水泥土凍脹特性試驗研究

鮑俊安，楊 平，王許諾

(南京林業大學土木工程學院，江蘇南京210037)

0 引言

近年來，隨著凍結法施工技術的廣泛應用，其施工對周邊環境的影響也日漸顯現出來［1-2］.由于人工凍結法施工引起周圍土層溫度場變化，使周圍土層產生凍脹和融沉，對此如不能及時控制，很容易對地表建筑、地下結構和管線產生影響甚至破壞作用，因此凍脹和融沉的防治問題是工程界亟待解決的難題［3-5］.目前用來控制凍脹的方法大多只能治標，如開挖卸壓槽，減小水平凍脹力，而控制融沉主要采用事后控制即用跟蹤注漿的方法來解決，但注漿量和注漿時間主要靠經驗選擇，缺乏精確的計算，經濟效果和工程效果并不太理想［6-7］.在地基土中摻入水泥形成水泥土的方法來控制凍脹在國內外均有應用，且效果顯著.日本學者小山道義等人通過在土層中加入一些添加劑來控制天然凍土的凍脹，發現加入水泥后控制效果良好，而譚利華［8］也做過這方面的嘗試.胡向東［9］針對上海灰黃色粉砂開展水泥改良土凍脹融沉性質的實驗研究，并指出水泥改良地層控制凍脹融沉的基本機理是水泥改良作用降低了土的滲透性，阻止了水分遷移量，減小了冰分凝作用，從而減小了凍脹.關于這方面的研究報道很少.實踐表明，在地基摻入水泥后凍脹得到了明顯的抑制，是一種行之有效的控制凍脹措施，但水泥摻入比、含水率、齡期、冷端溫度、荷載等因素和凍脹率具體變化規律尚不清楚.為了從理論上揭示水泥土抑制凍脹的規律，筆者研究了這些因素對水泥土凍脹特性影響.

1 試驗材料、試樣規劃與方法

1.1 試驗材料

試驗所用黏土、砂土均為南京地區典型土質，取自南京地鐵十號線過江大盾構風井基坑，其基本物理性質見表1;試驗所用水泥為海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥.

表1 土樣基本物理性質Tab.1 Basic physical property of soil

1.2 試驗規劃

研究摻入比單因素時，由摻入比與凍脹率關系可得兩種水泥土最佳摻入比，λn、λs分別為黏土質水泥土和砂土質水泥土的最佳摻入比，研究其他單因素時，水泥摻入比均采用最佳摻入比;實際工程齡期為28 d時，水泥強度已增長到總強度的90%，故取28 d為試驗基準齡期;凍土強度設計時一般采用-10℃時強度，故取-10℃為試驗基準冷端溫度.試驗規劃見表2.

1.3 試驗方法

凍脹試驗參照《土工試驗方法標準》［10］，采用南京林業大學研制的凍脹融沉儀進行，試驗裝置如圖1所示.在有外部水分補充情況下選取摻入比、含水率、齡期、冷端溫度、凍結條件、荷載等因素進行不同水平的單因素試驗，以獲得其對兩種水泥土凍脹率的影響規律.

表2 水泥土單因素凍脹試驗規劃Tab.2 Single-factor test planning of the cement soil frost heave

圖1 凍脹融沉儀示意圖Fig.1 Sketch map of frost heave and thaw subsidence instrument

本試驗中采用的水泥摻入比為干水泥質量與重塑土質量之比，即λ=(ms/m)×100%，其中λ為水泥摻入比，%;ms為摻入的水泥質量，kg;m為重塑土質量，包括干土和水的質量，kg.

水泥土試樣制作:在土樣的干土中加入水泥充分攪拌，按照原狀土含水量、水泥水灰比0.5對土樣進行配水，一次壓制成直徑為80 mm，高度50 mm的圓柱體，制作完成后放入養護室中按照標準條件養護28 d.

2 試驗結果分析

2.1 摻入比對水泥土凍脹特性影響

兩種土質摻入不同含量水泥后凍脹率與水泥摻入比的關系曲線如圖2所示.由圖可見:兩種水泥土凍脹率均隨摻入比增大呈指數規律減小，黏土中水泥摻量為0%時其凍脹率為11.56%，隨著水泥摻入量增加，曲線斜率也一直增大，即凍脹率一直在減小，而當水泥摻量達到10%時曲線斜率增大趨勢有所減緩，圖中此時凍脹率為1.56%，僅為水泥摻入量0%時的13.5%;水泥摻量對砂土質水泥土凍脹率影響具有同一變化規律，只是量值不同，砂土中無水泥摻量時凍脹率為2.73%，隨著水泥摻入量增加，曲線斜率也一直增大，在水泥摻入量為5%左右，凍脹率減小緩慢，此時凍脹率僅為0.41%，僅為無水泥含量時的15.02%.這種現象可解釋為:在土中摻入水泥，水泥熟料中的礦物與水發生水化反應，水化產物填充了空隙和土顆粒連接在一起，由于水泥水化產物與土顆粒之間的結合力大于土顆粒本身之間的結合力，所以水泥的摻入，土體中顆粒之間的結合力增加使得抵抗破壞顆粒骨架能力加強，且隨水泥摻入比增大，抵抗破壞顆粒骨架能力增大，凍脹試驗產生的凍脹力不足以破壞試樣，最終使得凍脹率下降.

