水泥改良前后土體凍結溫度及力學特性試驗研究

胡 俊

(海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228)

水泥改良前后土體凍結溫度及力學特性試驗研究

胡 俊

(海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?570228)

為了對南京地鐵10號線過江隧道盾構始發端頭的加固設計提供參考依據，本文取始發端頭兩種典型土質進行了水泥改良前后土體凍結溫度及力學特性的室內試驗研究。結果表明：凍結溫度均隨水泥摻量和養護齡期的增大而減小，淤泥質粉質黏土的凍結溫度低于粉砂、細砂的凍結溫度;不同土質不同溫度下的無側限抗壓強度和彈性模量均隨著水泥摻量和養護齡期的增大而線性增大;不同土質無側限抗壓強度和彈性模量均隨著溫度的降低而線性增大。

南京地鐵 凍結溫度 無側限抗壓強度 彈性模量

軟土地區盾構始發時應對端頭土體進行加固以降低施工風險，需對端頭土體進行室內試驗，為盾構始發端頭加固設計提供參考依據［1-4］。本文結合南京地鐵10號線過江隧道東端頭盾構始發工程，以該地層中兩種典型土質為研究對象，針對水泥改良前后土體凍結溫度及力學特性進行室內試驗研究。主要比較研究兩種土質在常溫和 －10℃下水泥摻入比、養護齡期對水泥改良前后土體的無側限抗壓強度和彈性模量的影響規律。

1 工程背景

南京地鐵10號線全長41.4 km，共設20座車站，計劃于2015年上半年建成通車，是南京首條穿江地鐵線路。過江隧道(單洞雙線隧道)采用大直徑盾構施工，起點位于長江北岸的中間風井，向東依次穿越長江北岸大堤、城南河、潛洲、長江主航道、梅子洲江防大堤，到達江心洲站，如圖1所示。

盾構始發井端頭所處地層自上而下依次為:①－2素填土層，②－1a2－3黏土層，②－2b－4淤泥質粉質黏土層，②－3d3－4粉砂、細砂層。端頭隧道的頂板位于②－2b－4淤泥質粉質黏土層，底板位于②－3d3－4粉砂、細砂層，主要穿越②－3d3－4粉砂、細砂層。始發井地層分布如圖2所示，盾構始發時所涉及土層主要物理性質見表1。根據勘察資料［5］，可知東端盾構始發井處于高水壓砂性地層，該地層具有滲透系數大、地下水壓力高和地層承載能力差等特點。在不良地質和高水壓的不利因素影響下，盾構始發作業有很大風險，應對端頭土體進行加固。因此，需要對端頭土體進行室內試驗，為盾構始發端頭加固設計提供參考依據。

圖1 南京地鐵十號線過江隧道平面示意

圖2 東端盾構始發井地層分布

2 室內試驗安排

單因素試驗安排如表2至表4所示。凍結溫度試驗采用南京林業大學自制熱電偶測溫法，試驗裝置主要由低溫箱、試樣皿和溫度采集系統構成。無側限抗壓強度和彈性模量試驗在南京林業大學自行研制的WTD-100B型微機控制電子式凍土壓力試驗機上進行。

表1 中間風井土的物理性質指標

表2 水泥摻入比、養護齡期對凍結溫度影響的單因素試驗安排

表3 常溫和－10℃下水泥摻入比、養護齡期對無側限抗壓強度、彈性模量影響的單因素試驗安排

表4 溫度對無側限抗壓強度、彈性模量影響的單因素試驗安排

3 試驗結果與分析

3.1 水泥摻入比與養護齡期對凍結溫度的影響

圖3給出了水泥摻量與凍結溫度的關系曲線?？梢钥闯?，雖然土質不同，凍結溫度均隨著水泥摻量的增大而線性降低。這是因為隨著水泥摻量的增大，水泥水解用水量增大，土體中自由水含量減小，水結冰時釋放的潛熱減少，故凍結溫度降低。

