朱倩瑩 錢 彪 李 娜 安棟梁 田 旭
(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.同創(chuàng)工程設(shè)計(jì)有限公司,浙江 紹興 312000)
濱海軟土是指在較弱海浪暗流及潮汐的水動(dòng)力作用下,逐漸沉積而形成的淤泥,廣泛分布于我國(guó)的沿海、湖泊地區(qū)[1-3].由于濱海軟土本身存在含水率高、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性較大等特點(diǎn),無法直接將其作為天然地基,因此在實(shí)際工程中一般需要加固處理[4-5].
目前比較常見的加固方法是在軟土中加入水泥,以此來增強(qiáng)軟土力學(xué)性能.軟土、水泥以及水的混合物被稱為水泥土.學(xué)者們對(duì)水泥土在力學(xué)強(qiáng)度方面已經(jīng)有較多研究和成果.梁仁旺[6]在中摻入不同摻量的水泥,并繪制水泥土材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,為進(jìn)一步分析水泥土材料奠定了基礎(chǔ).陳達(dá)[7]等通過室內(nèi)配比試驗(yàn)和力學(xué)加載試驗(yàn),得到了90 d齡期下的5種不同固化劑的水泥土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,并建立了水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期間的關(guān)系式.王軍[8]對(duì)水泥土進(jìn)行不排水三軸壓縮試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)水泥土體的強(qiáng)度與剛度均隨著圍壓與水泥摻入比的增加而增加,而孔壓隨之減少.肖桃李[9]通過控制水灰比不變,研究不同水泥摻量和不同齡期等條件下水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律,發(fā)現(xiàn)水泥土的強(qiáng)度增長(zhǎng)幅度最大的水泥摻量.潘有林[10]進(jìn)行了混合水泥土室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),找到了水泥土抗壓強(qiáng)度與水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期三者的相關(guān)公式.
學(xué)者們對(duì)水泥土的抗壓強(qiáng)度做了較多研究,但對(duì)濱海水泥土的固結(jié)特性研究還不多.王偉[11]對(duì)納米MgO改性水泥土進(jìn)行室內(nèi)一維固結(jié)壓縮試驗(yàn)研究其改性效果.王新輝[12]對(duì)連云港的水泥土地基進(jìn)行了固結(jié)理論和變形特征的研究,并將研究成果進(jìn)行推廣應(yīng)用.目前對(duì)濱海水泥土固結(jié)特性時(shí)間效應(yīng)的探究還較少,從微觀角度解釋齡期對(duì)濱海水泥土固結(jié)特性的影響的文章更少.故本文將對(duì)濱海水泥土固結(jié)特性的時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行分析,并探究其微觀機(jī)理.
本次試驗(yàn)所用的濱海軟土取自于紹興市上虞區(qū)濱海新城江濱區(qū)域,新城地處杭州灣金南翼,北起錢塘江,西南至曹娥江,東至嘉紹高速公路.該地段的土體靠近江河湖泊,含水率較高,是典型的濱海軟土區(qū)域.對(duì)濱海新城的濱海軟土進(jìn)行SEM電鏡掃描得到濱海軟土表面形態(tài)微觀圖,如圖1所示.可見濱海軟土的表面較稀疏,土粒之間空隙較大,土顆粒之間的空間骨架不明顯.
濱海軟土基本物理指標(biāo)如表1所示,化學(xué)元素成分如表2所示.由表2可見,濱海軟土中最主要的成分為SiO2.SiO2約占所有化學(xué)元素質(zhì)量的54%,Al2O3和MgO約占總質(zhì)量1/3.
試驗(yàn)采用的水泥為蘭亭牌復(fù)合硅酸鹽水泥,強(qiáng)度為P.C32.5.對(duì)水泥進(jìn)行SEM電鏡掃描得到
水泥的表面形態(tài)微觀圖,如圖2所示.可見水泥的表面顆粒間空間較密致,顆粒與顆粒之間連接緊密。
水泥化學(xué)元素成分如表3所示,硅酸鹽水泥主要由硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣以及鐵鋁酸四鈣等礦物組成.經(jīng)檢測(cè),其中CaO約占所有化學(xué)成分質(zhì)量的65%.
表1 濱海軟土基本物理指標(biāo)
土質(zhì)土層埋深/m天然含水率/%容重/g.cm-3孔隙比飽和度/%液限/%塑限/%濱海軟土1-35671.631.7498%4024
表2 濱海軟土化學(xué)成分
化學(xué)成分SiO2Al2O3MgOTiO2K2OFe2O3MnOCaOZnOω(%)54.0517.3415.782.072.360.851.054.432.03
表3 水泥化學(xué)成分
化學(xué)成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3ω(%)21.685.644.2264.892.51
所有試樣都以濱海軟土為基本土樣,目標(biāo)含水率均擬定為80%,水泥摻量均為干土質(zhì)量的20%.試樣的測(cè)試齡期分別為7 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、28 d.
