馬芹永，錢葉宇

(1. 安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

水泥改性土和人工凍結(jié)法在地鐵、綜合管廊等地下工程施工中應用廣泛[1-3]。綜合考慮安全、成本、工期等因素后，許多工程或單獨或聯(lián)合運用兩種方法。

在水泥改性和凍結(jié)法施工設計中，水泥摻量和相應的無側(cè)限抗壓強度是重要的參數(shù)，是實現(xiàn)施工安全性和經(jīng)濟性相統(tǒng)一的重要指標。

部分聯(lián)合采用兩種方法的工程實例如下。文獻[4]在凍結(jié)法施工中，采用融沉注漿技術(shù)，有效地控制了解凍后地表沉降。文獻[5]在無錫地鐵盾構(gòu)接受處采用了水平凍結(jié)+管棚注漿的方式，保證了施工的安全。文獻[6]在某聯(lián)絡通道凍結(jié)施工前，對地層進行預注漿加固處理，取得了良好的效果。文獻[7]進行了砂層注漿漿液擴散模式的研究，優(yōu)化了注漿工藝。文獻[8]用水泥土樁未能阻涌水涌砂，采用液氮快速凍結(jié)加固地層，阻止了問題進一步發(fā)展。

上述實例表明，水泥加固和凍結(jié)法加固兩種方法，難以獨立承擔復雜地層條件下的施工任務。與其在隱患甚至事故發(fā)生時采用補救措施，不如在施工前進行全面設計，兩種方法聯(lián)合運用，僅按止水要求設計凍結(jié)溫度和凍結(jié)壁厚度，而綜合考慮水泥加固和凍結(jié)條件下的地層承載力，從而相對節(jié)約成本，提前消除重大安全隱患。

文獻[9]通過實驗得出，水泥固化土的抗壓強度主要取決于水泥摻量，其次是原料土的含水率。文獻[10-11]研究了含水率、空隙率和水泥摻量對水泥改性粉土強度的影響。文獻[12]研究了碳化作用對水泥改性石英砂強度特性的影響。文獻[13]探究了含煤偏高嶺土對水泥改性粉土抗壓強度和滲透性的影響及機理。文獻[14]從微觀和化學反應的角度研究了不同養(yǎng)護條件下水泥改性土的強度增長機理。文獻[15]進行了水泥土無側(cè)限抗壓強度表征參數(shù)的研究。文獻[16]進行了膨脹土水泥改性試驗，研究了水泥改性對抑制膨脹土強度軟化、模量減小的效果。文獻[17]從微觀角度，研究了水泥對膨脹土的改性機理。文獻[18]研究了不同凍結(jié)溫度下黏土和砂土的單軸抗拉，抗壓強度，并得到了相應的壓拉比。文獻[19]研究了飽和軟黏土在溫度、應變速率、含水率和干密度等影響因素下單軸抗壓強度的變化規(guī)律。文獻[20-21]探究了凍土單軸抗壓強度與含鹽量、含水率、負溫的關(guān)系。文獻[22]對含硫酸鈉渠基土進行了不同含鹽量和干密度下的強度特性研究。文獻[23]研究了高溫高含冰量凍結(jié)黏土的單軸抗壓強度特性。

目前對不同土質(zhì)的凍土無側(cè)限抗壓強度研究較多，而對凍結(jié)水泥土的強度性質(zhì)研究較少。文獻[24]通過水泥改性上海灰黃色粉砂，得到了針對該土體凍脹率和融沉率隨水泥摻量的變化規(guī)律，證明了水泥改性對土體凍脹有明顯的抑制作用，找到了水泥摻量的門檻值和最佳值。文獻[25-26]通過凍結(jié)水泥土的系列試驗，得到了凍結(jié)水泥改性砂土和黏土的無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量、齡期和溫度的變化規(guī)律及其凍脹特性。對凍結(jié)水泥土的力學特性，有必要針對不同地區(qū)不同性質(zhì)的土進行大量的相關(guān)試驗，增加已得結(jié)論的可靠性。

本文對所研究的弱膨脹土，進行不同水泥摻量以及凍結(jié)和室溫下的無側(cè)限抗壓強度試驗，以找到最佳水泥摻量，驗證并評估水泥改性和凍結(jié)兩種方法對該土體的加固效果。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗用土為合肥某地鐵建設工程的弱膨脹土，該土的基本性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 土體基本參數(shù)

