朱杰,唐文鋮,高珍珍

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué)礦山地下工程教育部工程研究中心,淮南 232001)

近年來(lái),隨著城市化進(jìn)展的不斷推進(jìn),城市大規(guī)模地鐵建設(shè)也迎來(lái)了史無(wú)前例的蓬勃發(fā)展,隨之產(chǎn)生了許多施工方法,如明挖法、暗挖法、注漿加固沉井法、頂管法或小型盾構(gòu)法,這些方法的優(yōu)勢(shì)各有千秋,但在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下,人工凍結(jié)法便在其中起到了至關(guān)重要的作用。隨著人工凍結(jié)技術(shù)在城市地下工程中廣泛應(yīng)用,從而產(chǎn)出的對(duì)周邊環(huán)境的威脅也引起了人們的注意[1]。凍結(jié)法施工會(huì)干擾周圍土層的溫度場(chǎng),使得周圍土層產(chǎn)生凍脹融沉,且對(duì)土體的凍結(jié)加固不能長(zhǎng)期起作用,若不能有效控制這種情況,很容易造成如地基失穩(wěn),使周圍鄰近建筑物產(chǎn)生傾斜、裂縫,嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致相近建筑物坍塌等嚴(yán)重事故,不符合安全施工的要求[2]。

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜,在一些特殊的情況下,工程上常利用水泥注漿法和人工凍結(jié)法相結(jié)合的方式來(lái)抑制土體的凍脹融沉現(xiàn)象,不但提升了軟弱地層的承載能力,減少了對(duì)周圍環(huán)境的影響。關(guān)于改良土凍脹融沉特性的研究,中外學(xué)者均做了較為深入的研究。徐麗娜等[3]通過(guò)研究不同類型土在玄武巖-纖維改良下的凍融特性,得出纖維可以水泥土抵抗凍融的能力;任昆等[4]發(fā)現(xiàn)改良土的強(qiáng)度隨煤渣摻量的增加先增大后減小,經(jīng)煤渣改良后土體的黏聚力增加,改良后土體的凍脹率受煤渣的摻量及養(yǎng)護(hù)齡期的影響得到了減弱;Long等[5]基于MATLAB建立多元線性回歸模型預(yù)測(cè)初始含水量、黏土含量、密實(shí)度、上覆荷載等因素對(duì)黏土改良粗粒土凍脹率的影響;熊志文等[6]發(fā)現(xiàn)摻入水泥后會(huì)比摻入石灰和粉煤灰更有效的減小級(jí)配碎石的滲透系數(shù)和凍脹率,從而減少水分向試樣內(nèi)部的滲透和抑制其凍脹,摻入水泥后,適當(dāng)增加粉土的比例并不會(huì)使填料產(chǎn)生較大的凍脹變形;胡向東[7]通過(guò)對(duì)上?；尹S色粉砂水泥土凍脹率、融沉系數(shù)與水泥漿滲入量、水泥土試樣滲透系數(shù)之間的關(guān)系研究,得出了水泥抑制土體凍脹融沉的基本機(jī)理;鮑俊安等[8]通過(guò)對(duì)南京地區(qū)典型黏土和砂土滲入不同比例的水泥進(jìn)行融沉試驗(yàn)研究,得出了水泥滲入比對(duì)融沉系數(shù)的影響規(guī)律;Lu等[9]發(fā)現(xiàn)了試樣內(nèi)部形成的溫度梯度驅(qū)使土體內(nèi)部發(fā)生凍脹,暖端溫度的升高會(huì)使暖端附近的供水溫度和土壤溫度升高,從而抑制了土體凍脹的發(fā)展。

綜上所述,在土中注入水泥漿在工程中已經(jīng)得到了應(yīng)用,然而對(duì)于水泥注漿法和人工凍結(jié)法兩者相結(jié)合的研究實(shí)際較少,在施工中,由于各類土質(zhì)、環(huán)境的差異且缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù),因此無(wú)法保障施工的效果,若參數(shù)選擇不合適,工程效果不但會(huì)大打折扣且延誤工期,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成工程事故。

現(xiàn)以福建福州地區(qū)四號(hào)線地鐵所穿典型土層粉質(zhì)黏土為例,將水泥注漿法和人工凍結(jié)法相結(jié)合使用,即對(duì)其先進(jìn)行注漿改良后凍結(jié),再通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)來(lái)研究其改良后的凍脹融沉特性,分析單因素和多因素協(xié)同作用下的數(shù)據(jù),結(jié)合工程實(shí)際,尋求各因素對(duì)改良土凍脹融沉特性的影響,旨在為粉質(zhì)黏土及其他軟弱地層土體的加固研究起到積極的作用。

