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,隨著城市化進展的不斷推進,城市大規(guī)模地鐵建設(shè)也迎來了史無前例的蓬勃發(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)法施工會干擾周圍土層的溫度場,使得周圍土層產(chǎn)生凍脹融沉,且對土體的凍結(jié)加固不能長期起作用,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,嚴重會導(dǎo)致相近建筑物坍塌等嚴重事故,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)測初始含水量、黏土含量、密實度、上覆荷載等因素對黏土改良粗粒土凍脹率的影響;熊志文等[6]發(fā)現(xiàn)摻入水泥后會比摻入石灰和粉煤灰更有效的減小級配碎石的滲透系數(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,適當增加粉土的比例并不會使填料產(chǎn)生較大的凍脹變形;胡向東[7]通過對上?；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理;鮑俊安等[8]通過對南京地區(qū)典型黏土和砂土滲入不同比例的水泥進行融沉試驗研究,得出了水泥滲入比對融沉系數(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,然而對于水泥注漿法和人工凍結(jié)法兩者相結(jié)合的研究實際較少,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)驗和理論依據(jù),因此無法保障施工的效果,若參數(shù)選擇不合適,工程效果不但會大打折扣且延誤工期,嚴重時會造成工程事故。

現(xiàn)以福建福州地區(qū)四號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,即對其先進行注漿改良后凍結(jié),再通過一系列實驗來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)合工程實際,尋求各因素對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 試驗內(nèi)容及方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自福建福州地區(qū)四號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;層頂標高為-7.73～-1.97 m,層底標高-13.97～3.73 m。對于選定的粉質(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標記清楚后,將其浸蠟再次密封好,打包好運回凍土實驗室進行后續(xù)的試驗。通過常規(guī)土工試驗,表1表示了土樣的粒徑分布,其基本物理指標如表2所示,試驗使用的水泥是42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 土的顆粒級配

表2 土的基本物理參數(shù)

1.2 試樣制備

試樣制備參照《土工試驗方法標準》(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。

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

取烘干過篩處理后的土樣,配置不同階段試驗所需的含水率后,在封閉條件下靜置養(yǎng)護24 h。試樣養(yǎng)護完成后,將配置好的水泥漿注入土樣中,得到試驗所需水泥土,得到上述水泥土后,在其達到初凝前填制試樣,采用擊實法,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,用擊實錘夯實,每層夯實后進行刮毛處理,依次將注漿改良土樣倒入模具擊實后脫模,得到φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣。

1.3 試驗裝置及理論

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系統(tǒng)。該試驗儀器由支撐體系、試樣腔體部分、加載系統(tǒng)、溫度系統(tǒng)、應(yīng)力、位移監(jiān)測系統(tǒng)組成,該裝置可用于土體試樣的凍脹融沉試驗,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),計算土體的沉降量。

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

試驗的凍脹率的計算公式為

(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。

試驗的融沉系數(shù)的計算公式為

(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 試驗方案

凍脹融沉試驗:試驗參照土工試驗方法標準(GB/T 50123—2019),旨在研究水泥改良土在冷端溫度、注漿比、養(yǎng)護齡期和水灰比4種條件下的凍脹融沉特性。冷端溫度綜合工程實況,選取-13 ℃作為試驗的基準溫度,另在基準溫度附近選取3個溫度水平;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,試驗選取6個水平(0、10%、20%、30%、35%和40%)的注漿比制樣;養(yǎng)護齡期是水泥漿充分硬化產(chǎn)生強度所經(jīng)歷的時間,隨著時間的增長,水化越充分,改良土的凍脹融沉特性也會產(chǎn)生變化,參照水泥的養(yǎng)護齡期,采取1、3、7、28 d 4個水平;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,進而引發(fā)改良土的凍脹融沉特性的變化,為了貼近工程實際,選擇4個水平(0.6、0.8、1.0、1.2)作為研究,試驗條件如表3所示,為單因素多水平的凍脹試驗。

