董 慧，胡 俊，劉 勇

((1．南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院動(dòng)力工程學(xué)院，南京210031;2．海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，海口570228;3．新加坡國立大學(xué)土木與環(huán)境工程系，新加坡肯特崗117576)

人工凍結(jié)法施工可在復(fù)雜的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下形成凍土墻，具有嚴(yán)格的防水性和無污染性，可用來解決傳統(tǒng)巖土工程方法難于解決的問題，由于該工法施工引起的凍脹融沉量較大，常對(duì)地下管線、地面交通和建筑物產(chǎn)生破壞作用，抑制凍脹防止凍融下沉，是凍結(jié)法在地鐵以及城市巖土工程的主要課題之一［1-5］。采用人工凍結(jié)支護(hù)方式施工時(shí)，如在凍結(jié)施工前先對(duì)凍結(jié)區(qū)土體進(jìn)行水泥土改良，然后再進(jìn)行凍結(jié)施工則可阻斷凍結(jié)時(shí)水份遷移的通道，起到既提高加固區(qū)土體強(qiáng)度，又減小凍脹融沉的雙重作用。

“水泥土改良地層凍結(jié)法”理論上講可以達(dá)到控制凍脹融沉的目的［6-10］，但該方法目前缺乏工程經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)研究，難以推廣應(yīng)用。為促進(jìn)“水泥土改良地層凍結(jié)法”在地下工程中的推廣應(yīng)用，本文采用室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)凍融水泥土力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究結(jié)果可為“水泥土改良地層凍結(jié)法”施工提供參考依據(jù)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)安排

1．1 試驗(yàn)土料

本文試驗(yàn)土料選用取自深基坑的淤泥質(zhì)黏土，水泥采用PS325#礦渣硅酸鹽水泥。制樣時(shí)先根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)稱量規(guī)定數(shù)量的干土和水泥進(jìn)行攪拌，待攪拌均勻后，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)加入規(guī)定數(shù)量的水制作水泥土原料。試樣制作采用分層(3層)壓樣法制作，在壓實(shí)過程中保證每層土成型高度相同，加工成形的試樣密度與要求密度之差不得大于±0．01 g/cm3、含水率與要求含水率之差不大于±1%。

1．2 試驗(yàn)安排

對(duì)凍融水泥土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究水泥摻量、含水率、受凍溫度、水泥土齡期、水泥土密度和凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)凍融水泥土力學(xué)性能的影響規(guī)律。具體試驗(yàn)安排見表1。

表1 凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)安排Tab．1 Arrangment of unconfined compressive test of freeze-thaw cement-treated soil

1．3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123-1999進(jìn)行［11］，凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，試樣尺寸為7．07 cm ×7．07 cm ×7．07 cm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1 凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與受凍溫度的關(guān)系曲線如圖1所示。由圖可見，隨著水泥土受凍溫度的降低，凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小，水泥土受凍溫度為-5℃時(shí)，凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0．58 MPa，當(dāng)受凍溫度降低到-25℃時(shí)，凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度縮小為0．49 MPa。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于，水泥土凍融時(shí)，因水相變成冰和冰相變成水的過程會(huì)破壞水泥土原有的結(jié)構(gòu)，對(duì)水泥土結(jié)構(gòu)造成損傷，水泥土受凍溫度越低，凍脹融沉越強(qiáng)烈，對(duì)水泥土結(jié)構(gòu)造成的損傷越嚴(yán)重，水泥土強(qiáng)度損失越大，故隨著水泥土受凍溫度的降低，凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。

圖1 凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與受凍溫度關(guān)系Fig．1 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against temperature

凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系曲線如圖2所示。由圖可見，隨著水泥摻量的增加，水泥土及凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增大，究其原因，隨著水泥摻量的增加，水泥和土顆粒形成穩(wěn)定的水泥石骨架結(jié)構(gòu)并且強(qiáng)度逐漸提高，引起土體抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)。由于凍融水泥土凍融時(shí)水泥石骨架結(jié)構(gòu)受到損傷，引起強(qiáng)度損失，故不同水泥摻量的凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均小于相同摻量的未凍融水泥土。