1 試驗(yàn)內(nèi)容及方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自福建福州地區(qū)四號(hào)線地鐵所穿典型土層粉質(zhì)黏土,該粉質(zhì)黏土層的土為灰黃或者灰綠色,一般表現(xiàn)為可塑到硬塑之間的狀態(tài),切面比較光滑且有光澤,黏性較好。層厚度3.60～13.60 m;層頂標(biāo)高為-7.73～-1.97 m,層底標(biāo)高-13.97～3.73 m。對(duì)于選定的粉質(zhì)黏土層使用薄壁取土器以快速、連續(xù)的靜壓方式貫入取土,將土樣密封包裹后用編號(hào)標(biāo)記清楚后,將其浸蠟再次密封好,打包好運(yùn)回凍土實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)的試驗(yàn)。通過(guò)常規(guī)土工試驗(yàn),表1表示了土樣的粒徑分布,其基本物理指標(biāo)如表2所示,試驗(yàn)使用的水泥是42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 土的顆粒級(jí)配

表2 土的基本物理參數(shù)

1.2 試樣制備

試樣制備參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019),將粉質(zhì)黏土在100 ℃的烘干器中烘干24 h,取出碾碎,然后過(guò)2 mm 篩去除土里的雜質(zhì),然后保持土壤的干燥以待后用。

通過(guò)臺(tái)秤測(cè)量試驗(yàn)所需的土壤、水泥。由于水泥與水混合后會(huì)立即發(fā)生水化反應(yīng),不能明確含水率對(duì)試驗(yàn)的影響,且為了符合工程實(shí)際的注漿改良,分別制作土樣、水泥漿液,將其混合后得到所需試樣。

取烘干過(guò)篩處理后的土樣,配置不同階段試驗(yàn)所需的含水率后,在封閉條件下靜置養(yǎng)護(hù)24 h。試樣養(yǎng)護(hù)完成后,將配置好的水泥漿注入土樣中,得到試驗(yàn)所需水泥土,得到上述水泥土后,在其達(dá)到初凝前填制試樣,采用擊實(shí)法,將注漿改良土樣按照質(zhì)量分成4等份,倒入內(nèi)壁涂有凡士林的模具后,用擊實(shí)錘夯實(shí),每層夯實(shí)后進(jìn)行刮毛處理,依次將注漿改良土樣倒入模具擊實(shí)后脫模,得到φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣。

1.3 試驗(yàn)裝置及理論

如圖1所示,試采用自主研制的基于杠桿加載的凍脹融沉試驗(yàn)系統(tǒng)。該試驗(yàn)儀器由支撐體系、試樣腔體部分、加載系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、應(yīng)力、位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成,該裝置可用于土體試樣的凍脹融沉試驗(yàn),凍脹融沉系數(shù)都可以得出,且能在恒載下得出,可推導(dǎo)凍土融沉系數(shù),計(jì)算土體的沉降量。

待凍脹融沉試驗(yàn)完成后,將其試驗(yàn)測(cè)量的位移數(shù)據(jù)全部導(dǎo)出,改良土的凍脹率和融沉系數(shù)可通過(guò)式(1)和式(2)得出。

試驗(yàn)的凍脹率的計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:η為土樣的凍脹率,%;Δh為凍脹量,mm;H為土樣的初始高度,mm。

試驗(yàn)的融沉系數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

式(2)中:α為土樣的融沉系數(shù),%;Δf為融沉量,mm;H為土樣的初始高度,mm。

1.4 試驗(yàn)方案

凍脹融沉試驗(yàn):試驗(yàn)參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123—2019),旨在研究水泥改良土在冷端溫度、注漿比、養(yǎng)護(hù)齡期和水灰比4種條件下的凍脹融沉特性。冷端溫度綜合工程實(shí)況,選取-13 ℃作為試驗(yàn)的基準(zhǔn)溫度,另在基準(zhǔn)溫度附近選取3個(gè)溫度水平;注漿比作為提升改良土抵御凍脹融沉能力的關(guān)鍵因素,且為了尋求最優(yōu)注漿比,試驗(yàn)選取6個(gè)水平(0、10%、20%、30%、35%和40%)的注漿比制樣;養(yǎng)護(hù)齡期是水泥漿充分硬化產(chǎn)生強(qiáng)度所經(jīng)歷的時(shí)間,隨著時(shí)間的增長(zhǎng),水化越充分,改良土的凍脹融沉特性也會(huì)產(chǎn)生變化,參照水泥的養(yǎng)護(hù)齡期,采取1、3、7、28 d 4個(gè)水平;土體的含水量是影響土體凍脹融沉的主要因素之一,而注漿液水灰比大小的改變直接影響土體的含水量,進(jìn)而引發(fā)改良土的凍脹融沉特性的變化,為了貼近工程實(shí)際,選擇4個(gè)水平(0.6、0.8、1.0、1.2)作為研究,試驗(yàn)條件如表3所示,為單因素多水平的凍脹試驗(yàn)。

