鮑俊安，楊 平，王許諾

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210037)

0 引言

近年來(lái)，隨著凍結(jié)法施工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其施工對(duì)周邊環(huán)境的影響也日漸顯現(xiàn)出來(lái)［1-2］.由于人工凍結(jié)法施工引起周圍土層溫度場(chǎng)變化，使周圍土層產(chǎn)生凍脹和融沉，對(duì)此如不能及時(shí)控制，很容易對(duì)地表建筑、地下結(jié)構(gòu)和管線產(chǎn)生影響甚至破壞作用，因此凍脹和融沉的防治問(wèn)題是工程界亟待解決的難題［3-5］.目前用來(lái)控制凍脹的方法大多只能治標(biāo)，如開挖卸壓槽，減小水平凍脹力，而控制融沉主要采用事后控制即用跟蹤注漿的方法來(lái)解決，但注漿量和注漿時(shí)間主要靠經(jīng)驗(yàn)選擇，缺乏精確的計(jì)算，經(jīng)濟(jì)效果和工程效果并不太理想［6-7］.在地基土中摻入水泥形成水泥土的方法來(lái)控制凍脹在國(guó)內(nèi)外均有應(yīng)用，且效果顯著.日本學(xué)者小山道義等人通過(guò)在土層中加入一些添加劑來(lái)控制天然凍土的凍脹，發(fā)現(xiàn)加入水泥后控制效果良好，而譚利華［8］也做過(guò)這方面的嘗試.胡向東［9］針對(duì)上?；尹S色粉砂開展水泥改良土凍脹融沉性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，并指出水泥改良地層控制凍脹融沉的基本機(jī)理是水泥改良作用降低了土的滲透性，阻止了水分遷移量，減小了冰分凝作用，從而減小了凍脹.關(guān)于這方面的研究報(bào)道很少.實(shí)踐表明，在地基摻入水泥后凍脹得到了明顯的抑制，是一種行之有效的控制凍脹措施，但水泥摻入比、含水率、齡期、冷端溫度、荷載等因素和凍脹率具體變化規(guī)律尚不清楚.為了從理論上揭示水泥土抑制凍脹的規(guī)律，筆者研究了這些因素對(duì)水泥土凍脹特性影響.

1 試驗(yàn)材料、試樣規(guī)劃與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黏土、砂土均為南京地區(qū)典型土質(zhì)，取自南京地鐵十號(hào)線過(guò)江大盾構(gòu)風(fēng)井基坑，其基本物理性質(zhì)見表1;試驗(yàn)所用水泥為海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥.

表1 土樣基本物理性質(zhì)Tab.1 Basic physical property of soil

1.2 試驗(yàn)規(guī)劃

研究摻入比單因素時(shí)，由摻入比與凍脹率關(guān)系可得兩種水泥土最佳摻入比，λn、λs分別為黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土的最佳摻入比，研究其他單因素時(shí)，水泥摻入比均采用最佳摻入比;實(shí)際工程齡期為28 d時(shí)，水泥強(qiáng)度已增長(zhǎng)到總強(qiáng)度的90%，故取28 d為試驗(yàn)基準(zhǔn)齡期;凍土強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)一般采用-10℃時(shí)強(qiáng)度，故取-10℃為試驗(yàn)基準(zhǔn)冷端溫度.試驗(yàn)規(guī)劃見表2.

1.3 試驗(yàn)方法

凍脹試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》［10］，采用南京林業(yè)大學(xué)研制的凍脹融沉儀進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示.在有外部水分補(bǔ)充情況下選取摻入比、含水率、齡期、冷端溫度、凍結(jié)條件、荷載等因素進(jìn)行不同水平的單因素試驗(yàn)，以獲得其對(duì)兩種水泥土凍脹率的影響規(guī)律.

表2 水泥土單因素凍脹試驗(yàn)規(guī)劃Tab.2 Single-factor test planning of the cement soil frost heave

圖1 凍脹融沉儀示意圖Fig.1 Sketch map of frost heave and thaw subsidence instrument

本試驗(yàn)中采用的水泥摻入比為干水泥質(zhì)量與重塑土質(zhì)量之比，即λ=(ms/m)×100%，其中λ為水泥摻入比，%;ms為摻入的水泥質(zhì)量，kg;m為重塑土質(zhì)量，包括干土和水的質(zhì)量，kg.

