陶 攀

(黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程學(xué)院，開封 475004)

0 引 言

我國長江三角洲流域和沿海地區(qū)有大量淤泥質(zhì)土體[1]。這種土體主要由碎屑礦物和黏土礦物組成，具有孔隙度高，壓縮性強(qiáng)，強(qiáng)度低等工程特性。淤泥土具有較強(qiáng)的壓縮性和明顯的裂隙性與節(jié)理發(fā)育特性，且易受賦存條件變化的擾動所影響[2]。在環(huán)境與荷載影響下，淤泥土內(nèi)部易受到結(jié)構(gòu)性擾動，引起地基土的附加變形，從而使得上層建筑的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重影響[3]。在天然的狀態(tài)下，相關(guān)地區(qū)的淤泥土有一定的承載能力，但受到凍融、干濕循環(huán)等作用的影響后，力學(xué)性能會大幅下降[4]。

為了改善普通淤泥土的力學(xué)性能，工程中常采用水泥攪拌加固法進(jìn)行改性。經(jīng)過水泥攪拌加固法處理后，形成的水泥固化土是由土顆粒、水泥顆粒及其它外加劑按一定比例混合、攪拌并養(yǎng)護(hù)形成的穩(wěn)定復(fù)合材料，其力學(xué)性能明顯提高[5]。由于季節(jié)性氣候的更替，天然狀態(tài)下的土體水分賦存狀態(tài)有明顯變化，降雨入滲-蒸發(fā)作用與水分凍結(jié)-融解作用均會對土體工程性能產(chǎn)生影響。當(dāng)前，已有許多學(xué)者對水泥固化土的力學(xué)特性和細(xì)微觀結(jié)構(gòu)受環(huán)境效應(yīng)的影響進(jìn)行了研究，積累了較為全面的試驗(yàn)資料，例如：李芳菲等[8]通過對經(jīng)歷反復(fù)干濕循環(huán)作用的水泥固化淤泥試樣開展力學(xué)測試，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)次數(shù)、水泥摻量對抗剪強(qiáng)度指標(biāo)存在明顯的影響。陳四利等[9]基于三軸壓縮試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)作用對水泥固化土的影響，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用大幅降低了水泥固化土的強(qiáng)度與變形模量。汪洪星等[10]對水泥改性淤泥土開展了電鏡掃描和壓汞分析等細(xì)觀測試，分析了干濕循環(huán)對土體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的侵蝕特征。Yan等[11]對經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用的水泥固化土開展CT掃描實(shí)驗(yàn)，定量分析了孔隙的演化規(guī)律，并探討了試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變異機(jī)理。然而，當(dāng)前的研究主要關(guān)注一種環(huán)境效應(yīng)，就干濕和凍融兩種條件影響下的水泥固化土強(qiáng)度變化規(guī)律及機(jī)理的認(rèn)識還有所欠缺。

以水泥固化淤泥土為研究對象，利用三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)與CT掃描試驗(yàn)對試樣的強(qiáng)度特性與裂隙特點(diǎn)進(jìn)行了分析，并從宏-微觀的角度評價了水泥土受干濕-凍融循環(huán)影響的規(guī)律，為深入認(rèn)識水泥固化土工程性能提供了參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

圖1 淤泥土的顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of silty mud soil

1.1.1 淤泥土試樣

本文所用的淤泥土取樣地區(qū)為上海浦東地區(qū)某濱海地層，采用鉆孔取芯法沿深度取樣。該淤泥土樣品取樣深度為地下4～5 m，顏色呈灰褐色。對土樣開展基本物理學(xué)性能測試，結(jié)果如表1所示。由表1可知,土體的天然含水率較高，滲透系數(shù)為2.05×10-6cm/s，同時具有高液限和高孔隙比的特點(diǎn)。根據(jù)XRD衍射試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)礦物成分包括高嶺石(35.1%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、伊利石(15.4%)、蒙脫石(21.2%)、石英(27.1%)和綠泥石(2.2%)。對淤泥土采用篩分法和比重瓶法開展土顆粒粒徑分布分析，得到的土體顆粒級配曲線如圖1所示，結(jié)果表明采用比重瓶法進(jìn)行測試時，在溶液中加入分散劑可以使團(tuán)聚狀的黏土顆粒分散，從而提高顆粒粒徑分布測量的準(zhǔn)確度。