表3 凍脹融沉試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單因素凍脹結(jié)果分析

2.1.1 冷端溫度對(duì)凍脹融沉特性的影響

凍脹融沉試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。由圖3可以看出,開(kāi)始試驗(yàn)1 h時(shí),-5 ℃下改良土試樣的凍脹率為0.32%,-10 ℃下凍脹率為0.4%,-13 ℃下凍脹率為0.49%,-17 ℃下改良土試樣的凍脹率為0.69%,凍脹率相較冷端溫度的降低而增加,產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因在于冷端溫度的降低,從而溫度梯度擴(kuò)大,土體開(kāi)始發(fā)生凍結(jié)的時(shí)間也隨之加快,反之則凍結(jié)開(kāi)始發(fā)生的時(shí)間愈慢。隨著時(shí)間的不斷發(fā)展,土體凍脹率曲線相較變緩,然后漸漸趨于穩(wěn)定,如試驗(yàn)12 h后-5 ℃下改良土試樣的凍脹率穩(wěn)定為2.87%,-10 ℃下凍脹率為2.21%,-13 ℃下的凍脹率為1.97%,-17 ℃下的凍脹率為1.36%,差異的原因在于當(dāng)冷端溫度較低時(shí),隨著土體一端發(fā)生凍結(jié),凍結(jié)鋒面開(kāi)始迅速發(fā)展,而土中水分向凍結(jié)鋒面遷移過(guò)程中便被凍結(jié),另一方面由于改良土內(nèi)部較大孔隙基本上被注入的水泥漿堵住,水分只能通過(guò)小孔隙遷移,遷移過(guò)程較緩,過(guò)程中只有較少的水分遷移過(guò)去,最終凍脹率較小,反之當(dāng)溫度較高時(shí),減緩了凍結(jié)鋒面的發(fā)展,土中水分有足夠的時(shí)間通過(guò)小孔隙向凍結(jié)鋒面遷移,在水分遷移的過(guò)程中又產(chǎn)生聚冰作用,水相變成冰的過(guò)程中釋放潛熱,從而延緩了凍結(jié)鋒面的發(fā)展,因而凍脹率較大,與之相應(yīng)的,當(dāng)土樣開(kāi)始融化時(shí)的融沉量也就越大[10]。

圖2 凍脹融沉試驗(yàn)系統(tǒng)

ω=35%,ω/c=0.8,D=7 d

從圖4可以看到,當(dāng)其他影響因素都相同,在試驗(yàn)所測(cè)的溫度界限之內(nèi),改良土的凍脹率和融沉系數(shù)與溫度有著明顯的線性關(guān)系,其凍脹率和融沉系數(shù)都隨著溫度的降低而降低,與溫度的關(guān)系與一般土體一致。

圖4 不同冷端溫度下改良土凍脹率與時(shí)間的關(guān)系曲線

通過(guò)對(duì)有關(guān)數(shù)據(jù)的擬合,得到了改良土的凍脹率和融沉系數(shù)與溫度的關(guān)系為

α=3.944+0.134t,R2=0.987 7

(3)

η=3.491+0.124t,R2=0.986 1

(4)

式中:α為改良粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù),%;η為改良粉質(zhì)黏土的凍脹率,%;t為凍脹融沉試驗(yàn)的溫度,取值范圍為-17～25 ℃;R2為相關(guān)性系數(shù)。

2.1.2 水灰比對(duì)凍脹融沉特性的影響

由圖5可以看出,不同水灰比下的改良土的凍脹率隨時(shí)間的趨勢(shì)大致相同,但在融化時(shí),水灰比越大,其融沉穩(wěn)定所需要的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。在試驗(yàn)的初期脹率和融沉系數(shù)均快速增長(zhǎng),而后隨著試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行逐漸緩慢增長(zhǎng)直至最終趨于穩(wěn)定。觀察數(shù)據(jù)可知,水灰比為0.6時(shí)試樣的凍脹率為1.54%,融沉系數(shù)為1.64%,水灰比為0.8試樣的凍脹率為1.97%,融沉系數(shù)為2.28%,水灰比為1.0試樣的凍脹率為2.35%,融沉系數(shù)為2.77%,而水灰比為1.2試樣的凍脹率為2.98%,融沉系數(shù)為3.41%,隨著水灰比的增大,其凍脹率和融沉系數(shù)均在增大。

