10%的CMSC具有同一種壓縮特性,反之η>10%的CMSC具有另一種壓縮特性。在工程應(yīng)用中,需要根據(jù)摻量比的固有壓縮特征預(yù)估路基等構(gòu)筑物的沉降。

采用p=100～200 kPa的割線斜率對CMSC的壓縮性進(jìn)行評(píng)價(jià),即:

(1)

式中:pi——某i級(jí)壓力值(kPa)。

根據(jù)式(1)計(jì)算的壓縮系數(shù)α1-2見圖2。壓縮模量Es也是評(píng)價(jià)土體壓縮性的重要指標(biāo)之一,其反映了土體在側(cè)限條件下,豎向上覆應(yīng)力與主應(yīng)變增量的比值,該指標(biāo)計(jì)算式如下:

圖2 固結(jié)指標(biāo)隨摻量比變化關(guān)系擬合曲線圖

(2)

式中:e0——初始孔隙比。

采用p=100～200 kPa的壓縮模量對CMSC的壓縮性進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)式(2)計(jì)算的壓縮模量E1-2見圖2。為了對高上覆應(yīng)力狀態(tài)下CMSC的壓縮變形特征進(jìn)行分析和評(píng)價(jià),采用壓縮指數(shù)Cc進(jìn)行分析,壓縮指數(shù)的計(jì)算式如下:

(3)

式中:上覆應(yīng)力p取400 kPa以上的高上覆應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果見圖2。

由圖2可知,η=0時(shí),軟黏土的壓縮系數(shù)α1-2較高,隨著η的增長,壓縮系數(shù)α1-2明顯降低,壓縮指數(shù)Cc略有降低。壓縮指數(shù)Cc下降趨勢小,這是因?yàn)樵诟邞?yīng)力范圍內(nèi)上覆應(yīng)力是影響CMSC壓縮性的主要因素。壓縮系數(shù)α1-2的變化關(guān)系曲線與壓縮指數(shù)Cc的變化關(guān)系曲線在摻量比約為15%時(shí)相交,說明采用此摻量比能獲取較為適中的壓縮性。壓縮系數(shù)、壓縮模量、壓縮指數(shù)分別與η呈線性變化關(guān)系,回歸擬合關(guān)系見式(4):

(4)

為了進(jìn)一步分析不同上覆應(yīng)力狀態(tài)下CMSC的孔隙比隨摻量比η的變化規(guī)律,分別取最大上覆應(yīng)力p=100 kPa下的孔隙比與初始孔隙比之差Δe1=e100-e0、最終孔隙比與初始孔隙比之差Δe2=em-e0進(jìn)行分析?？紫侗戎笜?biāo)隨摻量比的變化關(guān)系見圖3。

圖3 孔隙比指標(biāo)隨摻量比變化關(guān)系擬合曲線圖

由圖3可知,最終孔隙比em隨摻量的增長而增長,說明摻量比的提高能顯著減小土體的壓縮性。這也是Δe1和Δe2隨摻量比η升高而降低的原因。Δe1的下降趨勢比Δe2的下降趨勢較緩,說明100 kPa以下的上覆應(yīng)力較小,無法破壞水化物的膠結(jié)效應(yīng)。換言之,在低上覆應(yīng)力的條件下,水泥摻量是影響CMSC壓縮性的主要因素。結(jié)合圖2可知,在中等應(yīng)力范圍內(nèi)(100～400 kPa),水泥摻量比仍是影響CMSC壓縮性的主要因素。孔隙比指標(biāo)隨摻量比變化關(guān)系如下:

(5)

2.2 滲透試驗(yàn)結(jié)果

由圖4可知,當(dāng)上覆應(yīng)力p<10 kPa時(shí),滲透系數(shù)降低幅度較小;當(dāng)10 kPa≤p<400 kPa時(shí),滲透系數(shù)的降低幅度較大,滲透系數(shù)的變化主要發(fā)生在此上覆應(yīng)力范圍內(nèi);當(dāng)p≥400 kPa時(shí),不同摻量比的CMSC的滲透系數(shù)相差不大,此時(shí)摻量比已難以對滲透系數(shù)產(chǎn)生影響。隨著上覆應(yīng)力p的升高,不同摻量比CMSC的滲透系數(shù)變化趨勢不同。根據(jù)滲透系數(shù)變化拐點(diǎn)連成一條曲線AB。由曲線AB可知,拐點(diǎn)隨摻量比的變化而增大,說明水泥摻量比顯著影響低上覆應(yīng)力范圍內(nèi)CMSC的滲透性。

圖4 滲透系數(shù)與上覆應(yīng)力的變化關(guān)系曲線圖

在極低應(yīng)力范圍(p<10 kPa)內(nèi),水泥摻量比對CMSC的滲透性起主導(dǎo)作用;在高應(yīng)力范圍(p≥400)內(nèi),上覆應(yīng)力對CMSC的滲透性起決定作用。這是由于高上覆應(yīng)力條件下,土體中較大的孔隙已被擠壓重組為小孔隙,此時(shí)水化產(chǎn)物無法填充進(jìn)入這些微孔隙中。當(dāng)上覆應(yīng)力在10～400 kPa內(nèi),上覆應(yīng)力與水泥摻量比的耦合作用最為復(fù)雜,為了進(jìn)一步分析上覆應(yīng)力與水泥摻量比的耦合效應(yīng),分別取12.5 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下滲透系數(shù)與摻量比的變化關(guān)系曲線進(jìn)行分析,如圖5所示。

圖5 滲透系數(shù)與摻量比的變化關(guān)系擬合曲線圖

由圖5可知,隨著上覆應(yīng)力的增長,變化關(guān)系曲線斜率越小。當(dāng)p≥200 kPa時(shí),變化關(guān)系曲線逐漸趨近于水平線。因此可知,p<200 kPa時(shí),水泥摻量比仍是影響CMSC的主要因素。對于道路路基而言,一般其上覆應(yīng)力較小,因此實(shí)際工程中應(yīng)主要考慮水泥摻量比對CMSC滲透性的影響。

當(dāng)p=400 kPa和p=10 kPa的滲透系數(shù)變化關(guān)系曲線相互連接,可形成梯形ABCD?？刹捎迷撎菪芜吔绲木€性關(guān)系,預(yù)測不同摻量比和上覆應(yīng)力條件下CMSC的滲透系數(shù),從而便于實(shí)際工程應(yīng)用中對CMSC摻量比進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)。不同上覆應(yīng)力下滲透系數(shù)k與摻量比的關(guān)系如下:

(6)

3 結(jié)語

(1)摻入水泥可改變軟黏土的固有壓縮特性,計(jì)算路基等構(gòu)筑物的沉降量時(shí),需要根據(jù)不同摻量比CMSC的固有壓縮特征進(jìn)行評(píng)估。

(2)當(dāng)p<400 kPa,水泥摻量是影響CMSC壓縮性的主要因素。路基填筑等工程應(yīng)用中,建議采用摻量比η=15%,能獲取較好的壓縮性。

(3)當(dāng)p<200 kPa時(shí),水泥摻量比是CMSC滲透性的主要影響因素。對于路基填筑工程而言,應(yīng)主要考慮水泥摻量比對CMSC滲透性的影響。

(4)根據(jù)本研究提出的滲透系數(shù)與摻量比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,可采用線性插值法預(yù)估CMSC改性軟黏土路基的滲透系數(shù)。