水泥土試樣制作:在土樣的干土中加入水泥充分?jǐn)嚢?，按照原狀土含水量、水泥水灰?.5對(duì)土樣進(jìn)行配水，一次壓制成直徑為80 mm，高度50 mm的圓柱體，制作完成后放入養(yǎng)護(hù)室中按照標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)28 d.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 摻入比對(duì)水泥土凍脹特性影響

兩種土質(zhì)摻入不同含量水泥后凍脹率與水泥摻入比的關(guān)系曲線如圖2所示.由圖可見:兩種水泥土凍脹率均隨摻入比增大呈指數(shù)規(guī)律減小，黏土中水泥摻量為0%時(shí)其凍脹率為11.56%，隨著水泥摻入量增加，曲線斜率也一直增大，即凍脹率一直在減小，而當(dāng)水泥摻量達(dá)到10%時(shí)曲線斜率增大趨勢(shì)有所減緩，圖中此時(shí)凍脹率為1.56%，僅為水泥摻入量0%時(shí)的13.5%;水泥摻量對(duì)砂土質(zhì)水泥土凍脹率影響具有同一變化規(guī)律，只是量值不同，砂土中無(wú)水泥摻量時(shí)凍脹率為2.73%，隨著水泥摻入量增加，曲線斜率也一直增大，在水泥摻入量為5%左右，凍脹率減小緩慢，此時(shí)凍脹率僅為0.41%，僅為無(wú)水泥含量時(shí)的15.02%.這種現(xiàn)象可解釋為:在土中摻入水泥，水泥熟料中的礦物與水發(fā)生水化反應(yīng)，水化產(chǎn)物填充了空隙和土顆粒連接在一起，由于水泥水化產(chǎn)物與土顆粒之間的結(jié)合力大于土顆粒本身之間的結(jié)合力，所以水泥的摻入，土體中顆粒之間的結(jié)合力增加使得抵抗破壞顆粒骨架能力加強(qiáng)，且隨水泥摻入比增大，抵抗破壞顆粒骨架能力增大，凍脹試驗(yàn)產(chǎn)生的凍脹力不足以破壞試樣，最終使得凍脹率下降.

綜上分析，得知:(1)兩種土質(zhì)摻入水泥后的曲線整體均呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律減小趨勢(shì)，且黏土質(zhì)水泥土凍脹率下降的幅度大于砂土質(zhì)水泥土凍脹率，表明在黏土中摻入水泥對(duì)控制凍脹的效果更加顯著;(2)黏土、砂土中摻入水泥對(duì)凍脹率影響均存在一個(gè)摻入比最佳點(diǎn)，當(dāng)摻入比小于最佳點(diǎn)時(shí)，水泥摻入量的變化對(duì)凍脹率變化影響較大，反之，摻入比變化對(duì)凍脹率變化影響較小，最佳摻入比可能隨土質(zhì)的不同而不同，但變化量不會(huì)太大，本試驗(yàn)黏土和砂土的最佳摻入比分別為10%、5%.最佳點(diǎn)對(duì)應(yīng)的摻入比可稱最佳摻入比，表明在水泥摻入比為此值時(shí)的凍脹率相對(duì)較小.所以，凍結(jié)法施工時(shí)，可采取預(yù)先摻入一定水泥的辦法來(lái)減小凍脹，以減小由于凍脹融沉對(duì)工程和環(huán)境造成的影響，且水泥摻入比為最佳摻入比時(shí)可達(dá)到經(jīng)濟(jì)最佳.

圖2 水泥土凍脹率與水泥摻入比的關(guān)系曲線Fig.2 Curves between frost heave coefficient of cement-improved soil＆mixing ratio of cement

2.2 含水率對(duì)水泥土凍脹特性影響

圖3為黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土凍脹率與原始含水率的關(guān)系曲線.

圖3 水泥土凍脹率與原始含水率關(guān)系曲線Fig.3 Curves between frost heave coefficient of cement-improved soil＆moisture content

由圖可見:兩種土質(zhì)水泥土凍脹率均隨含水率增大呈線性遞增，這是因?yàn)殡S著含水率增大，土中所含水量也隨著增大，當(dāng)溫度降低時(shí)，水變成冰，自然體積就會(huì)膨脹，故凍脹率增大;另外還可見黏土質(zhì)水泥土的曲線全部在砂土質(zhì)水泥土的上方，表明在相同含水率條件下，黏土質(zhì)水泥土的凍脹率始終比砂土質(zhì)水泥土的凍脹率大，黏土質(zhì)水泥土當(dāng)含水率變化1%時(shí)，其凍脹率變化0.08%;砂土質(zhì)水泥土含水率變化1%時(shí)，其凍脹率僅僅隨著變化0.05%，含水率對(duì)土體凍脹率的影響特征可解釋為:在土體中摻入水泥后經(jīng)28 d的養(yǎng)護(hù)，試樣已經(jīng)具備一定強(qiáng)度，尤其砂土，它和水泥拌合一起制成試樣經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后非常堅(jiān)硬，這種情況下，進(jìn)行凍脹試驗(yàn)產(chǎn)生的凍脹力不足以破壞試樣，同時(shí)由于砂土中黏性顆粒含量較少，故相同含水率情況下，黏土質(zhì)水泥土的凍脹率比砂土質(zhì)水泥土的凍脹率大.

