姚 達(dá)，姜 舒，張玉婷，韓啟元，張 丹

（1.江蘇省工程勘測(cè)研究院有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州225000；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司徐州分公司，江蘇徐州221018；3.江蘇鴻基水源科技股份有限責(zé)任公司，江蘇揚(yáng)州225000；4.東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，江西南昌330013；5.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇鹽城224051）

軟黏土廣泛分布于全球各地，包括許多城市發(fā)展建設(shè)和工業(yè)中心所在地區(qū)，尤其集中于沿海一帶［1］。隨著城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，用地規(guī)模不斷增加，不可避免地需要在軟黏土地區(qū)進(jìn)行開發(fā)利用，而由于軟黏土具有含水量高、壓縮性高、承載力低、滲透性低、剪切強(qiáng)度低等特點(diǎn)［2］，易引起不良工程問(wèn)題。因此，需要對(duì)軟黏土進(jìn)行加固處理。目前，常用的固化材料種類主要有：有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)化合物、酶三類，因其固化速度快、強(qiáng)度高、用量少、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用［3-4］。

水泥固化土作為傳統(tǒng)的固化劑，研究較為成熟，被廣泛用于改善軟黏土力學(xué)特性，提高其承載性能。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該固化劑的研究主要圍繞其力學(xué)特性和抗凍性能開展，主要集中在有關(guān)水泥摻量［5-6］、土體性質(zhì)［7-8］、孔隙水鹽分濃度［9-10］對(duì)其的影響。需要注意的是，軟黏土具有高初始含水率的特性，且需要通過(guò)水化反應(yīng)形成堅(jiān)硬的水泥固化土，因此原料土的含水率對(duì)水泥固化土也有著不可忽視的影響［11］。馮哲源等［12］分析了含水率對(duì)鹽城灘涂固化土強(qiáng)度特性的影響，研究表明其抗壓強(qiáng)度隨土樣含水率的增加而降低；王宇姣等［13］對(duì)鄱陽(yáng)湖疏浚土進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)含水率低于27%時(shí)，固化劑水化反應(yīng)不充分使得強(qiáng)度降低。此外，對(duì)于高含水率的軟黏土而言，水泥的加入使得固化土具有相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)而提高其強(qiáng)度，在實(shí)際施工中可以高效處理土體材料，降低施工成本［14-15］。而對(duì)于不同含水率和齡期對(duì)水泥加固土的流動(dòng)性的影響，目前研究尚不完善，仍需要深入探討。

為了進(jìn)一步研究含水率和齡期對(duì)水泥加固土強(qiáng)度特性及其流動(dòng)性的影響，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和流動(dòng)性試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究土體初始含水率和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥固化土強(qiáng)度特性與流動(dòng)特性的影響，并對(duì)影響原因進(jìn)行了分析，為固化加固技術(shù)在高含水率疏浚泥、軟土地基加固等實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土樣取自鹽城阜寧，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）［16］測(cè)定土體的基本物理性質(zhì)。其中，土體的液限和塑限分別為53.1%和24.7%，比重為2.68。根據(jù)土體的液限和塑限，結(jié)合塑性圖（圖1）可知，試驗(yàn)所用土樣為高液限黏土。

圖1 土樣塑性

1.2 試驗(yàn)方案

考慮到我國(guó)存在大量的疏浚淤泥，其含水率高、強(qiáng)度低，且在疏浚施工結(jié)束沉積穩(wěn)定后的含水率達(dá)到2.0~3.0 倍液限甚至更高［15］，故本試驗(yàn)設(shè)定土樣的初始含水率為1.5wL~3.5wL，水泥摻量為150 kg/m3，齡期分別設(shè)置為7、28、42、90 d。

1.2.1 無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)

將土樣分別調(diào)配到一定的含水率，將水泥和土樣充分混合，并使用便攜式機(jī)械攪拌器攪拌，直至獲得均勻的黏土—水—水泥拌合物。然后將漿體倒入內(nèi)徑39mm、高80mm 的3 層塑料模具中，并使用振動(dòng)器使得各層均勻無(wú)氣泡，脫模后將試樣移入恒溫［（20±2）℃］的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123—2019）［16］，無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)中使用的應(yīng)變率設(shè)定為每分鐘1%，在每個(gè)含水率和齡期下，測(cè)試3個(gè)平行試樣，以獲得無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的平均值。