采用重塑土進行試驗，先將土在溫度設定為105℃的鼓風烘箱中烘至恒重，再用橡皮錘將干土碾碎，根據(jù)土工試驗規(guī)程，過2mm篩，每次取土進行試驗前將土在塑料袋中攪拌均勻，以確保每一批次所用的土顆粒級配接近。為了使試驗更接近于實際情況，采用天然含水率20%作為試驗含水率。

水泥采用P.O.42.5水泥，水泥摻量依次為0%、5%、8%、10%、12%、15%、18%和20%，水膠比取0.5。

在干土中按天然含水率20%加水；將濕土放入密封袋中靜置24h，以確保水分在土中分散均勻；按照所設定的水泥摻量，先將水泥均勻拌入土中，再加入根據(jù)水膠比計算所需的水量；最后，采用分層擊實法，制作φ50mm×100mm的標準圓柱體試塊，脫模后，將試塊裝入密封袋中密封，室溫下養(yǎng)護28d。

1.2 試驗方法

在進行水泥土凍結(jié)條件下的試驗時，先將養(yǎng)護好的試塊在-10℃低溫箱中凍結(jié)24h；提前半小時將單軸壓力機打開并調(diào)節(jié)到設定溫度，使壓力機內(nèi)的溫度均衡；再迅速將試塊放入低溫壓力機中，再恒溫20min，以降低取放試塊時溫度變化所導致的的誤差。

試驗采用應變控制法進行，設定的變形速率為1%/min。開始試驗前預壓至0.02kN。試驗自動結(jié)束條件為：應力達到峰值后降低20%或者應變達到20%。該試驗機每0.01s自動采集一次試驗力、應力、軸向變形和軸向應變數(shù)據(jù)，并實時顯示應力-軸向應變曲線。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度分析

8℃和-10℃條件下不同水泥摻量(0%、5%、8%、10%、12%、15%、18%和20%)的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 水泥土強度隨水泥摻量變化關(guān)系

由圖1可以看出，水泥摻量相同條件下，試塊強度在凍結(jié)時明顯高于8℃。這充分體現(xiàn)了在軟弱地層中應用凍結(jié)法時，其對地層承載力顯著的提高作用。

-10℃凍結(jié)條件下，水泥摻量增大，試塊強度隨之增長。 但水泥摻量到12%之后， 強度增長速度逐漸減緩，摻量到15%之后，強度增長顯著減緩。

在8℃下，試塊強度在水泥摻量到15%之后出現(xiàn)下降。摻量為18%和20%時，相對于15%摻量，其強度分別下降24.7%和17.8%。

為了便于定量化分析水泥摻量對無側(cè)限抗壓強度的影響，定義水泥摻入效率η，其物理意義為單位水泥摻量對水泥土無側(cè)限抗壓強度影響的量化指標。計算公式為

式中：ci為水泥摻量；σci為水泥摻量ci水泥土的無側(cè)限抗壓強度；σ0為不摻水泥時的無側(cè)限抗壓強度。

根據(jù)試驗結(jié)果，分別計算不同摻入?yún)^(qū)間的水泥摻入效率η，結(jié)果如表2所示。

表2 不同摻入?yún)^(qū)間的水泥摻入效率η

根據(jù)水泥摻入效率η的計算結(jié)果，可以直觀地看到在各摻入?yún)^(qū)間，水泥摻量對改良土無側(cè)限抗壓強度的提高作用不同，-10℃凍結(jié)時，在12%～15%這個摻入?yún)^(qū)間， 雖然其η=7.4%比前一段η=15.0%要小，但仍能提供較大的強度增長。但是在摻量超過15%的區(qū)間，其η≤3%，可認為水泥摻量增加不再引起改良土強度增長，這與前面定性分析的結(jié)果一致。

因此，從強度增長的角度，基于該試驗結(jié)果，對所研究的合肥弱膨脹土，其水泥的最佳摻量為15%，合適摻入?yún)^(qū)間為12%～15%。

2.2 應力-應變曲線分析

圖2、圖3分別為-10℃和8℃下不同水泥摻量的應力應變曲線，圖3中水泥摻量0%時，其應變達到了試驗終止條件20%，對應終止時的應力為0.23MPa。

圖2 -10℃不同水泥摻量下應力-應變曲線

從圖2可以看出，-10℃凍結(jié)條件下，對不摻水泥的試樣，其應力-應變曲線為應變硬化型，但過了屈服點之后，應力隨應變增長的幅度明顯降低，呈現(xiàn)接近于完全塑性的特征。而摻入水泥的試樣，其應力-應變曲線都為應變軟化型。不同水泥摻量下，峰值應變范圍為7.4%到12.4%，極限應變范圍為9.8%到18.2%，為延性破壞。