2.3 齡期對(duì)水泥土凍脹特性影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，齡期對(duì)水泥土凍脹特性的影響規(guī)律曲線如圖4.由圖可見，無(wú)論是黏土質(zhì)水泥土還是砂土質(zhì)水泥土隨著齡期延長(zhǎng)，其凍脹率均呈指數(shù)迅速減小，并逐漸穩(wěn)定，尤其起初階段較為明顯，說(shuō)明水泥摻入后早期對(duì)凍脹率影響比較顯著.黏土質(zhì)水泥土齡期7 d時(shí)凍脹率為4.56%，當(dāng)齡期增加到28 d時(shí)凍脹率減小至1.56%，僅為7 d齡期時(shí)的34.21%;然而當(dāng)齡期增加到90 d時(shí)，凍脹率為1.24%，此時(shí)變化不大，說(shuō)明28 d是控制黏土質(zhì)水泥土凍脹的關(guān)鍵時(shí)間;同樣，對(duì)砂土質(zhì)水泥土也有類似情況，其齡期7 d時(shí)的凍脹率為1.80%，齡期增加到14 d時(shí)的凍脹率減小速度較快，凍脹率減小至0.58%，僅為7 d齡期時(shí)的32.22%，減小了67.78%，但是當(dāng)齡期增加到90 d時(shí)，凍脹率為0.37%，減小量很少，說(shuō)明14 d是控制砂土質(zhì)水泥土凍脹的關(guān)鍵時(shí)間.綜上分析，黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土齡期對(duì)其凍脹率的影響均存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)D，試樣齡期小于D時(shí)，齡期變化對(duì)凍脹率變化影響較大，當(dāng)試樣齡期大于D時(shí)，齡期變化對(duì)凍脹率變化影響較小.轉(zhuǎn)折點(diǎn)D表明，當(dāng)水泥土試樣達(dá)到一定養(yǎng)護(hù)時(shí)間后凍脹率將較小，甚至為零，圖中表明黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土的轉(zhuǎn)折點(diǎn)D分別為28 d，14 d.因此，在周邊環(huán)境控制變形要求高的條件下，使用凍結(jié)法施工時(shí)，在經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件允許下，可在土體中預(yù)先注一定量的水泥漿并將放置一段時(shí)間后再凍結(jié)，以減小由于凍脹對(duì)工程和環(huán)境造成的危害.

2.4 冷端溫度對(duì)水泥土凍脹特性影響

冷端溫度對(duì)水泥土凍脹特性影響單因素試驗(yàn)采用4種不同冷端溫度在開放系統(tǒng)中單向凍結(jié)試驗(yàn).圖5為黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土兩者凍脹率與冷端溫度的對(duì)比曲線圖.

圖5表明，黏土質(zhì)水泥土在有水分補(bǔ)給系統(tǒng)下進(jìn)行單向凍結(jié)時(shí)，其凍脹率隨溫度升高而呈線性增大，冷端溫度升高1℃，對(duì)應(yīng)凍脹率增大0.22%.從凍土的凍結(jié)機(jī)理可知，當(dāng)冷端溫度較低，冷卻強(qiáng)度較大，凍結(jié)峰面快速向上推進(jìn)，就會(huì)促使土中的自由水和弱結(jié)合水快速凍結(jié)，這樣遷移外部水分來(lái)不及遷移就凍結(jié)完畢，因此，凍脹率較小.反之，當(dāng)凍結(jié)溫度較高，冷卻強(qiáng)度較小，負(fù)溫持續(xù)時(shí)間則相對(duì)較長(zhǎng)，則外部水分遷移量就會(huì)較大，因此，凍脹率較大.