表3 凍脹融沉試驗方案

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 單因素凍脹結(jié)果分析

2.1.1 冷端溫度對凍脹融沉特性的影響

凍脹融沉試驗系統(tǒng)如圖2所示。由圖3可以看出,開始試驗1 h時,-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,從而溫度梯度擴大,土體開始發(fā)生凍結(jié)的時間也隨之加快,反之則凍結(jié)開始發(fā)生的時間愈慢。隨著時間的不斷發(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%,差異的原因在于當冷端溫度較低時,隨著土體一端發(fā)生凍結(jié),凍結(jié)鋒面開始迅速發(fā)展,而土中水分向凍結(jié)鋒面遷移過程中便被凍結(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,水分只能通過小孔隙遷移,遷移過程較緩,過程中只有較少的水分遷移過去,最終凍脹率較小,反之當溫度較高時,減緩了凍結(jié)鋒面的發(fā)展,土中水分有足夠的時間通過小孔隙向凍結(jié)鋒面遷移,在水分遷移的過程中又產(chǎn)生聚冰作用,水相變成冰的過程中釋放潛熱,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,當土樣開始融化時的融沉量也就越大[10]。

圖2 凍脹融沉試驗系統(tǒng)

ω=35%,ω/c=0.8,D=7 d

從圖4可以看到,當其他影響因素都相同,在試驗所測的溫度界限之內(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間的關(guān)系曲線

通過對有關(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間的趨勢大致相同,但在融化時,水灰比越大,其融沉穩(wěn)定所需要的時間相對較長。在試驗的初期脹率和融沉系數(shù)均快速增長,而后隨著試驗的持續(xù)進行逐漸緩慢增長直至最終趨于穩(wěn)定。觀察數(shù)據(jù)可知,水灰比為0.6時試樣的凍脹率為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,改良土試樣的最終含水率就會增大,土樣的飽和度就會相對變大,則當試樣凍結(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)生更加強烈的冰水相變,對土體內(nèi)部溫度場的發(fā)展產(chǎn)生影響,從而增加了凍結(jié)鋒面的下移推進所需要的時間,相應(yīng)水分遷移量也會增加,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,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需要吸收的熱量就越多,融化時間也就越長。水凍結(jié)產(chǎn)生的體積膨脹會填補土體孔隙,但當其融化時,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,漿液的流動擴散性能也會變差,影響注漿的效果;而過大的水灰比不僅造成土體內(nèi)部的水分過多,影響土體的凍脹融沉,也會增加水泥凝結(jié)硬化的時間,延長了工期,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?zāi)Ｐ蛠泶_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為試驗的最佳水灰比。

由圖6可以看到,在其他條件相同時,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)過數(shù)據(jù)的回歸分析,在試驗所選水灰比范圍里,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)護齡期對凍脹融沉特性的影響

如圖7所示,不同養(yǎng)護齡期改良土的凍脹率和融沉系數(shù)隨時間的變化趨勢都大致相同,凍結(jié)初期凍脹和融沉系數(shù)增長都很快,而后緩慢增長直至穩(wěn)定。對于養(yǎng)護齡期為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)護齡期的增長,水泥改良土的抗凍脹融沉性能均得到了極大的提高,經(jīng)過分析可知,養(yǎng)護齡期為1 d時土中水泥剛剛失去塑性開始產(chǎn)生強度,水化不充分,水化產(chǎn)物很少,沒有發(fā)揮其作用,隨著養(yǎng)護齡期的增長,水化反應(yīng)愈發(fā)充分,水化產(chǎn)物開始充斥土壤內(nèi)部孔隙,隨著水化產(chǎn)物的增多,水化產(chǎn)物會覆蓋住土壤內(nèi)部原本的團聚體,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)護齡期的延長呈現(xiàn)相同的趨勢,其凍脹率和融沉系數(shù)都隨著齡期的增長而迅速下降,但當達到一定的齡期后,凍脹率和融沉系數(shù)下降的速率開始慢慢減緩。而對于融沉試驗,一般而言,凍脹量越大其融沉量也就越大,且通過對比同樣養(yǎng)護齡期的凍脹融沉數(shù)據(jù),可以看到養(yǎng)護初期其融沉系數(shù)均大于其凍脹系數(shù),但隨著養(yǎng)護齡期的延長,兩者差值開始慢慢減小,甚至在養(yǎng)護28 d時的融沉系數(shù)小于其凍脹率。

