孫 韜

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑建造學(xué)院，江蘇 徐州 221116； 2. 江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221116)

1 研究背景

淤泥質(zhì)軟土是我國(guó)長(zhǎng)江三角洲河漫灘地區(qū)分布最廣泛的沉積物，具有可壓縮性強(qiáng)、強(qiáng)度低、液限值高、孔隙比大、易擾動(dòng)等特點(diǎn)[1]。河漫灘地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境較復(fù)雜，相關(guān)地區(qū)路基發(fā)生不均勻沉降等工程事故的隱患較大[2]。因此，公路工程中經(jīng)常采用水泥改性的處理方法提升淤泥質(zhì)軟土的工程特性，水泥改性處理方法的突出優(yōu)點(diǎn)是可就地取材，施工方便、價(jià)格低廉且效果明顯[3]。在季節(jié)性凍土地區(qū)，由于受到冷熱交替作用的影響，水泥土頻繁處于凍結(jié)與融解狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中[4]，反復(fù)凍融循環(huán)作用會(huì)導(dǎo)致水泥土力學(xué)性能的進(jìn)一步衰弱，加速相關(guān)工程性能的劣化，從而對(duì)路基工程穩(wěn)定性造成一定安全隱患[5]。因此，開(kāi)展水泥改性的淤泥質(zhì)軟土受反復(fù)凍融循環(huán)影響的研究具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

水泥改性軟土是一種常見(jiàn)的人工改性巖土材料，其內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)較發(fā)育，微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能均受氣候效應(yīng)的顯著影響[6-7]。針對(duì)凍融循環(huán)作用對(duì)水泥土的性能衰變的影響，很多學(xué)者進(jìn)行了大量物理和力學(xué)試驗(yàn)。崔宏環(huán)等[8]通過(guò)對(duì)不同凍融循環(huán)處理后的水泥土開(kāi)展力學(xué)測(cè)試，分析得出凍融循環(huán)次數(shù)與強(qiáng)度指標(biāo)存在明顯的相關(guān)性。陳四利等[9]基于三軸壓縮試驗(yàn)分析了凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)水泥土強(qiáng)度及變形模量的影響規(guī)律。宋愛(ài)蘋等[10]對(duì)水泥改性土和粉煤灰改性土的試樣在凍融循環(huán)效應(yīng)影響下分別開(kāi)展力學(xué)試驗(yàn)研究，得到了不同循環(huán)次數(shù)對(duì)試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)弱化程度，并討論了水泥土力學(xué)性質(zhì)衰減的微觀機(jī)理。Yan等[11]對(duì)凍融循環(huán)作用下的水泥土開(kāi)展CT掃描，對(duì)孔隙演化規(guī)律進(jìn)行定量分析，同時(shí)探討了水泥土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)變化的機(jī)理。當(dāng)前的研究側(cè)重于單方面對(duì)水泥土力學(xué)和微結(jié)構(gòu)特征開(kāi)展分析，而結(jié)合宏-微觀測(cè)試方法的綜合分析還比較罕見(jiàn)。

本文以水泥改性的淤泥質(zhì)軟土為研究對(duì)象，利用三軸剪切試驗(yàn)與CT掃描試驗(yàn)研究了水泥土的力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)損傷特點(diǎn)，根據(jù)SEM圖像結(jié)果揭示了水泥土受凍融循環(huán)影響的內(nèi)在機(jī)理，為深入認(rèn)識(shí)水泥土的工程性能提供了重要的參考。

表1 軟土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical and mechanical properties of silty soft soil

2 試驗(yàn)材料

2.1 試驗(yàn)原材料

2.1.1 淤泥質(zhì)軟土

本文所用的淤泥質(zhì)軟土取樣地區(qū)為長(zhǎng)江三角洲的一處河漫灘，采用鉆孔取芯的方法沿深度鉆取土樣，運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展相關(guān)土性測(cè)試。 本試驗(yàn)采用的淤泥質(zhì)軟土樣品顏色呈灰褐色，土體含有大量粉土和黏土顆粒。根據(jù)XRD衍射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)黃土的礦物成分包括高嶺土(40.1%)、伊利石(18.4%)、蒙脫石(15.1%)、石英(14.2%)、正長(zhǎng)石(8.1%)和綠泥石(5.1%)?；就列灾笜?biāo)如表1所示，該軟土的天然含水率約為28.1%，天然密度為 2.05 g/cm3，滲透系數(shù)約為1.12×10-6cm/s。對(duì)土樣采用篩分法和比重瓶法開(kāi)展土樣顆粒級(jí)配曲線的測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。根據(jù)顆粒級(jí)配曲線，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)淤泥質(zhì)軟土的不均勻系數(shù)Cu約為2.55，曲率系數(shù)Cc約為1.05。根據(jù)界限含水率與孔隙比試驗(yàn)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該軟土試樣呈高液限和高孔隙比的特點(diǎn)。