圖4給出了養護齡期與凍結溫度的關系曲線。可知淤泥質粉質黏土的凍結溫度始終低于粉砂、細砂的凍結溫度，凍結溫度都隨著養護齡期的增大而降低，養護齡期28 d之前凍結溫度降低較快，28 d之后下降趨勢明顯變緩。這是因為水泥水解反應在前28 d最為激烈，故在這期間凍結溫度的變化較為明顯，28 d以后水泥土結構基本穩定，含水率也基本穩定，故下降趨勢明顯變緩。

圖3 水泥摻量與凍結溫度的關系

圖4 養護齡期與凍結溫度的關系

3.2 常溫和－10℃下水泥摻入比與養護齡期對無側限抗壓強度的影響

圖5為水泥摻量與無側限抗壓強度的關系曲線。可見，不同土質不同溫度下的無側限抗壓強度均隨著水泥摻量的增大而線性增大，粉砂、細砂的無側限抗壓強度上升較快。不同溫度相同水泥摻量下粉砂、細砂的抗壓強度均大于淤泥質粉質黏土。原狀土時，粉砂、細砂和淤泥質粉質黏土－10℃的抗壓強度分別是常溫下的292.0倍和65.0倍;當水泥摻量20%時，兩種土－10℃的抗壓強度分別是常溫下的4.6倍和5.3倍，這說明水泥的加入對凍土無側限抗壓強度的影響是十分顯著的。

圖5 水泥摻量與無側限抗壓強度的關系

圖6為養護齡期與無側限抗壓強度的關系曲線。可見，不同土質不同溫度的抗壓強度均隨著齡期的增大而增大，粉砂、細砂的無側限抗壓強度上升較快。不同溫度相同齡期下粉砂、細砂的抗壓強度均大于淤泥質粉質黏土。養護7 d時，粉砂、細砂和淤泥質粉質黏土－10℃的抗壓強度分別是常溫下的7.9倍和16.7倍;養護90 d時，兩種土－10℃的抗壓強度分別是常溫下的5.4倍和11.2倍，這說明養護齡期的改變對凍土的無側限抗壓強度有一定的影響。

圖6 養護齡期與無側限抗壓強度的關系

3.3 常溫和－10℃下水泥摻入比與養護齡期對彈性模量的影響

圖7為水泥摻量與彈性模量的關系曲線。可見，不同土質不同溫度下的彈性模量均隨著水泥摻量的增大而線性增大，粉砂、細砂的彈性模量上升較快。不同溫度相同水泥摻量下粉砂、細砂的彈性模量均大于淤泥質粉質黏土。原狀土時，粉砂、細砂和淤泥質粉質黏土－10℃的彈性模量分別是常溫下的106.2倍和147.1倍，當水泥摻量20%時，兩種土－10℃的彈性模量分別是常溫下的2.5倍和3.7倍，這說明水泥的加入對凍土彈性模量的影響是非常顯著的。

圖7 水泥摻量與彈性模量的關系

圖8為養護齡期與彈性模量的關系曲線?？梢?，不同土質不同溫度的彈性模量均隨著齡期的增大而增大，粉砂、細砂的彈性模量上升較快。不同溫度相同齡期下粉砂、細砂的彈性模量均大于淤泥質粉質黏土。養護7 d時，粉砂、細砂和淤泥質粉質黏土－10℃的彈性模量分別是常溫下的4.0倍和3.6倍;當養護90 d時，兩種土－10℃的彈性模量分別是常溫下的2.0倍和3.1倍，這說明養護齡期的改變對凍結水泥土的彈性模量有一定影響。