表1 淤泥土的基本物理力學(xué)性質(zhì)Table 1 Basic physical and mechanical properties of mud soil

1.1.2 水泥

采用普通硅酸鹽水泥對淤泥土進(jìn)行改性處理，該水泥來自蕪湖市海螺水泥集團(tuán)有限公司，細(xì)度模數(shù)為2.28，比表面積為2 975 cm2/g，終凝時間為4.2 h，經(jīng)過28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的試件立方體抗壓強(qiáng)度為48.5 MPa。

1.2 試樣制備

采用分層擊實(shí)的方法進(jìn)行試樣的制備，得到的水泥固化淤泥土樣品尺寸為直徑38 mm，高度80 mm。按照天然含水率進(jìn)行水泥固化淤泥土的配制，改性土硅酸鹽水泥的摻量為5%。制備水泥固化淤泥土試樣后，對普通淤泥土和水泥固化淤泥土進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示，可以看出普通淤泥土內(nèi)部的黏土顆粒呈扁平片狀結(jié)構(gòu)，石英顆粒呈塊狀，土顆粒間孔隙多且大。采用水泥對淤泥土進(jìn)行固化改性后，土顆粒間形成具有凝膠性的膠結(jié)物質(zhì)，孔隙充填膠結(jié)程度提高，顆粒的膠結(jié)緊密程度增加。

圖2 水泥改性前后淤泥土的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM images of mud soil with and without cement modification

1.3 干濕-凍融循環(huán)試驗(yàn)

對制備的水泥固化淤泥土試樣進(jìn)行反復(fù)干濕-凍融循環(huán)試驗(yàn)，該試驗(yàn)經(jīng)過飽和-干燥和凍結(jié)-融解4個步驟。首先，將試樣放入不銹鋼制飽和器內(nèi)，采用抽氣飽和法在室溫(25 ℃)條件下對土樣進(jìn)行飽和，飽和時間為12 h；再將飽和試樣取出放在室溫條件下自然風(fēng)干，風(fēng)干時間為24 h；然后，將風(fēng)干土樣放入低溫冷凍箱中，在-20 ℃的環(huán)境中凍結(jié)48 h；最后，將冷凍試樣放入干燥箱中，并在溫度30 ℃，相對濕度60%左右的環(huán)境中靜置48 h，使土樣完全融解。

1.4 力學(xué)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)測試方法

1.4.1 三軸剪切試驗(yàn)

利用土工三軸剪切儀對水泥固化淤泥土試樣開展三軸固結(jié)不排水剪切測試，圍壓設(shè)置為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，軸向變形的加載速率設(shè)置為0.02 mm/min，初始的軸向應(yīng)變?yōu)?%,持續(xù)剪切直至試樣軸向應(yīng)變約為18%。變形中的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由計算機(jī)系統(tǒng)記錄，強(qiáng)度參數(shù)按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)中的規(guī)定來確定。

1.4.2 CT掃描

為了探討干濕-凍融循環(huán)作用引起的水泥固化淤泥土裂隙演化的規(guī)律，對不同循環(huán)次數(shù)下的土樣開展CT掃描。CT試驗(yàn)采用美國BIR儀器公司生產(chǎn)的ACTIS型微焦點(diǎn)X射線工業(yè)CT掃描儀，獲取的CT圖像分辨率為約60 μm左右。對CT圖像進(jìn)行二值化顯示處理，通過統(tǒng)計裂隙像素點(diǎn)數(shù)量而提取出裂隙的面積指標(biāo)，計算土體的裂隙率。