ω=35%,T=-13 ℃,D=7 d

水灰比的實(shí)質(zhì)是初始含水率的不同,在其他條件相同的情況下,水灰比變大時(shí),改良土試樣的最終含水率就會(huì)增大,土樣的飽和度就會(huì)相對(duì)變大,則當(dāng)試樣凍結(jié)后,原位水凍結(jié)后,產(chǎn)生較多的孔隙冰,從而相應(yīng)的凍脹率增大;另一方面還有水分遷移引起的凍脹,由于試樣含水率增大,產(chǎn)生更加強(qiáng)烈的冰水相變,對(duì)土體內(nèi)部溫度場(chǎng)的發(fā)展產(chǎn)生影響,從而增加了凍結(jié)鋒面的下移推進(jìn)所需要的時(shí)間,相應(yīng)水分遷移量也會(huì)增加,隨之引發(fā)更大的凍脹,原位水和異位水的凍脹相疊加,最終產(chǎn)生的凍脹量也就越大。

土樣在融化時(shí),由于水灰比的不同,凍結(jié)后的結(jié)冰量也不同,在其他條件相同的情況下,水灰比越大,含冰量越多,由于冰水相變需要吸熱,相應(yīng)高水灰比的試樣融化時(shí)需要吸收的熱量就越多,融化時(shí)間也就越長(zhǎng)。水凍結(jié)產(chǎn)生的體積膨脹會(huì)填補(bǔ)土體孔隙,但當(dāng)其融化時(shí),由于冰融化下沉和自重作用下的壓縮下沉,所以其融沉系數(shù)會(huì)大于其凍脹率,一般而言,凍脹量越大其相應(yīng)的融沉量也就越大。

綜上所述,水灰比的大小直接影響試樣內(nèi)部水分的含量,從而影響改良土的凍脹融沉特性,而水灰比又是水泥基質(zhì)注漿材料性能的關(guān)鍵因素,過(guò)低的水灰比不能使其產(chǎn)生充分的水化反應(yīng),影響改良土的性能,漿液的流動(dòng)擴(kuò)散性能也會(huì)變差,影響注漿的效果;而過(guò)大的水灰比不僅造成土體內(nèi)部的水分過(guò)多,影響土體的凍脹融沉,也會(huì)增加水泥凝結(jié)硬化的時(shí)間,延長(zhǎng)了工期,故在工程中應(yīng)尋求注漿材料的最佳水灰比,這樣可以提高改良土的性能,減少工期,提高工程的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)Wang等[11]的研究,基于水泥基質(zhì)注漿改良土的最佳水灰比可以引用以下經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)確定。

(5)

式(5)中:ω/c(op)為最佳水灰比;N為含水率放大系數(shù)(N=1.2);ωLc為水泥固化0 h的液限;Aw為水泥含量;ωLs為土壤液限;ωn為土壤天然含水率;a為擬合參數(shù)(a=0.65)。

根據(jù)式(2)～式(5)計(jì)算可得水泥漿液的最佳水灰比ω/c(op)≈0.78,結(jié)合上述分析,擬選取ω/c=0.8為試驗(yàn)的最佳水灰比。

由圖6可以看到,在其他條件相同時(shí),改良粉質(zhì)黏土的凍脹率和融沉系數(shù)隨水灰比的變化可近似看成一條正相關(guān)的直線,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的回歸分析,在試驗(yàn)所選水灰比范圍里,改良土的凍脹率和融沉系數(shù)的關(guān)系式為

圖6 不同水灰比下凍脹率和融沉系數(shù)的關(guān)系曲線

α=2.93-0.11ω,R2=0.995 5

(6)

η=2.35+0.095ω,R2=0.980 6

(7)

式中:α為改良粉質(zhì)黏土的融沉系數(shù),%;η為改良粉質(zhì)黏土的凍脹率,%;ω為凍脹融沉試驗(yàn)水泥漿的水灰比,取值范圍為0.6～1.2;R2為相關(guān)性系數(shù)。

