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)

0 引言

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.

1 試驗(yàn)材料

1.1 濱海軟土

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.

1.2 水泥

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

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)方案

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.

2.2 試樣制作

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).

2.3 設(shè)備與加載

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.

3 固結(jié)壓縮特性分析

3.1 濱海水泥土變形量分析

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

3.2 濱海水泥土孔隙比變化分析

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.

3.3 濱海水泥土壓縮系數(shù)分析

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).

3.4 濱海水泥土回彈量分析

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.

4 微觀分析

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.

5 結(jié)論

(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.