圖8 養護齡期與彈性模量的關系曲線

3.4 溫度對無側限抗壓強度和彈性模量的影響

圖9為溫度與無側限抗壓強度的關系曲線?？梢姡煌临|無側限抗壓強度均隨著溫度的降低而線性增大，相同溫度下粉砂、細砂的抗壓強度大于淤泥質粉質黏土。

圖10為溫度與彈性模量的關系曲線?？芍煌临|彈性模量均隨著溫度的降低而線性增大，粉砂、細砂的彈性模量上升較快。相同溫度下粉砂、細砂的彈性模量大于淤泥質粉質黏土。

圖9 溫度與無側限抗壓強度的關系曲線

圖10 溫度與彈性模量的關系曲線

4 結語

本文以南京地鐵10號線過江隧道盾構始發工程為例，對始發端頭兩種典型土質進行了水泥改良前后土體凍結溫度及力學特性的室內試驗，主要得出:

1)凍結溫度均隨水泥摻量和養護齡期的增大而減小，淤泥質粉質黏土的凍結溫度低于粉砂、細砂。

2)不同土質不同溫度下的無側限抗壓強度和彈性模量均隨著水泥摻量的增大而線性增大。原狀土時，粉砂、細砂和淤泥質粉質黏土－10℃的抗壓強度分別是常溫下的292.0倍和65.0倍，彈性模量分別是常溫下的106.2倍和147.1倍。當水泥摻量20%時，兩種土－10℃的抗壓強度分別是常溫下的4.6倍和5.3倍，彈性模量分別是常溫下的2.5倍和3.7倍。

3)不同土質不同溫度下的無側限抗壓強度和彈性模量均隨著齡期的增大而增大。當養護7 d時，粉砂、細砂和淤泥質粉質黏土－10℃的抗壓強度分別是常溫下的7.9倍和16.7倍，彈性模量分別是常溫下的4.0倍和3.6倍;當養護90 d時，兩種土 －10℃的抗壓強度分別是常溫下的5.4倍和11.2倍，彈性模量分別是常溫下的2.0倍和3.1倍。

4)不同土質無側限抗壓強度和彈性模量均隨著溫度的降低而線性增大，相同溫度下粉砂、細砂的抗壓強度和彈性模量大于淤泥質粉質黏土。

［1］胡俊，楊平，董朝文，等．蘇州地鐵一號線盾構隧道端頭加固方式現場調查研究［J］．鐵道建筑，2010(11):32-35．

［2］楊平，佘才高，董朝文，等．人工凍結法在南京地鐵張府園車站的應用［J］．巖土力學，2003，24(增刊):388-391．

［3］譚麗華．水泥改良土凍脹融沉特性研究［D］．上海:同濟大學，2008．

［4］黃峰．含鹽土層人工凍土帷幕計算方法研究［D］．上海:同濟大學，2008．

［5］江蘇省水文地質工程地質勘察院．南京地鐵十號線(西延線)DW-XK01-0000-1006標江心洲～中間風井區間巖土工程初步勘察報告［R］．南京:江蘇省水文地質工程地質勘察院，2011．

Experimental study on freezing temperature and mechanical performance of soil before and after cement-improving

HU Jun

(College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou Hainan 570228，China)

In order to provide a reference for the reinforcement design of shield originating end in crossing-river tunnel of Nanjing Subway Line 10，this paper tested the freezing temperature and mechanical properties of two typical soils in originating end before and after the cement improvement．The experiment results showed that the freezing temperature decreases with the cement content and curing time increasing，the freezing temperature of silty clay is lower than that of sand and fine sand，the unconfined compressive strength and elastic modulus of different soils in different temperature linearly increase with the cement content and curing time increasing，and the unconfined compressive strength and elastic modulus of different soils linearly increase with the temperature decreasing．

Nanjing subway;Freezing temperature;Unconfined compressive strength;Elastic modulus

U456

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．48

1003-1995(2013)04-0156-04

2012-10-10;

2012-12-10

海南大學科研啟動基金資助項目(kyqd1241)

胡俊(1983— )，男，四川樂山人，講師，工學博士。

(責任審編 葛全紅)