一個(gè)測(cè)試齡期為一組試驗(yàn),由于試驗(yàn)具有偶然性以及數(shù)據(jù)具有離散性,每組試驗(yàn)做5個(gè)試樣,即每組重復(fù)測(cè)試5次數(shù)據(jù).共有7種不同的測(cè)試齡期,故有7種試樣代號(hào).試樣代號(hào)所代表的齡期如表4所示,表格中CCS-X的含義如下:其中CCS為濱海水泥土(Coastal cement soil),X為測(cè)試齡期.
將取來的濱海軟土用水浸泡數(shù)日后過篩,所用篩的孔徑為1 mm.除去淤泥中的粉碎大顆粒以及貝殼等雜質(zhì),攪勻后靜置兩周.兩周后過篩的軟土含水率較穩(wěn)定,取適量軟土,測(cè)得其實(shí)際含水率.
按照設(shè)計(jì)好的試驗(yàn)方案計(jì)算配比,稱取相應(yīng)的濱海軟土、水泥以及水,攪拌均勻,隨后倒入直徑61.8 mm,高度20 mm的環(huán)刀中.將試樣在圓形環(huán)刀中振實(shí),并將其表面抹平,固結(jié)試樣如圖3所示.制樣完成之后將所有的固結(jié)試樣放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)相應(yīng)的天數(shù).
圖4為本試驗(yàn)采用的全自動(dòng)氣壓固結(jié)儀,型號(hào)為L(zhǎng)H-STC-1F.本次固結(jié)試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]的試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行,在進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)時(shí)的加載荷壓分別為12.5 kPa,25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa,400 kPa,800 kPa,400 kPa,200 kPa,100 kPa,50 kPa,25 kPa,12.5 kPa,每級(jí)荷載加壓持續(xù)1 h.從12.5 kPa加壓至800 kPa后卸壓,每級(jí)卸壓為1 h,卸壓至12.5 kPa.從試驗(yàn)開始到試驗(yàn)結(jié)束,總共需12 h.考慮到實(shí)際工程狀況,加載荷壓加至800 kPa即可.試樣壓縮前后對(duì)比圖如圖5所示.
將不同養(yǎng)護(hù)齡期下的濱海水泥土進(jìn)行固結(jié)壓縮后,繪制其變形量與加載壓力的曲線圖,如圖6所示.
圖6所示為不同齡期下濱海水泥土壓縮變形量曲線圖,養(yǎng)護(hù)7 d的濱海水泥土隨著豎向壓力的增大, 在800 kPa的豎向壓力下, 其最大壓縮量可達(dá)到4.31 mm,變形率為21.6%.而經(jīng)過28 d的養(yǎng)護(hù)后,同級(jí)壓力下沉降量都有大幅度下降,在800 kPa的豎向壓力下,其最大壓縮量?jī)H為3.25 mm,變形率為16.3%.28 d齡期的濱海水泥土較7 d齡期下的最大壓縮量下降了1.06 mm,最大變形率下降了5.3%.
表4 試樣代號(hào)所對(duì)應(yīng)的摻量及齡期
測(cè)試齡期(d)781012141628試樣代號(hào)CCS-7CCS-8CCS-10CCS-12CCS-14CCS-16CCS-28
參考土力學(xué)中測(cè)土粒比重的方法,本次試驗(yàn)中測(cè)得濱海水泥土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的顆粒比重ds以及試樣密度ρ.根據(jù)公式(1),求得濱海水泥土試樣的初始孔隙比,如表5所示.
(1)
公式(1)中,ds為試樣的顆粒比重,ω為試樣含水率,ρ為試樣密度,ρω為水的密度.
對(duì)7 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、28 d養(yǎng)護(hù)齡期下的濱海水泥土進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)過后,根據(jù)公式(2)得到不同壓力下孔隙比.
表5 試樣代號(hào)所對(duì)應(yīng)初始孔隙比
代號(hào)測(cè)試齡期(d)顆粒比重初始孔隙比CCS-772.672.12CCS-882.632.09CCS-10102.562.00CCS-12122.541.98CCS-14142.531.97CCS-16162.511.94CCS-28282.471.90
(2)
公式(2)中,e0為試樣初始孔隙比,△h為試樣壓縮量,h0為試樣初始高度,ei為試樣在不同壓力下的孔隙比.圖7-圖8為不同齡期下濱海水泥土e-p以及e-lgp曲線圖.濱海水泥土隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),其初始孔隙比減小.加壓后,試樣的初始孔隙比與最終壓力下的孔隙比的變化量也隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而逐漸減小,在800 kPa時(shí),養(yǎng)護(hù)7 d的濱海水泥土在固結(jié)壓縮后其孔隙比減小值為0.67,養(yǎng)護(hù)28 d的濱海水泥土孔隙比減小值為0.50.
為了進(jìn)一步探究不同齡期下濱海水泥土試樣的壓縮性,根據(jù)公式(3)求得壓縮系數(shù).