綜上分析，得知:(1)兩種土質摻入水泥后的曲線整體均呈現指數規律減小趨勢，且黏土質水泥土凍脹率下降的幅度大于砂土質水泥土凍脹率，表明在黏土中摻入水泥對控制凍脹的效果更加顯著;(2)黏土、砂土中摻入水泥對凍脹率影響均存在一個摻入比最佳點，當摻入比小于最佳點時，水泥摻入量的變化對凍脹率變化影響較大，反之，摻入比變化對凍脹率變化影響較小，最佳摻入比可能隨土質的不同而不同，但變化量不會太大，本試驗黏土和砂土的最佳摻入比分別為10%、5%.最佳點對應的摻入比可稱最佳摻入比，表明在水泥摻入比為此值時的凍脹率相對較小.所以，凍結法施工時，可采取預先摻入一定水泥的辦法來減小凍脹，以減小由于凍脹融沉對工程和環境造成的影響，且水泥摻入比為最佳摻入比時可達到經濟最佳.

圖2 水泥土凍脹率與水泥摻入比的關系曲線Fig.2 Curves between frost heave coefficient of cement-improved soil＆mixing ratio of cement

2.2 含水率對水泥土凍脹特性影響

圖3為黏土質水泥土和砂土質水泥土凍脹率與原始含水率的關系曲線.

圖3 水泥土凍脹率與原始含水率關系曲線Fig.3 Curves between frost heave coefficient of cement-improved soil＆moisture content

由圖可見:兩種土質水泥土凍脹率均隨含水率增大呈線性遞增，這是因為隨著含水率增大，土中所含水量也隨著增大，當溫度降低時，水變成冰，自然體積就會膨脹，故凍脹率增大;另外還可見黏土質水泥土的曲線全部在砂土質水泥土的上方，表明在相同含水率條件下，黏土質水泥土的凍脹率始終比砂土質水泥土的凍脹率大，黏土質水泥土當含水率變化1%時，其凍脹率變化0.08%;砂土質水泥土含水率變化1%時，其凍脹率僅僅隨著變化0.05%，含水率對土體凍脹率的影響特征可解釋為:在土體中摻入水泥后經28 d的養護，試樣已經具備一定強度，尤其砂土，它和水泥拌合一起制成試樣經過養護后非常堅硬，這種情況下，進行凍脹試驗產生的凍脹力不足以破壞試樣，同時由于砂土中黏性顆粒含量較少，故相同含水率情況下，黏土質水泥土的凍脹率比砂土質水泥土的凍脹率大.

2.3 齡期對水泥土凍脹特性影響

根據試驗數據，齡期對水泥土凍脹特性的影響規律曲線如圖4.由圖可見，無論是黏土質水泥土還是砂土質水泥土隨著齡期延長，其凍脹率均呈指數迅速減小，并逐漸穩定，尤其起初階段較為明顯，說明水泥摻入后早期對凍脹率影響比較顯著.黏土質水泥土齡期7 d時凍脹率為4.56%，當齡期增加到28 d時凍脹率減小至1.56%，僅為7 d齡期時的34.21%;然而當齡期增加到90 d時，凍脹率為1.24%，此時變化不大，說明28 d是控制黏土質水泥土凍脹的關鍵時間;同樣，對砂土質水泥土也有類似情況，其齡期7 d時的凍脹率為1.80%，齡期增加到14 d時的凍脹率減小速度較快，凍脹率減小至0.58%，僅為7 d齡期時的32.22%，減小了67.78%，但是當齡期增加到90 d時，凍脹率為0.37%，減小量很少，說明14 d是控制砂土質水泥土凍脹的關鍵時間.綜上分析，黏土質水泥土和砂土質水泥土齡期對其凍脹率的影響均存在一個轉折點D，試樣齡期小于D時，齡期變化對凍脹率變化影響較大，當試樣齡期大于D時，齡期變化對凍脹率變化影響較小.轉折點D表明，當水泥土試樣達到一定養護時間后凍脹率將較小，甚至為零，圖中表明黏土質水泥土和砂土質水泥土的轉折點D分別為28 d，14 d.因此，在周邊環境控制變形要求高的條件下，使用凍結法施工時，在經濟技術條件允許下，可在土體中預先注一定量的水泥漿并將放置一段時間后再凍結，以減小由于凍脹對工程和環境造成的危害.