圖1 軟土的級(jí)配曲線Fig.1 Gradation curves of silty soft soil specimens

2.1.2 硅酸鹽水泥

本研究制備水泥土的凝膠材料采用普通硅酸鹽水泥(OPC)，水泥的細(xì)度模數(shù)為2.34，比表面積為3 025 cm2/g，終凝時(shí)間為4.2 h，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的抗壓強(qiáng)度為48.5 MPa。

2.2 水泥土試樣的制備

采用分層擊實(shí)的方法進(jìn)行水泥土圓柱體試樣的制備，樣品尺寸為直徑38 mm，高度80 mm。按照天然含水率進(jìn)行水泥土的配制，并在重塑土中添加質(zhì)量比例為5%的硅酸鹽水泥已制備水泥土。圖2所示的是土體的掃描電子顯微鏡試驗(yàn)SEM微觀結(jié)構(gòu)圖像。通過(guò)圖2可以看出普通軟土內(nèi)部的黏土顆粒呈扁平片狀結(jié)構(gòu)，尺寸大小不一，平行排列，具有一定的定向性，土顆粒間裂隙較發(fā)育，孔隙多且大。水泥土內(nèi)部顆粒以團(tuán)粒結(jié)構(gòu)為主，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 土體的SEM微觀結(jié)構(gòu)圖像Fig.2 SEM images showing the microstructure of soil

2.3 凍融循環(huán)試驗(yàn)

在試樣制備完成后，對(duì)水泥土試樣進(jìn)行反復(fù)凍融循環(huán)試驗(yàn)，單次凍融試驗(yàn)步驟如下所述。

(1)飽和：將土樣放入不銹鋼制飽和器內(nèi)，采用抽氣飽和法對(duì)土樣在室溫(20 ℃)條件下，進(jìn)行飽和處理。

(2)凍結(jié)：將飽和的水泥土試樣放到低溫冷凍箱中，使試樣在-20 ℃的環(huán)境中凍結(jié)48 h。

(3)融解：將冷凍后的試樣放入干燥箱中，在溫度20 ℃左右的環(huán)境中靜置48 h，使試樣完全融解。

2.4 力學(xué)與細(xì)觀結(jié)構(gòu)測(cè)試方法

2.4.1 三軸剪切試驗(yàn)

利用土工三軸剪切試驗(yàn)儀對(duì)水泥土試樣開(kāi)展力學(xué)測(cè)試，圍壓分別設(shè)置為50、100、150、200 kPa，加載速率控制為0.001 mm/min，在固結(jié)不排水剪切模式下開(kāi)展三軸試驗(yàn)，獲得土體應(yīng)力-應(yīng)變曲線和強(qiáng)度參數(shù)。軸向變形的加載速率設(shè)置為0.02 mm/min，持續(xù)剪切直至試樣的軸向應(yīng)變達(dá)到18%左右。在剪切過(guò)程中，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)記錄。土體的強(qiáng)度參數(shù)按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)確定。

2.4.2 CT掃描

為了探討凍融循環(huán)作用引起的水泥土孔隙演化規(guī)律，對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下的土樣開(kāi)展CT掃描。得到二維CT掃描圖像后對(duì)圖像中的裂隙進(jìn)行二值化顯示，通過(guò)統(tǒng)計(jì)裂隙像素點(diǎn)數(shù)量而提取出裂隙的面積指標(biāo)，從而計(jì)算土體的裂隙率。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 三軸強(qiáng)度指標(biāo)的凍融循環(huán)效應(yīng)

由三軸剪切試驗(yàn)得到了經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)和不同固結(jié)圍壓下的土體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，結(jié)果如圖3所示。在荷載的作用下，不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣均保持弱應(yīng)變硬化的變化特點(diǎn)，可將其應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為：線彈性階段、屈服階段、應(yīng)變硬化階段[12]。對(duì)于應(yīng)變硬化型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，可以采用軸向應(yīng)變?chǔ)?15%作為抗剪強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土試樣的抗剪強(qiáng)度逐漸衰減。其中，0～1次循環(huán)之間的衰減速度最快，說(shuō)明土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度在從0次到1次循環(huán)的過(guò)程中損失最嚴(yán)重。另外，5～10次凍融循環(huán)之間的強(qiáng)度衰減速度相對(duì)較小，說(shuō)明凍融循環(huán)作用對(duì)水泥土結(jié)構(gòu)的損傷效應(yīng)在后期逐漸減弱。從圖3還可以看出，水泥土抗剪強(qiáng)度與固結(jié)圍壓存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，圍壓值越大，相同凍融循環(huán)次數(shù)N下的抗剪強(qiáng)度越大。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下土體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of soil undergone different freeze-thaw cycles