2 結(jié)果與討論

2.1 水泥固化淤泥土的力學(xué)行為

圖3所示為由三軸剪切試驗(yàn)得到的不同循環(huán)次數(shù)下土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。結(jié)果表明，在三軸荷載作用下，隨著軸向應(yīng)變增加，大多數(shù)曲線的應(yīng)力在達(dá)到峰值后沒有明顯的下降，說明不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下的土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本符合應(yīng)變硬化的特點(diǎn)，可采用軸向應(yīng)變ε=15%作為抗剪強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變值[12]。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥固化淤泥土的剪切強(qiáng)度逐漸衰減，且第一次循環(huán)后的強(qiáng)度下降幅度最大。另外，5～10次循環(huán)之間的強(qiáng)度衰減速度相對較小，即干濕-凍融循環(huán)作用對水泥固化淤泥土的損傷程度在后期逐漸穩(wěn)定。三軸剪切試驗(yàn)的結(jié)果說明水泥固化淤泥土力學(xué)性能受干濕-凍融循環(huán)的影響較為嚴(yán)重。

由摩爾-庫倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則計算了水泥固化淤泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，即黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。對抗剪強(qiáng)度參數(shù)與干濕-凍融循環(huán)次數(shù)進(jìn)行回歸分析，得到的結(jié)果如圖4所示，可以看出水泥固化淤泥土初始黏聚力為50.5 kPa，內(nèi)摩擦角為14.1°，經(jīng)過多次循環(huán)處理后的土體強(qiáng)度參數(shù)漸次下降；10次循環(huán)后的土體黏聚力降為24.7 kPa，降幅達(dá)50.3%，內(nèi)摩擦角降為11.3°，降幅為19.8%。說明干濕-凍融循環(huán)對黏聚力的影響遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角。對水泥固化淤泥土強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后發(fā)現(xiàn)黏聚力與循環(huán)次數(shù)為指數(shù)型函數(shù)關(guān)系，而內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)呈線性關(guān)系，結(jié)果如式(1)和(2)所示。

圖3 不同循環(huán)次數(shù)下土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(τp表示最大剪切應(yīng)力)Fig.3 Stress-strain curves of soil with different cycles (τp is the max shear stress)

圖4 強(qiáng)度參數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relationship between shear strength parameters and times of cycles

(1)

φ=14.26-0.264n

(2)

式中:c代表黏聚力,KPa；φ代表內(nèi)摩擦角,(°)；n代表凍融循環(huán)的次數(shù)。

2.2 水泥固化淤泥土的裂隙特征

對經(jīng)過0次、1次、2次、5次和10次干濕-凍融循環(huán)后的水泥固化淤泥土試樣進(jìn)行工業(yè)CT掃描測試，原始CT掃描圖像如圖5所示，該圖像對裂隙的識別程度不高，需要進(jìn)一步處理。利Image J軟件將原始的CT圖像進(jìn)行二值化處理，同時提取出裂隙形態(tài)特征，結(jié)果如圖6所示。

圖5 不同循環(huán)次數(shù)下試樣的裂隙特征Fig.5 Fracture characteristics of samples with different cycles

不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下的二值化圖像顯示，干濕-凍融循環(huán)作用對水泥固化淤泥土的裂隙演化有明顯的影響。未經(jīng)干濕-凍融處理的土體內(nèi)部未出現(xiàn)較大裂隙；經(jīng)過1次干濕-凍融循環(huán)后，土體內(nèi)部出現(xiàn)了長度和寬度較小的兩條裂隙； 2次循環(huán)后的新生裂隙數(shù)量和尺寸均有所增加，裂隙連通程度也相應(yīng)提高；在經(jīng)過5次循環(huán)后，裂隙數(shù)量與尺寸繼續(xù)增加，裂隙連通程度大大提高；在5～10次循環(huán)過程中，新生裂隙數(shù)量沒有明顯增加，但裂隙連通性進(jìn)一步提高，裂隙寬度明顯增加。

圖6 不同循環(huán)次數(shù)下的二值化裂隙圖像Fig.6 Binary crack image of samples with different cycles

對二值化圖像中裂隙的像素點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，計算了不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)下水泥固化淤泥土的裂隙面積An。根據(jù)式(3)計算了不同試樣的裂隙率Rn，由裂隙率可以量化土體的結(jié)構(gòu)性損傷程度[13]。

(3)

式中：Rn為裂隙率；Ac,n為裂隙的像素覆蓋面積；An為CT圖像的總像素覆蓋面積。

由式(3)得到的裂隙率Rn和干濕-凍融循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系曲線如圖7所示?？梢钥闯鏊喙袒倌嗤恋牧严堵逝c干濕-凍融循環(huán)次數(shù)之間呈指數(shù)型關(guān)系，表達(dá)式如式(4)所示。裂隙率和循環(huán)次數(shù)擬合曲線與實(shí)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性系數(shù)為0.95，說明采用式(4)可以有效地預(yù)測土體裂隙率Rn的發(fā)展趨勢。