2.4 冷端溫度對水泥土凍脹特性影響

冷端溫度對水泥土凍脹特性影響單因素試驗采用4種不同冷端溫度在開放系統中單向凍結試驗.圖5為黏土質水泥土和砂土質水泥土兩者凍脹率與冷端溫度的對比曲線圖.

圖5表明，黏土質水泥土在有水分補給系統下進行單向凍結時，其凍脹率隨溫度升高而呈線性增大，冷端溫度升高1℃，對應凍脹率增大0.22%.從凍土的凍結機理可知，當冷端溫度較低，冷卻強度較大，凍結峰面快速向上推進，就會促使土中的自由水和弱結合水快速凍結，這樣遷移外部水分來不及遷移就凍結完畢，因此，凍脹率較小.反之，當凍結溫度較高，冷卻強度較小，負溫持續時間則相對較長，則外部水分遷移量就會較大，因此，凍脹率較大.

由于砂土礦物顆粒較大，并且砂粒間缺少黏聚力，其中結合水含量非常少，加上在砂土中摻入5%水泥量，水泥水化物填充了部分空隙，使得單向凍結溫度場中水分遷移機制減弱，故冷端溫度升高1℃，對應凍脹率僅增大0.012%，說明冷端溫度的變化對砂土凍脹特性影響不大，實際工程中在砂土層注入少許水泥漿再使用凍結法施工對周圍環境幾乎不會產生影響.

2.5 荷載對水泥土凍脹特性影響

研究荷載對水泥土凍脹特性影響時，為使儀器各組成部分緊密接觸，在試樣上方施加1 kPa壓力(施加這一小量對凍脹率值影響不大).圖6為兩種不同土質水泥土凍脹率與上部荷載關系曲線，從圖中可見，無論是黏土質水泥土還是砂土質水泥土，在單向凍結溫度場凍脹變形均隨上部荷載增大而減小，說明荷載對土體凍脹變形有抑制作用，并隨荷載越大這種抑制作用越明顯，究其原因可解釋為試樣在單向凍結試驗中，冷端溫度是自下而上，而荷載是從試樣的頂端向下傳遞，由壓力引起的固結排水與溫度引起的水分遷移部分相抵消，即荷載對水分遷移有抑制作用，從而導致有荷載作用時，凍脹率減小.

圖6 水泥土凍脹率與上部荷載關系曲線Fig.6 Curves between frost heave coefficient of cement-improved＆load

表3中擬合關系式表明，凍脹率均呈指數規律減小，說明荷載對土體凍脹變形有抑制作用，并隨荷載增大這種抑制作用越明顯，究其原因可解釋為試樣在單向凍結試驗中，冷端溫度是自下而上，而荷載是從試樣的頂端向下傳遞，由壓力引起的固結排水與溫度引起的水分遷移部分相抵消，同時荷載對水分遷移有抑制作用，從而導致有荷載作用時，凍脹率減小，但結合圖6可知:荷載對兩種土體的凍脹率影響程度并非一樣，荷載對黏土質水泥土凍脹特性影響比砂土質水泥土大.

表3 不同土質凍脹率與上部荷載關系式Tab.3 Relationship for different soil frost heave rate and the load

3 結論

(1)無論在黏土還是在砂土中，摻入水泥后的水泥土在開放系統單向凍結溫度場中產生凍脹變形，其凍脹率均隨摻入比增大呈指數規律減小，且在黏土中摻入水泥凍脹率減小幅度更大.另外，在黏土和砂土中摻入水泥，均存在一個最佳摻入比，當摻入比小于最佳摻入比時，水泥摻入量的變化對凍脹率變化影響較大，當摻入比大于最佳摻入比時，摻入比變化對凍脹率變化影響較小，南京地區典型黏土和砂土的最佳摻入比分別為10%、5%.

(2)摻入最佳水泥量的黏土質和砂土質水泥土在開放系統中，凍脹率均隨含水率增大呈線性增大.

(3)黏土質水泥土和砂土質水泥土，凍脹率均隨齡期增大呈指數減小，且齡期對黏土質水泥土和砂土質水泥土凍脹率的影響均存在一個轉折點D，試樣的齡期小于D時，齡期的變化對凍脹率變化影響較大，當大于D時，齡期變化對凍脹率變化影響較小，黏土質水泥土和砂土質水泥土的轉折點D分別為28 d，14 d.

(4)其他因素相同時，兩種水泥土凍脹率均隨冷端溫度升高而呈線性增大，且冷端溫度的變化對黏土質水泥土凍脹特性影響比砂土質水泥土大.

(5)其他因素相同的情況下，凍脹率均隨荷載增大呈指數規律減小，且荷載對黏土質水泥土凍脹特性影響比砂土質水泥土大.

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［10］中國人民共和國建設部.GB/T 50123—1999土工試驗方法標準［S］.北京:中國標準出版社，1999.