由摩爾-庫(kù)倫強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下的黃土黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。包絡(luò)線的截距為黏聚力c，斜率為內(nèi)摩擦角φ的正切值。經(jīng)過(guò)對(duì)不同固結(jié)圍壓下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行回歸分析，獲取的結(jié)果如圖4所示。

圖4 強(qiáng)度參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.4 Strength parameters against the number of freeze-thaw cycle

從圖4可以看出初始黏聚力為50.5 kPa，內(nèi)摩擦角為24.3°，多次凍融循環(huán)處理后的土體強(qiáng)度指標(biāo)漸次減小。經(jīng)過(guò)10次循環(huán)后，黏聚力降為24.7 kPa，降幅達(dá)50.3%；內(nèi)摩擦角降為21.2°，降幅為14.8%。說(shuō)明凍融循環(huán)對(duì)黏聚力的影響遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角。對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后，發(fā)現(xiàn)黏聚力與循環(huán)次數(shù)保持指數(shù)型函數(shù)關(guān)系，內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)保持線性函數(shù)關(guān)系。擬合曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.98以上，說(shuō)明預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差很小，擬合公式如下所示。

c=25.32e-N/3.135+25.15 ；

(1)

φ=24.26-0.264N。

(2)

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥土的裂隙發(fā)育特征Fig.5 Fracture characteristics of specimens undergone different freezing-thawing cycles

3.2 CT掃描圖像裂隙特征的凍融循環(huán)效應(yīng)

本研究對(duì)經(jīng)過(guò)0、1、2、5、10次凍融循環(huán)后的水泥土進(jìn)行測(cè)試。首先使用工業(yè)CT掃描儀對(duì)經(jīng)歷不同次數(shù)凍融循環(huán)的水泥土試樣進(jìn)行測(cè)試，原始掃描圖像的結(jié)果如圖5所示。得到CT掃描結(jié)果后，利用圖像處理軟件image J將二維圖像進(jìn)行二值化處理，提取出裂隙形態(tài)特征，結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥土的二值化裂隙圖像Fig.6 Binary crack images of specimens undergone different freezing-thawing cycles

從不同凍融循環(huán)次數(shù)下土樣的二值化圖像可以看出:凍融循環(huán)作用對(duì)水泥土的裂隙發(fā)育程度有明顯的影響。未經(jīng)凍融處理的水泥土內(nèi)部沒(méi)有出現(xiàn)明顯的裂隙；經(jīng)過(guò)1次凍融循環(huán)后，水泥土內(nèi)部出現(xiàn)了長(zhǎng)度和寬度較小的2條裂隙；經(jīng)過(guò)2次凍融循環(huán)后，裂隙的長(zhǎng)度和寬度有明顯增大趨勢(shì)，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(guò)5次凍融循環(huán)后，裂隙的數(shù)量與尺寸繼續(xù)增加，裂隙連通程度大大提高；在進(jìn)行5～10次循環(huán)過(guò)程中，新生裂隙數(shù)量沒(méi)有明顯增加，裂隙網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模沒(méi)有明顯擴(kuò)大，但裂隙連通性進(jìn)一步提高，裂隙寬度明顯增加。

對(duì)二值化圖像中二維裂隙的像素點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得了不同凍融循環(huán)次數(shù)下水泥土內(nèi)部裂隙的面積An。然后通過(guò)式(3)計(jì)算水泥土試樣的裂隙率Rn，根據(jù)裂隙率評(píng)價(jià)試樣受凍融循環(huán)影響的結(jié)構(gòu)損傷程度[13]。

(3)

裂隙率Rn和凍融循環(huán)次數(shù)n的關(guān)系曲線如圖7所示，水泥土的裂隙率與凍融循環(huán)次數(shù)之間保持良好的指數(shù)型變化關(guān)系，其表達(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(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)為0.95，說(shuō)明采用式(4)可以有效地預(yù)測(cè)水泥土裂隙率Rn的發(fā)展趨勢(shì)。

(4)

圖7 裂隙率與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between crack ratio and number of freeze-thaw cycle