(3)
公式(3)中,α為試樣壓縮系數(shù),e1為試樣在p1壓力下的孔隙比,e2為試樣在p2壓力下的孔隙比,p2為p1后一級(jí)的壓力.
圖9所示的是不同養(yǎng)護(hù)齡期下濱海水泥土的壓縮系數(shù),起初加壓時(shí),所有的試樣的壓縮系數(shù)變化較大,在豎向壓力加載至400 kPa后,濱海水泥土的壓縮系數(shù)開始慢慢下降并趨向于穩(wěn)定值0.63MPa-1附近,其壓縮系數(shù)越小,其孔隙比變化越緩慢,因而土的固結(jié)趨向于穩(wěn)定.借鑒土力學(xué)中對(duì)土體壓縮系數(shù)的分析[14],在壓力段P1(100 kPa)至P2(200 kPa)時(shí)的壓縮系數(shù)α1-2來看,7 d齡期下的濱海水泥土壓縮系數(shù)較高,屬于高壓縮性水泥土.14 d以及28 d齡期下的濱海水泥土的壓縮系數(shù)下降至0.1MPa-1到0.5MPa-1之間,屬于中壓縮性水泥土.在同級(jí)壓力下,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),其壓縮系數(shù)明顯減小.養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)使得濱海水泥土壓縮速度減緩,抗壓縮能力增強(qiáng).
圖10為不同齡期下濱海水泥土卸壓回彈量.當(dāng)荷載從800 kpa開始卸載壓力時(shí),試樣開始有略微反彈.且隨著濱海水泥土養(yǎng)護(hù)齡期的增加,其反彈能力減弱.養(yǎng)護(hù)7 d時(shí),土樣卸載時(shí)回彈量為0.71 mm,養(yǎng)護(hù)28 d后,土樣卸載回彈量為0.32 mm,約為養(yǎng)護(hù)7 d齡期下的1/2.
綜上規(guī)律可見,當(dāng)壓力從12.5 kPa增加至800 kPa時(shí),水泥土試樣有最大的壓縮量,養(yǎng)護(hù)齡期越久,水泥與水的水化物和軟土顆粒之間的反應(yīng)越來越充分,濱海水泥土的抗變形能力也逐漸增強(qiáng),最大壓縮量越小.壓力從800 kPa卸載至12.5 kPa時(shí),水泥土的反彈能力隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而減弱,養(yǎng)護(hù)齡期越久的水泥土越穩(wěn)定.
為了進(jìn)一步研究養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)濱海水泥土的抗壓縮效果的影響,有必要從微觀角度來分析[15-18].將微觀上的顆粒形狀以及骨架結(jié)構(gòu)反饋至宏觀力學(xué)上,結(jié)合宏觀和微觀分析,使得研究成果更具有說服力[19-21].
不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥土的微觀SEM電鏡圖見圖11,養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí),已經(jīng)有較多微小的纖維狀的針狀結(jié)晶體.養(yǎng)護(hù)齡期為14 d時(shí),結(jié)晶體變大變粗.當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期到達(dá)28 d時(shí),則出現(xiàn)了較大的結(jié)構(gòu)單元體,試樣中的結(jié)構(gòu)類型大部分有團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu).隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)而產(chǎn)生的這些團(tuán)聚狀結(jié)構(gòu),使得顆粒之間形成了較大的堅(jiān)實(shí)的骨架,因而提高了濱海水泥土的抗壓縮變形能力.
(1)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),軟土與水泥反應(yīng)充分,試樣穩(wěn)定.水泥土的抗壓縮性能隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增強(qiáng).在最大荷載800 kPa下,28 d齡期下的濱海水泥土的變形壓縮量較7 d齡期下減少了1.06 mm,孔隙比變化絕對(duì)值從0.67下降至0.5,變形率從21.6%下降至16.3%.
(2)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),濱海水泥土在卸載壓力時(shí)回彈能力減弱.7 d養(yǎng)護(hù)齡期的水泥土的回彈量為0.71 mm,28 d養(yǎng)護(hù)齡期的水泥土的回彈量為0.32 mm.
(3)養(yǎng)護(hù)初期,水泥土試樣中有較微小的纖維狀針體結(jié)晶,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),試樣內(nèi)部反應(yīng)也趨向于平穩(wěn).28 d齡期后,水泥土試樣內(nèi)的細(xì)小纖維狀晶體變成了較大的結(jié)晶物,均勻地分布在土體之中,形成骨架.可見隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),土顆粒之間有較大的骨架形成,也解釋了水泥土的抗壓縮性能隨著齡期的增長(zhǎng)而增強(qiáng)的原因.
需要說明的是,本文僅從固結(jié)壓縮試驗(yàn)和SEM測(cè)試兩方面討論了濱海水泥土固結(jié)特性的時(shí)間效應(yīng),對(duì)于微觀機(jī)理與宏觀力學(xué)之間的關(guān)系有待進(jìn)一步深入研究.