2.1.3 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)凍脹融沉特性的影響

如圖7所示,不同養(yǎng)護(hù)齡期改良土的凍脹率和融沉系數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)都大致相同,凍結(jié)初期凍脹和融沉系數(shù)增長(zhǎng)都很快,而后緩慢增長(zhǎng)直至穩(wěn)定。對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為1 d的試樣,凍脹率為10.3%,融沉系數(shù)為11.4%,養(yǎng)護(hù)齡期為3 d的試樣,凍脹率為3.28%,融沉系數(shù)為3.8%,相較于養(yǎng)護(hù)齡期為1 d的凍脹率下降了68%,融沉系數(shù)下降了67%;養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的試樣,凍脹率為1.96%,融沉系數(shù)為2.28%,凍脹率下降了81%,融沉系數(shù)下降了80%;養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的試樣,凍脹率為0.58%,融沉系數(shù)為0.78%,凍脹率下降了90%,融沉系數(shù)下降了93%。

ω=35%,T=-13 ℃,ω/c=0.8

可以看出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),水泥改良土的抗凍脹融沉性能均得到了極大的提高,經(jīng)過(guò)分析可知,養(yǎng)護(hù)齡期為1 d時(shí)土中水泥剛剛失去塑性開(kāi)始產(chǎn)生強(qiáng)度,水化不充分,水化產(chǎn)物很少,沒(méi)有發(fā)揮其作用,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng),水化反應(yīng)愈發(fā)充分,水化產(chǎn)物開(kāi)始充斥土壤內(nèi)部孔隙,隨著水化產(chǎn)物的增多,水化產(chǎn)物會(huì)覆蓋住土壤內(nèi)部原本的團(tuán)聚體,并由孔隙中的水化產(chǎn)物逐漸膠結(jié)附近的黏土顆粒,形成了穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的土骨架,加強(qiáng)了抵抗凍脹變形的性能,并由于水化產(chǎn)物填堵了原先土中孔隙,降低了土的滲透系數(shù),阻止了凍脹時(shí)土壤內(nèi)部的水分遷移,從而降低了凍脹率。

由圖8可以看出,改良粉質(zhì)黏土的凍脹率和融沉系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)呈現(xiàn)相同的趨勢(shì),其凍脹率和融沉系數(shù)都隨著齡期的增長(zhǎng)而迅速下降,但當(dāng)達(dá)到一定的齡期后,凍脹率和融沉系數(shù)下降的速率開(kāi)始慢慢減緩。而對(duì)于融沉試驗(yàn),一般而言,凍脹量越大其融沉量也就越大,且通過(guò)對(duì)比同樣養(yǎng)護(hù)齡期的凍脹融沉數(shù)據(jù),可以看到養(yǎng)護(hù)初期其融沉系數(shù)均大于其凍脹系數(shù),但隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),兩者差值開(kāi)始慢慢減小,甚至在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)的融沉系數(shù)小于其凍脹率。

圖8 不同養(yǎng)護(hù)齡期下凍脹率和融沉系數(shù)的關(guān)系曲線

而當(dāng)融沉試驗(yàn)開(kāi)始后,試樣中由于水凍結(jié),體積增大,而填補(bǔ)的土體孔隙由于冰融化下沉和土體自重作用下的壓縮下沉,使得其凍脹量大于融沉量,但是由于養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng),改良土試樣的強(qiáng)度在慢慢增大,抵抗自重和外荷載作用下壓縮沉降的能力增強(qiáng),因此凍脹量和融沉量的差值隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)慢慢減小,甚至當(dāng)達(dá)到一定的養(yǎng)護(hù)齡期時(shí),土體的強(qiáng)度可以抵抗自重和外荷載作用下壓縮沉降時(shí),融沉量就會(huì)小于凍脹量。因此對(duì)于有較高施工環(huán)境要求的項(xiàng)目而言,注漿后保證一定的養(yǎng)護(hù)齡期再進(jìn)行凍結(jié)法的施工,可以有效降低施工過(guò)程中土體凍脹對(duì)周圍環(huán)境和施工質(zhì)量的影響[12]。

結(jié)合上述分析,養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到7 d后便可有效提高土的抗凍融性能,而達(dá)到28 d后相較7 d僅多提高了10%左右,于是在工程中,保證一定的養(yǎng)護(hù)齡期便可以有效抑制凍脹現(xiàn)象,從而進(jìn)行下一道工序,提高項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