圖8 強(qiáng)度指標(biāo)與裂隙率的關(guān)系曲線Fig.8 Strength indicators against crack ratio

3.3 強(qiáng)度指標(biāo)與裂隙率的關(guān)聯(lián)性

由三軸剪切試驗(yàn)的結(jié)果發(fā)現(xiàn)水泥土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而衰減，由二值化CT圖像計(jì)算的裂隙率隨循環(huán)次數(shù)增加而升高。為了分析力學(xué)性能衰減與裂隙結(jié)構(gòu)損傷的相關(guān)性，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到強(qiáng)度指標(biāo)與裂隙率的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖8);并建立裂隙率R與強(qiáng)度指標(biāo)(黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ)的直角坐標(biāo)系，用數(shù)據(jù)擬合的方法分析兩者之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，結(jié)果如式(5)和式(6)所示。2個(gè)公式的擬合關(guān)系均超過(guò)了0.95，說(shuō)明利用裂隙率可以對(duì)水泥土強(qiáng)度指標(biāo)合理地進(jìn)行預(yù)測(cè)。

c=-5.781R+68.11 ，

(5)

φ=-0.461R2+2.796R+19.86 。

(6)

從圖8所示的擬合曲線可以看出，黃土的黏聚力c與裂隙率R呈線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角φ與裂隙率R呈二次函數(shù)關(guān)系，且黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ均隨著裂隙率R的增加而下降。圖8的結(jié)果說(shuō)明水泥土強(qiáng)度指標(biāo)與裂隙發(fā)育程度保持了較好的相關(guān)性，體現(xiàn)了反復(fù)凍融循環(huán)對(duì)水泥土與力學(xué)性能和裂隙結(jié)構(gòu)均有顯著的影響[14]。

3.4 微觀形態(tài)的凍融損傷演化特征

圖9 經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)試樣的SEM掃描結(jié)果Fig.9 SEM images of specimens undergone different freeze-thaw cycles

為了研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)水泥土損傷效應(yīng)的微觀機(jī)理， 對(duì)經(jīng)歷不同循環(huán)次數(shù)(0、 2、 5、 10次)的土樣進(jìn)行掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)， 放大500倍的圖像結(jié)果如圖9所示。水泥土在初始狀態(tài)下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較密實(shí)， 裂隙少且小。 經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后， 土體內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)有明顯變化， 新生裂隙的數(shù)量和長(zhǎng)度開(kāi)始增加， 裂隙范圍不斷擴(kuò)張， 結(jié)構(gòu)愈發(fā)疏松。 水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)微觀形貌的改變主要是因?yàn)榉磸?fù)凍融循環(huán)作用使得孔隙水在土顆粒間不斷發(fā)生相變。 在孔隙水的蒸發(fā)和凍結(jié)過(guò)程中， 水泥土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生膨脹和收縮作用， 使得水泥基的凝膠膠結(jié)物質(zhì)逐漸溶解， 黏土間的密實(shí)度不斷降低。 裂隙結(jié)構(gòu)的變化使得土顆粒間組構(gòu)關(guān)系也出現(xiàn)相應(yīng)的改變， 顆粒之間的排列致密程度有所下降， 進(jìn)而削弱了土體的力學(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)摩擦角取決于顆粒接觸關(guān)系， 凍融循環(huán)主要使得水泥膠結(jié)物質(zhì)流失，故黏聚力遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角下降幅度[15]。

4 結(jié) 論

(1)經(jīng)過(guò)水泥改性的淤泥質(zhì)軟土試樣在凍融循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)出明顯的損傷現(xiàn)象，由CT掃描反映的二維裂隙的尺寸與數(shù)量隨凍融循環(huán)的進(jìn)行逐漸增加，裂隙率與循環(huán)次數(shù)保持指數(shù)型上升關(guān)系。

(2)反復(fù)凍融循環(huán)加速了水泥土力學(xué)性能的劣化，黏聚力隨循環(huán)次數(shù)增加保持指數(shù)函數(shù)的衰減趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角隨循環(huán)次數(shù)增加呈線性衰減趨勢(shì)，且黏聚力下降幅度遠(yuǎn)大于內(nèi)摩擦角。

(3)在凍融循環(huán)過(guò)程中，水泥土試樣的黏聚力與裂隙率呈線性關(guān)系，內(nèi)摩擦角與裂隙率呈二次函數(shù)關(guān)系，說(shuō)明土體的強(qiáng)度指標(biāo)衰減與結(jié)構(gòu)損傷效應(yīng)保持較好的相關(guān)性。

(4)凍融循環(huán)使得水泥土試樣內(nèi)部的水泥基膠結(jié)物逐漸流失，土體密實(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。