在8℃下，如圖3所示，不摻水泥的試樣應力-應變曲線為應變硬化型，直至軸向應變到20%試驗停止。而摻入水泥的試樣延性較低。峰值應變范圍在0.61%到1.5%，極限應變范圍在0.88%到2.2%，呈現(xiàn)出偏脆性破壞的特征。

圖3 8℃不同水泥摻量下應力-應變曲線

對峰值應變結(jié)果進行量化分析，圖4為8℃和-10℃條件下8種不同水泥摻量的峰值應變變化曲線。

圖4 水泥土峰值應變隨水泥摻量變化關(guān)系

在-10℃條件下，摻入水泥后，隨著水泥摻量的增大，對應的峰值應變呈現(xiàn)出先減小，再緩慢增長的規(guī)律，摻量為12%時峰值應變?yōu)?.9%，較8℃下的最大峰值應變提高了350%。

從以上可以看出，對所研究的土樣，水泥改性之后其應力-應變曲線特征由應變硬化變?yōu)閼冘浕?，無側(cè)限抗壓強度有明顯的提高。凍結(jié)時的峰值應變和極限應變比8℃下有顯著提高，表明凍結(jié)能提高改性土的延性。證明了兩種方法聯(lián)合使用具有效果的疊加作用。

2.3 破壞形態(tài)分析

圖5為8℃未摻水泥(a)和摻入水泥(b)的試塊破壞形態(tài)，可以看出，摻入水泥的試塊，其破壞模式中有明顯的豎向裂縫，這就說明在軸向應變較小時(2%左右)，試樣組成部分之間裂開失去整體結(jié)構(gòu)性而承載能力迅速下降。因此在設定條件下無法承受更大的應力和應變。在不摻水泥時，如圖5(a)所示，試塊依靠土顆粒間相對較大的粘聚力和較好的協(xié)調(diào)變形能力，不容易被壓散，能承受較大的軸向應變，試塊呈現(xiàn)出中間臌脹形的破壞。

圖6為-10℃條件下水泥摻量0%(a)和水泥摻量12%(b)的試塊破壞形態(tài)，從圖6(a)可以看出，軸向應變達到20%時試塊并沒有出現(xiàn)明顯的臌脹現(xiàn)象，而是僅僅表現(xiàn)為被擠密壓縮。從圖6(b)可以看到，凍結(jié)水泥土能承受較大的應變，呈現(xiàn)中間臌脹形破壞形態(tài)，沒有出現(xiàn)8℃下水泥土在應變較小時就被壓散的情況。這說明凍結(jié)時的冰膠結(jié)作用能極大地提高土體的內(nèi)聚力，保證土體不會被輕易因壓散而失去承載能力。

(a)水泥摻量0% (b)水泥摻量8%圖5 8℃下試塊破壞形態(tài)

(a)水泥摻量0% (b)水泥摻量12%圖6-10℃下條件試塊破壞形態(tài)

3 結(jié)論

(1)在所研究的水泥摻入范圍內(nèi)，摻入水泥能明顯提高該弱膨脹土的強度。-10℃凍結(jié)條件下，無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量的增大而增大，最佳摻量為15%，此時相對于不摻水泥時的強度提高146%，合適摻入?yún)^(qū)間為12%～15%；8℃下無側(cè)限抗壓強度在摻量為15%時達到峰值，強度由0.23MPa提高到3.48MPa。

(2)凍結(jié)對試樣強度有明顯的提高作用。不摻水泥時，由凍結(jié)因素所增益的平均強度增長率為1 191.3%，水泥土由凍結(jié)因素所增益的平均強度增長率最低為110.1%。

(3)在各摻入水平，-10℃凍結(jié)時的峰值應變明顯高于8℃，-10℃凍結(jié)條件下下水泥土的峰值應變最小為6.9%，而8℃下水泥土的峰值應最大為1.45%；在對應摻量下，由凍結(jié)因素所增益的平均峰值應變增長率最低為457.6%，證明了凍結(jié)能顯著提高水泥土的延性。