2.1.4 水泥漿滲入量對(duì)凍脹融沉特性的影響

對(duì)于改良粉質(zhì)黏土的凍脹融沉來(lái)說(shuō),水泥漿的含量是一個(gè)最直接的影響因素,由圖9可以看出,改良土的凍脹率和融沉系數(shù)隨水泥漿滲入量的變化趨勢(shì)大致相同,素土的凍脹率為6.9%,融沉率為8.56%,水泥漿滲入量為20%時(shí),其試樣的凍脹率為3.34%,融沉率為4.32%,相較于素土凍脹率減小了51.6%,融沉系數(shù)降低了49.5%,但當(dāng)水泥漿的含量達(dá)到30%后,凍脹率僅為2.36%,融沉率為2.82%,相較于20%水泥漿滲入量的試樣僅僅多降低了12.4%,這表明了隨著滲入比的提高,對(duì)凍脹率和融沉系數(shù)的抑制效果提升也不再那么顯著。從工程經(jīng)濟(jì)性的角度可以認(rèn)為,當(dāng)水泥漿滲入量為20%時(shí),改良效果最為顯著,因此取水泥漿滲入量為20%為該改良粉質(zhì)黏土的最佳水泥漿摻入量。

T=-13 ℃,ω/c=0.8,D=7 d

未經(jīng)改良的重塑土和水泥改良土凍結(jié)狀態(tài)如圖10所示,經(jīng)分析可知,水泥的水化反應(yīng)隨水泥漿滲入量的增加而越發(fā)劇烈,水化產(chǎn)物也隨之增加,水化產(chǎn)物覆蓋住土壤內(nèi)部的團(tuán)聚體且與土顆粒膠結(jié)在一起,填補(bǔ)了土壤內(nèi)部的孔隙,形成更加穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的土骨架,增強(qiáng)了土體的強(qiáng)度,從而在融化過(guò)程中增加了土樣抵抗自重和外荷載下壓縮沉降的能力。一味地提高水泥漿摻量也不是有益的,如圖9中當(dāng)水泥漿摻量超過(guò)35%后,凍脹率降低十分微弱,考慮到水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生的大量水化熱,土體內(nèi)部水泥反而會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的裂縫,降低了水泥改良土的性能[13],未經(jīng)改良的重塑土和水泥改良土凍結(jié)狀態(tài)如圖10所示。

從圖11可知,當(dāng)其他條件都相同時(shí),養(yǎng)護(hù)7 d的改良粉質(zhì)黏土試樣的凍脹率和融沉系數(shù)隨水泥漿滲入量的變化可近似看成一條平滑的曲線,通過(guò)對(duì)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析,在試驗(yàn)所選水泥漿滲入量的范圍內(nèi),養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的改良粉質(zhì)黏土的凍脹率和融沉系數(shù)的關(guān)系式為

(8)

(9)

式中:η為改良粉質(zhì)黏土養(yǎng)護(hù)7 d的凍脹率,%;α為改良粉質(zhì)黏土養(yǎng)護(hù)7 d的融沉系數(shù),%;λ為水泥漿的含量,%;R2為相關(guān)系數(shù)。

2.2 改良土溫度場(chǎng)分析

由圖12所示,不同冷端溫度下溫度曲線的變化趨勢(shì)基本一致,不同的是溫度梯度和溫度場(chǎng)穩(wěn)定所需的時(shí)間。土樣越靠近冷端溫度的地方,其溫度下降就越快,溫度穩(wěn)定所需的時(shí)間就越短。在凍脹試驗(yàn)開(kāi)始的第1個(gè)小時(shí)內(nèi),土樣溫度由初始溫度開(kāi)始急劇下降,在凍結(jié)1 h后,土樣溫度下降的趨勢(shì)開(kāi)始變慢,且在試驗(yàn)持續(xù)約5 h后,土樣各個(gè)高度處溫度基本不變,其溫度場(chǎng)基本穩(wěn)定。當(dāng)溫度為-5 ℃試樣的溫度場(chǎng)穩(wěn)定時(shí),距離頂端10、20、30、40 mm處的溫度分別為-4.13、-3、-1.69和0.38 ℃;當(dāng)冷端溫度為-10 ℃時(shí),相應(yīng)的溫度分別為-8.75、-6.88、-4.94、-2.31 ℃;當(dāng)冷端溫度為-13 ℃時(shí),相應(yīng)的溫度分別為-11.19、-9.19、-6.94、-5.75 ℃,當(dāng)冷端溫度為-17 ℃時(shí),相應(yīng)的溫度分別為-14.31、-11.5、-9.06、-6.88 ℃。這是由于冷端與各個(gè)高度處的土樣均發(fā)生了熱量交換,使得試樣各個(gè)高度處的溫度都變化了,且越靠近冷端處的土樣的溫度變化就越顯著,由于冷端持續(xù)性的降溫,當(dāng)土樣與冷端的熱交換完成后又會(huì)達(dá)到一個(gè)新的熱平衡狀態(tài)[14]。

