天津地區海相軟土微觀結構特征及固化機理研究

柯尊弘 乾增珍 殷雪寧 岳 兵 周文靜 王梓萱

(中國地質大學(北京)工程技術學院，北京 100089)

1 軟土固化研究現狀

天津地區廣泛分布著深厚的海相沉積軟土，該土工程性質較差，具天然含水量高、孔隙比大、強度低、可壓縮性大等特點，其主要為淤泥或淤泥質土，地表終年潮濕或積水，含大量有機質，在工程上對該土的處理較為復雜。國內許多學者對軟土進行了研究，簡文彬等利用水泥—水玻璃固化軟土，采用SEM圖像研究了固化土的微觀結構，研究結果表明：水泥—水玻璃水化后的纖維狀和棱柱狀產物相互搭接形成網絡并包裹土顆粒形成較大顆粒起到加固作用[1]。楊愛武等向軟土中添加固化材料石灰粉煤灰，通過室內試驗和微觀結構測試分析了石灰粉煤灰對天津地區濱海軟土的改良效果[2]。王東星等用活性MgO聯合工業副產物粉煤灰新型固化材料固化軟土，發現固化土強度受活性MgO摻量、齡期以及水灰比影響較大[3]。本文通過摻入不同比例的水泥開展軟土固化研究，對試樣進行無側限抗壓強度試驗，研究了固化土強度隨水泥摻量以及養護齡期的變化規律，通過掃描電子顯微鏡及X射線衍射試驗研究分析了固化前后軟土的微觀結構特征及礦物組成的變化規律。

2 試驗材料及方案

2.1 試驗材料

試驗用土取自天津市西青區某深基坑，取土深度約為10 m，對取回的原狀土開展若干室內試驗，相關物理力學指標如表1所示。水泥為普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)。

表1 原狀軟土物理力學性質指標

2.2 試樣制作與養護

向軟土中分別添加占軟土質量6%,12%,18%,24%及30%的水泥，添加一定質量的水調配制成天然含水量的拌合物。選用內徑56 mm，高度140 mm的PVC管作為模具，在PVC管內壁上均勻涂抹一層薄凡士林油，后將拌合物放入模具中分層搗實，用橡皮筋及保鮮膜將試樣兩端密封，常溫下養護至14 d,28 d,60 d及120 d。

3 試驗結果

3.1 無側限抗壓強度試驗

試驗儀器為中國地質大學(北京)巖石力學實驗室引進的電子萬能試驗機，峰值荷載為300 kN。試樣達到養護齡期后，脫模并測量其直徑、高度及質量，編號備用。以0.2 mm/min 的加載速率對試樣進行無側限抗壓強度試驗，試驗結果如圖1所示。試驗結果表明：試樣強度隨水泥摻量提高不斷增大，增長幅度在摻量12%～24%間達最大值，而后逐漸減緩。從齡期14 d～28 d強度提高幅度最大。

3.2 X射線衍射試驗

表2 礦物X-射線衍射分析報告

表3 粘土礦物X-射線衍射分析報告

表2，表3為原土及不同水泥摻量固化樣本的X射線衍射試驗結果，相比于原土，摻入水泥的固化樣本中石英、角閃石等礦物的含量略有提高，長石、方解石的含量略有降低，石英的硬度高于方解石、略高于長石，在礦物組成上固化土較硬質礦物成分的含量略高于原土。固化土粘土礦物的含量略有降低，但粘土礦物成分中的伊利石、蒙脫石混合層(I/S)大幅度降低，伊利石(It)含量大幅提升，高嶺石(Kao)含量有一定程度的提高。礦物親水能力：蒙脫石>伊利石>高嶺石，晶層間聯結力：高嶺石>伊利石>蒙脫石，比表面積：蒙脫石?伊利石>高嶺石[4]。

3.3 掃描電鏡(SEM)試驗

圖2為原狀土在掃描電子顯微鏡下放大3 000倍的照片，可以看出軟土由不規則片狀及均勻粒狀顆粒組成。片狀顆粒間大多呈線與線、點與面、線與面以及面與面的雜亂接觸；粒狀顆粒大小均勻，如同大小相近的球體一般，它們的接觸發生在顆粒表面上很小的范圍內。顆粒間雜亂無章的接觸在土體內部形成了很多微小的空隙，而軟土中沒有更小的顆粒去充填這些空隙，這就在土體內部搭建了巨大的空間。此外在圖2c)中可以看出，片狀顆粒與粒狀顆粒之間呈點與面式接觸，且存在多層片狀顆粒間夾雜部分粒狀顆粒的現象，這些片狀顆粒像隔水膜一樣覆蓋在粒狀顆粒外，在進一步擴增土體內部空隙的同時還對土體內水的運動起到了巨大的阻礙作用。可以看出海相軟土顆粒間特殊的接觸形式形成了海相軟土孔隙比大、含水量高、可壓縮性大、強度低等性質。

圖3為不同水泥摻量及養護齡期下固化土的掃描電鏡圖，圖中可以看出水泥的水化在軟土內部產生了許多纖維狀[5]、柱狀物質(如圖3b)，圖3f)所示)，大量的纖維狀及柱狀物質包裹、覆蓋在軟土顆粒表面(如圖3a)所示)，土顆粒表面變得粗糙，顆粒間粘結力得以增強[6]；此外，水化生成的大量纖維狀、柱狀物質填充了顆粒間的空隙，土體孔隙比大幅降低，可壓縮性大幅下降，在外荷載作用下，這些物質就像建筑物樓層間的梁和柱，起到了骨架支撐作用，在限制土顆粒間相對位移的同時還將傳遞顆粒間的荷載，土體不再依賴較大幅度變形承受荷載，土體強度大幅提高。

4 結語

水泥的摻入提高了粘土礦物伊利石、高嶺石含量，大幅降低了蒙脫石含量，使得固化土親水能力減弱、顆粒間的聯結力增強、土顆粒與周圍介質的相互作用程度減弱，土體強度有所提高。

水泥水化生成的纖維狀、柱狀產物有效傳遞了土顆粒間的荷載，限制了顆粒間的相對位移，有效提高了土體強度并降低了其可壓縮性。