由于砂土礦物顆粒較大，并且砂粒間缺少黏聚力，其中結(jié)合水含量非常少，加上在砂土中摻入5%水泥量，水泥水化物填充了部分空隙，使得單向凍結(jié)溫度場(chǎng)中水分遷移機(jī)制減弱，故冷端溫度升高1℃，對(duì)應(yīng)凍脹率僅增大0.012%，說(shuō)明冷端溫度的變化對(duì)砂土凍脹特性影響不大，實(shí)際工程中在砂土層注入少許水泥漿再使用凍結(jié)法施工對(duì)周圍環(huán)境幾乎不會(huì)產(chǎn)生影響.

2.5 荷載對(duì)水泥土凍脹特性影響

研究荷載對(duì)水泥土凍脹特性影響時(shí)，為使儀器各組成部分緊密接觸，在試樣上方施加1 kPa壓力(施加這一小量對(duì)凍脹率值影響不大).圖6為兩種不同土質(zhì)水泥土凍脹率與上部荷載關(guān)系曲線，從圖中可見，無(wú)論是黏土質(zhì)水泥土還是砂土質(zhì)水泥土，在單向凍結(jié)溫度場(chǎng)凍脹變形均隨上部荷載增大而減小，說(shuō)明荷載對(duì)土體凍脹變形有抑制作用，并隨荷載越大這種抑制作用越明顯，究其原因可解釋為試樣在單向凍結(jié)試驗(yàn)中，冷端溫度是自下而上，而荷載是從試樣的頂端向下傳遞，由壓力引起的固結(jié)排水與溫度引起的水分遷移部分相抵消，即荷載對(duì)水分遷移有抑制作用，從而導(dǎo)致有荷載作用時(shí)，凍脹率減小.

圖6 水泥土凍脹率與上部荷載關(guān)系曲線Fig.6 Curves between frost heave coefficient of cement-improved＆load

表3中擬合關(guān)系式表明，凍脹率均呈指數(shù)規(guī)律減小，說(shuō)明荷載對(duì)土體凍脹變形有抑制作用，并隨荷載增大這種抑制作用越明顯，究其原因可解釋為試樣在單向凍結(jié)試驗(yàn)中，冷端溫度是自下而上，而荷載是從試樣的頂端向下傳遞，由壓力引起的固結(jié)排水與溫度引起的水分遷移部分相抵消，同時(shí)荷載對(duì)水分遷移有抑制作用，從而導(dǎo)致有荷載作用時(shí)，凍脹率減小，但結(jié)合圖6可知:荷載對(duì)兩種土體的凍脹率影響程度并非一樣，荷載對(duì)黏土質(zhì)水泥土凍脹特性影響比砂土質(zhì)水泥土大.

表3 不同土質(zhì)凍脹率與上部荷載關(guān)系式Tab.3 Relationship for different soil frost heave rate and the load

3 結(jié)論

(1)無(wú)論在黏土還是在砂土中，摻入水泥后的水泥土在開放系統(tǒng)單向凍結(jié)溫度場(chǎng)中產(chǎn)生凍脹變形，其凍脹率均隨摻入比增大呈指數(shù)規(guī)律減小，且在黏土中摻入水泥凍脹率減小幅度更大.另外，在黏土和砂土中摻入水泥，均存在一個(gè)最佳摻入比，當(dāng)摻入比小于最佳摻入比時(shí)，水泥摻入量的變化對(duì)凍脹率變化影響較大，當(dāng)摻入比大于最佳摻入比時(shí)，摻入比變化對(duì)凍脹率變化影響較小，南京地區(qū)典型黏土和砂土的最佳摻入比分別為10%、5%.

(2)摻入最佳水泥量的黏土質(zhì)和砂土質(zhì)水泥土在開放系統(tǒng)中，凍脹率均隨含水率增大呈線性增大.

(3)黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土，凍脹率均隨齡期增大呈指數(shù)減小，且齡期對(duì)黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土凍脹率的影響均存在一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)D，試樣的齡期小于D時(shí)，齡期的變化對(duì)凍脹率變化影響較大，當(dāng)大于D時(shí)，齡期變化對(duì)凍脹率變化影響較小，黏土質(zhì)水泥土和砂土質(zhì)水泥土的轉(zhuǎn)折點(diǎn)D分別為28 d，14 d.

(4)其他因素相同時(shí)，兩種水泥土凍脹率均隨冷端溫度升高而呈線性增大，且冷端溫度的變化對(duì)黏土質(zhì)水泥土凍脹特性影響比砂土質(zhì)水泥土大.

(5)其他因素相同的情況下，凍脹率均隨荷載增大呈指數(shù)規(guī)律減小，且荷載對(duì)黏土質(zhì)水泥土凍脹特性影響比砂土質(zhì)水泥土大.

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