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

而當融沉試驗開始后,試樣中由于水凍結(jié),體積增大,而填補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)護齡期的延長,改良土試樣的強度在慢慢增大,抵抗自重和外荷載作用下壓縮沉降的能力增強,因此凍脹量和融沉量的差值隨著養(yǎng)護齡期的延長慢慢減小,甚至當達到一定的養(yǎng)護齡期時,土體的強度可以抵抗自重和外荷載作用下壓縮沉降時,融沉量就會小于凍脹量。因此對于有較高施工環(huán)境要求的項目而言,注漿后保證一定的養(yǎng)護齡期再進行凍結(jié)法的施工,可以有效降低施工過程中土體凍脹對周圍環(huán)境和施工質(zhì)量的影響[12]。

結(jié)合上述分析,養(yǎng)護齡期達到7 d后便可有效提高土的抗凍融性能,而達到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)護齡期便可以有效抑制凍脹現(xiàn)象,從而進行下一道工序,提高項目的經(jīng)濟性。

2.1.4 水泥漿滲入量對凍脹融沉特性的影響

對于改良粉質(zhì)黏土的凍脹融沉來說,水泥漿的含量是一個最直接的影響因素,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,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%,但當水泥漿的含量達到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)濟性的角度可以認為,當水泥漿滲入量為20%時,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)部的團聚體且與土顆粒膠結(jié)在一起,填補了土壤內(nèi)部的孔隙,形成更加穩(wěn)定的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的土骨架,增強了土體的強度,從而在融化過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中當水泥漿摻量超過35%后,凍脹率降低十分微弱,考慮到水泥水化過程中產(chǎn)生的大量水化熱,土體內(nèi)部水泥反而會產(chǎn)生細小的裂縫,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,當其他條件都相同時,養(yǎng)護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,通過對其試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,在試驗所選水泥漿滲入量的范圍內(nèi),養(yǎng)護齡期為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7 d的凍脹率,%;α為改良粉質(zhì)黏土養(yǎng)護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 改良土溫度場分析

由圖12所示,不同冷端溫度下溫度曲線的變化趨勢基本一致,不同的是溫度梯度和溫度場穩(wěn)定所需的時間。土樣越靠近冷端溫度的地方,其溫度下降就越快,溫度穩(wěn)定所需的時間就越短。在凍脹試驗開始的第1個小時內(nèi),土樣溫度由初始溫度開始急劇下降,在凍結(jié)1 h后,土樣溫度下降的趨勢開始變慢,且在試驗持續(xù)約5 h后,土樣各個高度處溫度基本不變,其溫度場基本穩(wěn)定。當溫度為-5 ℃試樣的溫度場穩(wěn)定時,距離頂端10、20、30、40 mm處的溫度分別為-4.13、-3、-1.69和0.38 ℃;當冷端溫度為-10 ℃時,相應(yīng)的溫度分別為-8.75、-6.88、-4.94、-2.31 ℃;當冷端溫度為-13 ℃時,相應(yīng)的溫度分別為-11.19、-9.19、-6.94、-5.75 ℃,當冷端溫度為-17 ℃時,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高度處的土樣均發(fā)生了熱量交換,使得試樣各個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,當土樣與冷端的熱交換完成后又會達到一個新的熱平衡狀態(tài)[14]。