1.2.2 流動(dòng)性試驗(yàn)

本文參照Rajendran［17］的方法，采用76.6 mm×152.4 mm的開口圓柱筒，將圓筒放至光滑平整的有機(jī)玻璃板上，并將剛攪拌均勻的水泥固化土拌合物裝入圓筒中并裝滿。用刮刀將表面刮平后，輕輕提起圓筒，拌合物在有機(jī)玻璃板上形成塌陷體，測(cè)量其最大直徑和最小直徑，則兩者的平均值即為流動(dòng)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖2為不同初始含水率和養(yǎng)護(hù)齡期條件下固化土試樣典型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中每個(gè)試樣的峰值應(yīng)力即為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu?？梢园l(fā)現(xiàn)，固化土試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型。即土體的應(yīng)力隨應(yīng)變的增加呈先增大，待達(dá)到峰值后再減小的變化趨勢(shì)。這主要是由于當(dāng)水泥摻量超過(guò)一定值后，土中形成膠結(jié)結(jié)構(gòu)，外加荷載作用下土體結(jié)構(gòu)破碎后表現(xiàn)出脆性特性［18-19］。同時(shí)，從圖2 可以看出試驗(yàn)的破壞應(yīng)變基本都分布在1%~2%左右，與一般的水泥固化土的破壞應(yīng)變?cè)?.5%~2%之間的結(jié)論相一致［20］。

由圖2 還可以看出，初始含水率的影響較為明顯，即在相同齡期條件下，較低的初始含水率試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線高于較高的初始含水率的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。這是由于水泥水化產(chǎn)物在固化試樣單位體積中的量不同［19］，因此初始含水率較低的試樣強(qiáng)度較高。反之，初始含水率較高時(shí)，其強(qiáng)度較低。而在相同的初始含水率下，養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線始終位于養(yǎng)護(hù)齡期較短試樣的上方［圖2（c）］。這主要是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥水化反應(yīng)生成的Ca（OH）2與黏土顆粒表面溶解的活性二氧化硅和氧化鋁發(fā)生火山灰反應(yīng)，增加了土中水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝產(chǎn)物的產(chǎn)量，提高了固化土結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度和強(qiáng)度，宏觀表現(xiàn)為固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的增加［21-22］。

圖2 固化土典型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖3為相同養(yǎng)護(hù)齡期下固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨土體初始含水率的變化規(guī)律。由圖可知，所有測(cè)試樣品的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu均隨著含水率的增加而持續(xù)降低。含水量是影響軟黏土強(qiáng)度的重要因素之一，即含水量越高，強(qiáng)度越低［20］。同時(shí)，含水量也是影響水化反應(yīng)的重要因素。但是含水量過(guò)高使得水化反應(yīng)中水分過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致顆粒間距離增大或顆粒簇間間距過(guò)大，強(qiáng)度降低［23］。

圖3 固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨初始含水率變化規(guī)律

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期相同時(shí)，含水率較低的水泥固化土試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于含水率較高的試樣，如當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d 時(shí)，含水率為80%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為786.4 kPa，含水率為160%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為229.6 kPa，下降了70.8%；當(dāng)齡期為28 d 時(shí)，含水率為80%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為930.8 kPa，含水率為160%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為483.0 kPa，下降了48.1%；當(dāng)齡期為42 d 時(shí)，含水率為80%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為980.6 kPa，含水率為160%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為495.7 kPa，下降了49.4%；當(dāng)齡期為90 d時(shí)，含水率為80%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1 027.9 kPa，含水率為160%的試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為509.6 kPa，下降了50.4%。

測(cè)定不同養(yǎng)護(hù)齡期下水泥固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。不同初始含水率下，固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加，均表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢(shì)，且強(qiáng)度增長(zhǎng)速率隨著齡期的增加而逐漸減小。這主要是由于隨著齡期的增加，水泥的水化反應(yīng)不斷進(jìn)行，生產(chǎn)了更多的水化產(chǎn)物，使得土體微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和密實(shí)性得到提升，宏觀表現(xiàn)為土體對(duì)外加荷載抵抗能力的增加［24］。之后，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的進(jìn)一步增加，水泥的水化反應(yīng)接近完成時(shí)，土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度將趨于穩(wěn)定。對(duì)于本文試驗(yàn)所用土樣，養(yǎng)護(hù)42 d后固化土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加即基本達(dá)到穩(wěn)定。