(4)

式中：Rn為水泥固化淤泥土的裂隙率;n為干濕-凍融循環(huán)次數(shù)。

由三軸剪切試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥固化土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)增加而衰減，由CT圖像計算的裂隙率隨循環(huán)次數(shù)增加而升高。為了分析力學(xué)性能與裂隙損傷程度的相關(guān)性，建立裂隙率Rn與抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ)的直角坐標(biāo)系，用線性擬合的方法分析兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)果如圖8所示。裂隙率與強(qiáng)度指標(biāo)之間擬合公式的確定性系數(shù)超過了0.95，說明利用裂隙率可以較為準(zhǔn)確地對強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測[14]。

圖7 裂隙率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between crack ratio and times of cycles

圖8 抗剪強(qiáng)度參數(shù)與裂隙率的關(guān)系Fig.8 Relationship between shear strength parameters and fracture ratio

2.3 水泥固化淤泥土的微觀結(jié)構(gòu)特征

為了研究干濕-凍融循環(huán)對水泥固化淤泥土微觀結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理，對不同干濕-凍融循環(huán)次數(shù)(0次、2次、5次和10次)下的水泥固化淤泥土試樣開展掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)，得到放大500倍的SEM照片，結(jié)果如圖9所示。初始狀態(tài)下的水泥固化淤泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較密實(shí)，裂隙少且小。經(jīng)過干濕-凍融循環(huán)后，水泥固化淤泥土的微觀結(jié)構(gòu)有明顯變化，裂隙開始擴(kuò)大，土顆粒結(jié)構(gòu)逐漸疏松。究其原因，在反復(fù)干濕-凍融循環(huán)作用下，水泥固化淤泥土顆粒間的孔隙水不斷發(fā)生相變?？紫端恼舭l(fā)和凍結(jié)過程使得水泥固化淤泥土內(nèi)部的土顆粒不斷發(fā)生膨脹和收縮作用，水泥基的凝膠膠結(jié)物質(zhì)在水的作用下逐漸溶解，黏土間的密實(shí)度不斷降低，進(jìn)而削弱了土體力學(xué)性能。由于黏聚力主要取決于土顆粒間的黏結(jié)強(qiáng)度，受水泥凝膠結(jié)構(gòu)的影響較大，而內(nèi)摩擦角取決于土顆粒接觸關(guān)系，干濕-凍融循環(huán)作用主要使得水泥膠結(jié)物質(zhì)流失，故黏聚力下降幅度遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角[15]。

圖9 不同循環(huán)次數(shù)試樣的SEM照片F(xiàn)ig.9 SEM images of samples under different cycles

3 結(jié) 論

(1)干濕-凍融循環(huán)作用使得水泥固化淤泥土力學(xué)行為逐漸弱化，黏聚力隨干濕-凍融循環(huán)次數(shù)增加近似保持指數(shù)型衰減趨勢，內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)增加呈線性衰減趨勢。

(2)在干濕-凍融循環(huán)過程中，水泥固化淤泥土的裂隙結(jié)構(gòu)逐漸擴(kuò)大，由CT掃描圖像可以直觀地反映裂隙的發(fā)展規(guī)律，由CT圖像得到的裂隙率與循環(huán)次數(shù)保持指數(shù)型上升關(guān)系。

(3)在干濕-凍融循環(huán)過程中，水泥固化淤泥土的黏聚力、內(nèi)摩擦角指標(biāo)均與裂隙率保持相關(guān)性較好的線性關(guān)系，說明土體的強(qiáng)度指標(biāo)衰減與結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)保持較好的關(guān)聯(lián)性。

(4)干濕-凍融循環(huán)使得水泥固化淤泥土內(nèi)部的水泥基膠結(jié)物逐漸流失，土顆粒間的密實(shí)度下降，這是水泥土裂隙擴(kuò)張和力學(xué)性能損傷的本質(zhì)原因。