ω=35%,ω/c=0.8,D=7 d

當凍脹試驗結(jié)束后,調(diào)整冷端溫度至25 ℃后開始進行融沉實驗,由于溫度上升的趨勢大致相同且融化溫度也一致,因此以融沉實驗凍結(jié)溫度為-13 ℃試樣為例,從圖13可以看到,當融沉試驗開始后,土樣進入快速升溫階段,當土樣接近-3 ℃時,升溫速率減緩,標志著土體即將進入相變階段,由于水泥改良土相變需要進行更多的熱量交換,故溫度曲線呈緩勢,隨著相變過程的結(jié)束,解凍完成,土體再次進入快速升溫階段,隨著溫度上升的趨勢開始減緩,意味著溫度場漸漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。此時距離頂端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,對于不同的冷端溫度,在凍結(jié)一定時間后,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,溫度場穩(wěn)定所需的時間就越少。以溫度為-13 ℃為例,在試驗進行的前3 h中,整個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)開始5 h后,試樣內(nèi)各高度處的降溫速率開始變慢,在試驗進行約7 h后,整個土樣的各處的溫度都已逐漸穩(wěn)定,在整個土樣各處的溫度都穩(wěn)定之后,溫度與試樣各個高度近乎呈線性分布,且隨著試驗的持續(xù)進行,狀態(tài)保持不變。

圖14 改良土在不同凍結(jié)時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,通過對不同水泥漿的含量下(0、10%、20%、30%、35%和40%)的粉質(zhì)黏土進行了衍射角度為10°～80°的X射線衍射(Diffraction of X-rays)試驗。

如圖15所示,相較于沒有摻入水泥的可以看出,加入水泥后,產(chǎn)生了4、5、6、7四個新的衍射峰,這代表產(chǎn)生了新的物質(zhì),究其原因是因為水泥遇水會發(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,物相分析難以測出,而水化反應(yīng)還會生成氫氧化鈣[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,增強黏結(jié)進而產(chǎn)生強度。當水泥顆粒遇水后,水化反應(yīng)就開始進行,剛開始產(chǎn)生的水化產(chǎn)物會馬上被水溶解,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,這種膠體顆粒不但會與土體顆粒膠結(jié)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的土骨架,還會填充土體孔隙,進而降低土壤的孔隙率,提高土的凍脹融沉性能。當水化產(chǎn)物越來越多并與土顆粒作用后,改良土可塑性消失,進入強度階段,在一定的養(yǎng)護齡期內(nèi)逐漸硬化,進一步提高強度,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)護齡期、水灰比、水泥摻入量4個因素分析了其對水泥改良粉質(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,從而通過該模型分析各因素對凍脹影響的重要性,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,水泥漿滲入量標準化系數(shù)為-0.846,養(yǎng)護齡期為-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)護齡期>冷端溫度>水灰比。該多元線性回歸方程的預(yù)測范圍為水泥漿滲入量(0～40%),養(yǎng)護齡期(1～28 d),冷端溫度(-5～-17 ℃),水灰比(0.6～1.2)。

如圖16所示,通過多元線性回歸方程,輸入?yún)?shù)得到擬合值,與實測值進行對照,擬合度良好,可作為預(yù)測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)計提供需求[15]。由于模型基于福州地區(qū)的環(huán)境試驗數(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)試驗主要研究和分析了粉質(zhì)黏土在經(jīng)過水泥改良后的凍脹融沉特性與水泥漿摻量、養(yǎng)護齡期、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)護齡期、溫度、試樣含水率等因素的影響,當冷端溫度逐漸降低,從-5 ℃降至-17 ℃時,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;當水灰比為0.6～1.2時,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)護齡期的增大而減小,而且隨著養(yǎng)護齡期的增大,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)凍脹融沉試驗中,改良土試樣內(nèi)部溫度場隨時間的變化規(guī)律都相似,但是對于不同冷端溫度,試樣內(nèi)部溫度梯度的分布和溫度場穩(wěn)定所需要的時間會有所不同。

(3)通過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)計提供需求,具有一定的工程價值。

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