ω=35%,ω/c=0.8,D=7 d

當(dāng)凍脹試驗(yàn)結(jié)束后,調(diào)整冷端溫度至25 ℃后開(kāi)始進(jìn)行融沉實(shí)驗(yàn),由于溫度上升的趨勢(shì)大致相同且融化溫度也一致,因此以融沉實(shí)驗(yàn)凍結(jié)溫度為-13 ℃試樣為例,從圖13可以看到,當(dāng)融沉試驗(yàn)開(kāi)始后,土樣進(jìn)入快速升溫階段,當(dāng)土樣接近-3 ℃時(shí),升溫速率減緩,標(biāo)志著土體即將進(jìn)入相變階段,由于水泥改良土相變需要進(jìn)行更多的熱量交換,故溫度曲線呈緩勢(shì),隨著相變過(guò)程的結(jié)束,解凍完成,土體再次進(jìn)入快速升溫階段,隨著溫度上升的趨勢(shì)開(kāi)始減緩,意味著溫度場(chǎng)漸漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)距離頂端10、20、30、40 mm處的溫度分別為21.69、18.13、14.94、10.69 ℃。

圖13 改良土的融化溫度曲線

如圖14所示,對(duì)于不同的冷端溫度,在凍結(jié)一定時(shí)間后,試樣內(nèi)部在各高度處的降溫發(fā)展規(guī)律基本一致,土樣越靠近冷端的部分,其溫度降的就越快,溫度場(chǎng)穩(wěn)定所需的時(shí)間就越少。以溫度為-13 ℃為例,在試驗(yàn)進(jìn)行的前3 h中,整個(gè)土樣的降溫速率都比較快,20 mm處的溫度已降至0 ℃,在凍結(jié)開(kāi)始5 h后,試樣內(nèi)各高度處的降溫速率開(kāi)始變慢,在試驗(yàn)進(jìn)行約7 h后,整個(gè)土樣的各處的溫度都已逐漸穩(wěn)定,在整個(gè)土樣各處的溫度都穩(wěn)定之后,溫度與試樣各個(gè)高度近乎呈線性分布,且隨著試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行,狀態(tài)保持不變。

圖14 改良土在不同凍結(jié)時(shí)刻下溫度沿試樣高度的分布

2.3 XRD分析

為研究水泥改良的原理,通過(guò)對(duì)不同水泥漿的含量下(0、10%、20%、30%、35%和40%)的粉質(zhì)黏土進(jìn)行了衍射角度為10°～80°的X射線衍射(Diffraction of X-rays)試驗(yàn)。

如圖15所示,相較于沒(méi)有摻入水泥的可以看出,加入水泥后,產(chǎn)生了4、5、6、7四個(gè)新的衍射峰,這代表產(chǎn)生了新的物質(zhì),究其原因是因?yàn)樗嘤鏊畷?huì)發(fā)生各種反應(yīng),如水解反應(yīng)和水化反應(yīng),且粉質(zhì)黏土顆粒與水泥水化產(chǎn)物之間也會(huì)產(chǎn)生作用。水泥遇水反應(yīng)生成水化硅酸鈣(C-S-H),以凝膠形式析出,在土顆粒間起到連接作用,形成具有更高強(qiáng)度的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于水泥水化生成的水化鋁酸鈣(C-A-H)含量很少,物相分析難以測(cè)出,而水化反應(yīng)還會(huì)生成氫氧化鈣[Ca(OH)2]與水分和二氧化碳繼續(xù)反應(yīng)生成水化硅酸鈣和碳酸鈣。

圖15 XRD圖像

因此,當(dāng)水泥漿注入粉質(zhì)黏土中,水泥水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣凝膠會(huì)逐漸形成連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),與土體顆粒膠結(jié)在一起,增強(qiáng)黏結(jié)進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)度。當(dāng)水泥顆粒遇水后,水化反應(yīng)就開(kāi)始進(jìn)行,剛開(kāi)始產(chǎn)生的水化產(chǎn)物會(huì)馬上被水溶解,使得更多的水泥顆粒與水作用,這樣水化作用繼續(xù)進(jìn)行,直至溶液飽和為止,但溶液飽和后,繼續(xù)水化的產(chǎn)物溶解不了,將直接以膠體顆粒的形式分離出來(lái),這種膠體顆粒不但會(huì)與土體顆粒膠結(jié)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的土骨架,還會(huì)填充土體孔隙,進(jìn)而降低土壤的孔隙率,提高土的凍脹融沉性能。當(dāng)水化產(chǎn)物越來(lái)越多并與土顆粒作用后,改良土可塑性消失,進(jìn)入強(qiáng)度階段,在一定的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)逐漸硬化,進(jìn)一步提高強(qiáng)度,從而提高抵抗凍脹融沉的能力。