圖2 凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥摻量關(guān)系Fig．2 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against cement content

凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖可見，不同齡期的凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均小于同齡期的未凍融水泥土強(qiáng)度;隨著齡期的增加，凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是，齡期越長(zhǎng)，水泥水化越充分，形成的水泥土結(jié)石體強(qiáng)度越高，同時(shí)由于不同齡期的水泥土干密度和含水率差別較小，孔隙率相近，凍融時(shí)對(duì)水泥石骨架結(jié)構(gòu)的損傷程度相似，故隨著齡期的增加，凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。

圖3 凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系Fig．3 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against curing time

凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與初始含水率的關(guān)系曲線如圖4所示。由圖可見，隨著含水率的增加，凍融水泥土及未凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均逐漸減小，且凍融水泥土強(qiáng)度減小的幅度更大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是，含水率越高，結(jié)合水膜越厚，土顆粒間起潤(rùn)滑作用的水越多，水泥土粘聚力越低，土顆粒間的摩擦力越小，故水泥土強(qiáng)度越小。

當(dāng)含水率升高時(shí)，一方面會(huì)引起未凍融水泥土強(qiáng)度降低，另一方面由于含水率大，凍結(jié)時(shí)有更多的水相變成冰，產(chǎn)生更大的膨脹變形，使水泥石骨架結(jié)構(gòu)受到更嚴(yán)重的損傷，強(qiáng)度損失相應(yīng)增加，故隨含水率增多，凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有更大的降幅。

凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系曲線如圖5所示。由圖可見，隨著干密度增加，水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大，原因是干密度越大，水泥土越密實(shí)。

圖4 凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與初始含水率的關(guān)系Fig．4 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against initial moisture content

圖5 凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與干密度的關(guān)系Fig．5 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against dry density

隨著干密度增加，凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體上呈上升趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)幅度小于未凍融水泥土，究其原因，干密度增大，一方面引起水泥土強(qiáng)度提高，另一方面，由于干密度增加導(dǎo)致孔隙率減小，凍結(jié)時(shí)容納冰晶自由膨脹的空間減小，相同含水率時(shí)會(huì)對(duì)水泥石骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更重的損傷，引起更多的水泥土強(qiáng)度損失，這種強(qiáng)度損失與干密度增大引起的水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)相互抵消，使凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增幅減小。

2．2 凍融水泥土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

水泥土凍融前后的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。由圖可見，水泥土凍融前后應(yīng)力應(yīng)變曲線形式相似，均呈應(yīng)變軟化型，試樣呈脆性破壞形式，但水泥土經(jīng)過凍融循環(huán)后，其峰值強(qiáng)度明顯降低，初始切線模量減小，破壞后的殘余強(qiáng)度也減小。水泥土凍融循環(huán)后強(qiáng)度衰減的原因在于，土體中摻入水泥后，水泥水化時(shí)產(chǎn)生大量的針狀、纖維狀晶體，這些晶體相互交錯(cuò)，形成三維網(wǎng)格，這種三維晶體網(wǎng)格使水泥土具有一定的結(jié)構(gòu)性，水泥土凍結(jié)時(shí)由于土中水相變成冰后體積增大，對(duì)三維晶體網(wǎng)格產(chǎn)生張拉效應(yīng)，使水泥水化晶體部分?jǐn)嗔眩鹑S晶體網(wǎng)格的損傷，破壞了水泥土原有的結(jié)構(gòu)，致使水泥土強(qiáng)度降低，彈性模量減小。

圖6 水泥土凍融前后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig．6 Stress-strain relationship before and after freeze-thaw cycle

2．3 凍融循環(huán)對(duì)凍融土力學(xué)性能的影響

凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖7所示。由圖可見，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是，水泥土凍融過程中因水相變成冰體積膨脹，對(duì)水泥石骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生張拉效應(yīng)，引起水泥石骨架結(jié)構(gòu)損傷，每一次凍融循環(huán)都會(huì)經(jīng)歷一次水冰相變，都會(huì)對(duì)水泥石骨架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一次損傷，故隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥石骨架結(jié)構(gòu)損傷越來越嚴(yán)重，凍融水泥土強(qiáng)度也越來越低。