圖4 固化土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律

此外，當(dāng)初始含水率較高時(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期28 d 的試樣強(qiáng)度可達(dá)到齡期為7 d的試樣強(qiáng)度的1.5~2.0倍左右，這與張春雷等［19］得到的固化土28 d的強(qiáng)度比7 d強(qiáng)度可以提高1.4~2.3倍的結(jié)論較為一致。如當(dāng)初始含水率為160%時(shí)，齡期為7 d 的試樣強(qiáng)度為249.6 kPa，齡期為28 d 的試樣強(qiáng)度為483.0 kPa，后者達(dá)到前者的1.9 倍；當(dāng)初始含水率為130%時(shí)，齡期為7d的試樣強(qiáng)度為349.0 kPa，齡期為28 d的試樣強(qiáng)度為602.0 kPa，后者達(dá)到前者的1.7倍。

為進(jìn)一步探究初始含水率對(duì)水泥固化土強(qiáng)度的影響，收集已有文獻(xiàn)中不同地區(qū)固化土的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析（表1）。圖5為相同養(yǎng)護(hù)齡期與水泥摻量下不同液限土體固化處理后28 d 強(qiáng)度隨初始含水率的變化曲線。相同初始含水率下，固化處理后土體的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨實(shí)驗(yàn)土體的不同呈分散式的規(guī)律，由此推斷水泥固化土的強(qiáng)度還受到土體液限的影響，總體來(lái)看，在含水率與齡期相同的條件下，液限低的土體強(qiáng)度要大于液限較高的土體。

表1 文獻(xiàn)中土體液限

圖5 固化土28d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨初始含水率變化規(guī)律

不難發(fā)現(xiàn)所有土樣的抗壓強(qiáng)度均隨著初始含水率的增大而減小，這與本文試驗(yàn)規(guī)律相同；而由于土樣的液限不同，盡管養(yǎng)護(hù)齡期與水泥摻量一致，仍呈現(xiàn)出較大的差別，在含水率96%時(shí)，淮安土樣的強(qiáng)度是天津土樣的5.7 倍，這表明液限對(duì)水泥加固土強(qiáng)度有較大的影響。

2.3 流動(dòng)度

流動(dòng)度是影響水泥固化土拌合物現(xiàn)場(chǎng)泵送和施工的重要因素之一，而其受初始含水率的影響較大。圖6給出了不同初始含水率條件下水泥固化土試樣的流動(dòng)性測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鲈嚇拥牧鲃?dòng)值隨著初始含水率的增加而持續(xù)增加。根據(jù)Rajendran［17］所示，對(duì)于高流動(dòng)性材料其流動(dòng)值不小于20.3 cm，低流動(dòng)性材料小于15.2 cm。由圖可得出，該試樣表現(xiàn)為低流動(dòng)性。

圖6 不同初始含水率下固化土的流動(dòng)值

圖7 是幾種淤泥土的流動(dòng)度對(duì)比圖，可以看出初始含水率越高，土樣的流動(dòng)度越大，而液限低的土樣其流動(dòng)度大于液限較高的土，在含水率為120%時(shí)，天津土的流動(dòng)值是淮安土樣的1.1倍，是鹽城土樣的5 倍，這說(shuō)明土樣的物理性質(zhì)同樣對(duì)固化土的流動(dòng)度有較大的影響。

圖7 不同土樣的流動(dòng)值隨初始含水率的關(guān)系

3 結(jié) 論

（1）固化軟黏土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變軟化型，表現(xiàn)出脆性破壞特性。相同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，初始含水率低的試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線始終位于初始含水率高的試樣的上方。

（2）初始含水率對(duì)水泥固化土強(qiáng)度具有負(fù)面影響，即隨著初始含水率的增加，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨之降低。

（3）對(duì)于不同初始含水率的固化土試樣，其強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，且強(qiáng)度增長(zhǎng)速率隨著齡期的增加而逐漸減小。

（4）試樣的流動(dòng)值隨著初始含水率的增大而增加，整體表現(xiàn)為低流動(dòng)性。