2.4 多元線性回歸分析

從冷端溫度、養(yǎng)護(hù)齡期、水灰比、水泥摻入量4個(gè)因素分析了其對(duì)水泥改良粉質(zhì)黏土的凍脹融沉的影響,基于SPSS Statistics軟件構(gòu)建了以冷端溫度、養(yǎng)護(hù)齡期、水灰比、水泥摻入量為自變量,凍脹率為因變量的多元線性回歸方程,從而通過(guò)該模型分析各因素對(duì)凍脹影響的重要性,多元線性回歸方程為

0.11ω+6.451

(10)

式(10)中:η為凍脹率,%;T為冷端溫度,℃;D為養(yǎng)護(hù)齡期,d;ω/c為水灰比;ω為水泥漿滲入量,%。

分析該多元線性回歸擬合模型,優(yōu)化擬合優(yōu)度R2=0.896,F=76.04,影響顯著,回歸方程顯著性系數(shù)小于0.001,具有顯著性,擬合精度較好,冷端溫度,水灰比回歸系數(shù)小于0.1,養(yǎng)護(hù)齡期、水泥漿滲入量回歸系數(shù)小于0.001,具有顯著性,水泥漿滲入量標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為-0.846,養(yǎng)護(hù)齡期為-0.306,水灰比為0.130,冷端溫度為-0.133,因素的重要性順序是水泥漿滲入量>養(yǎng)護(hù)齡期>冷端溫度>水灰比。該多元線性回歸方程的預(yù)測(cè)范圍為水泥漿滲入量(0～40%),養(yǎng)護(hù)齡期(1～28 d),冷端溫度(-5～-17 ℃),水灰比(0.6～1.2)。

如圖16所示,通過(guò)多元線性回歸方程,輸入?yún)?shù)得到擬合值,與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)照,擬合度良好,可作為預(yù)測(cè)多因素綜合作用下水泥改良粉質(zhì)性黏土的凍脹率,為建筑工程設(shè)計(jì)提供需求[15]。由于模型基于福州地區(qū)的環(huán)境試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立,故在其他不同環(huán)境條件下仍需要優(yōu)化才能進(jìn)行適用。

3 結(jié)論

主要研究了水泥改良粉質(zhì)黏土凍脹融沉特性,室內(nèi)試驗(yàn)主要研究和分析了粉質(zhì)黏土在經(jīng)過(guò)水泥改良后的凍脹融沉特性與水泥漿摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、冷端溫度和含水率等影響因素之間的關(guān)系,得到以下結(jié)論。

(1)改良粉質(zhì)黏土的凍脹融沉特性明顯受到水泥漿的摻量、養(yǎng)護(hù)齡期、溫度、試樣含水率等因素的影響,當(dāng)冷端溫度逐漸降低,從-5 ℃降至-17 ℃時(shí),改良土試樣的凍脹率和融沉系數(shù)均隨之而表現(xiàn)為線性遞減;當(dāng)水灰比為0.6～1.2時(shí),改良土的凍脹率和融沉系數(shù)隨著水灰比的增大而增大,最佳水灰比為0.8;而改良土的凍脹率和融沉系數(shù)均隨著水泥漿摻量的增多而減小,最佳水泥漿摻量為20%;改良土的凍脹率和融沉系數(shù)均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小,而且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大,凍脹率與融沉系數(shù)的差值慢慢減小,齡期為28 d時(shí)的融沉系數(shù)甚至小于其凍脹率。

(2)在室內(nèi)凍脹融沉試驗(yàn)中,改良土試樣內(nèi)部溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化規(guī)律都相似,但是對(duì)于不同冷端溫度,試樣內(nèi)部溫度梯度的分布和溫度場(chǎng)穩(wěn)定所需要的時(shí)間會(huì)有所不同。

(3)通過(guò)SPSS Statistics建立的多元線性回歸方程,擬合度良好,回歸方程和系數(shù)均具有顯著性,可作為預(yù)測(cè)多因素綜合作用下水泥改良粉質(zhì)性黏土的凍脹率,為建筑工程設(shè)計(jì)提供需求,具有一定的工程價(jià)值。

(4)由SPSS Statistics建立的多元線性回歸方程標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)可知,各種因素對(duì)改良土凍脹率的影響程度大小為水泥漿滲入量>養(yǎng)護(hù)齡期>冷端溫度>水灰比,因此,在工程實(shí)際中可結(jié)合該分析,設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)氖┕し桨浮?/p>