圖7 凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig．7 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against number of freeze-thaw cycles

由圖7曲線可以看出，第1次凍融循環(huán)，凍融水泥土強(qiáng)度損失24%，2、3次凍融循環(huán)，凍融水泥土強(qiáng)度損失增加了9%，4到15次凍融循環(huán)，凍融水泥土強(qiáng)度損失增加了24%，平均每次凍融循環(huán)強(qiáng)度損失為2%，表明前期的凍融循環(huán)對(duì)水泥土強(qiáng)度損失有更大的影響。

3 結(jié)束語

本文對(duì)凍融水泥土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究了水泥摻量、含水率、土體溫度、水泥土齡期、水泥土密度等因素對(duì)凍融水泥土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系、強(qiáng)度和彈性模量的影響規(guī)律，主要得出:

(1)隨著水泥土受凍溫度的降低，凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小;隨著水泥摻量的增加，水泥土及凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均增大，不同水泥摻量的凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均小于相同摻量的未凍融水泥土;不同齡期的凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均小于同齡期的未凍融水泥土強(qiáng)度;隨著齡期的增加，凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大;隨著含水率的增加，凍融水泥土及未凍融水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均逐漸減小，且凍融水泥土強(qiáng)度減小的幅度更大;隨著干密度增加，凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度總體上呈上升趨勢(shì)，但是增長(zhǎng)幅度小于未凍融水泥土。

(2)水泥土凍融前后應(yīng)力應(yīng)變曲線形式相似，均呈應(yīng)變軟化型，試樣呈脆性破壞形式，但水泥土經(jīng)過凍融循環(huán)后，其峰值強(qiáng)度明顯降低，初始切線模量減小，破壞后的殘余強(qiáng)度也減小。

(3)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小，前期的凍融循環(huán)對(duì)水泥土強(qiáng)度損失有更大的影響。

［1］胡 ?。軜?gòu)隧道端頭垂直凍結(jié)加固不同凍結(jié)管直徑的溫度場(chǎng)數(shù)值分析［J］．鐵道建筑，2014(9):57-60．

［2］胡 俊，楊 平．大直徑杯型凍土壁溫度場(chǎng)數(shù)值分析［J］．巖土力學(xué)，2015，36(2):523-531．

［3］王效賓，楊 平．基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的凍土融沉系數(shù)預(yù)測(cè)方法研究［J］．森林工程，2008，24(5):18-21．

［4］胡 俊，張皖湘，曾暉．盾構(gòu)隧道端頭杯型凍結(jié)壁加固溫度場(chǎng)數(shù)值分析［J］．路基工程，2015(4):20-22．

［5］胡 俊，張智博，巢 達(dá)，等．不同工況下盾構(gòu)始發(fā)掘進(jìn)的數(shù)值分析［J］．鐵道建筑，2013(6):57-60．

［6］譚麗華．水泥改良土凍脹融沉特性研究［D］．上海:同濟(jì)大學(xué)，2008．

［7］胡 ?。咚畨荷靶酝翆拥罔F大直徑盾構(gòu)始發(fā)端頭加固方式研究［D］．南京:南京林業(yè)大學(xué)，2012．

［8］胡 俊，張皖湘．盾尾刷更換時(shí)凍土帷幕強(qiáng)度數(shù)值分析［J］．低溫建筑技術(shù)，2015(6):123-125．

［9］胡 俊．水泥改良前后土體凍結(jié)溫度及力學(xué)特性試驗(yàn)研究［J］．鐵道建筑，2013，18(4):156-159．

［10］胡 俊，楊 平，董朝文，等．盾構(gòu)始發(fā)端頭化學(xué)加固范圍及加固工藝研究［J］．鐵道建筑，2010，15(2):47-51．

［11］土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［2007版］(GB/T 50123-1999)．北京:中國計(jì)劃出版社，2000．