凍結MJS水泥土強度與凍融特性研究

劉欣，楊平，王懷東，李思齊

凍結MJS水泥土強度與凍融特性研究

劉欣1，楊平1，王懷東2，李思齊1

(1. 南京林業大學 土木工程學院，江蘇 南京 210037；2. 中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308)

以南京地鐵7號線中勝站全斷面承壓含水砂層近穿運營車站工程為背景，通過對其粉細砂層進行凍結MJS水泥土試驗研究，探討MJS水泥土的不同水泥摻量、不同齡期、不同狀態(凍結，常溫，凍融)對水泥土強度變化與凍脹融沉特性的影響。研究結果表明：MJS水泥摻量條件下水泥土凍脹融沉變形很小；凍結后水泥土強度顯著提高，抗壓及抗折強度分別提高約2倍和3倍，凍結水泥土抗壓強度隨摻入比增加增幅由快逐漸變慢，且隨齡期增長呈對數規律增大；凍結水泥土抗折強度隨摻入比增加先增大后減小，存在一個最大強度摻入比(45%)，且隨齡期增長呈對數規律減小；凍結水泥土彈性模量隨齡期和摻入比增加而增大，并基于試驗結果提出用于預測凍結水泥土抗壓強度的經驗公式。

凍結MJS水泥土；強度；凍脹融沉；水泥摻入比；齡期

隨著我國軌道交通建設快速發展，將大量出現在復雜工程地質與水文地質條件下新建車站下穿運營車站或下穿既有大型建筑物、構筑物等情況。南京地鐵7號線中勝站下穿十號線運營車站工程，處于全斷面承壓富含水地層，擬定下穿段采用水平MJS加固+水平凍結止水+CRD暗挖法密貼施工的施工工法。而該工法的凍結水泥土強度與凍融特性是保證安全施工與控制凍脹融沉變形的關鍵，也是凍結設計的主要參數。關于常規摻量的水泥土強度特性，國內外學者已進行了大量研究。在對水泥土強度影響因素研究中，湯怡新等[1?2]發現水泥摻入比對水泥土強度影響最大，在一定范圍內，隨著摻入比增加，水泥土強度提高，強度越大其材料脆性越明顯；且存在擬制凍脹融沉最佳加固效果的最小水泥摻入比[3?4]。李永輝等[5?6]發現含水率在一定范圍內，隨著含水率提高，水泥土強度大幅提高；隨著含水率的進一步提高，強度增幅逐步減緩。Consoli等[7?8]研究了水泥摻量、含水率等因素對水泥土強度影響。在強度理論研究中，XIAO等[9?10]通過室內試驗對水泥土強度進行了研究，并建立了強度預測模型。關于土體凍融特性研究，楊平等[11]對原狀土與凍融土力學性能的差異性進行研究后，認為凍融對土體結構改變較大，工程中應充分考慮凍融土的特性。WANG等[12?13]對多次凍融后土體特性進行了研究。關于水泥土凍脹融沉特性研究，胡向東[14]研究了上海灰黃色粉砂水泥改良土凍脹融沉特性，并揭示了水泥土擬制凍脹融沉特性機理。關于凍結水泥土強度影響因素，馬卉等[15]研究了水泥摻量、齡期對凍結水泥土強度的影響，王許諾 等[16]研究發現溫度對水泥土強度的影響最大。綜上，有關常規摻入比的凍結水泥土強度特性受水泥摻入比、齡期、土體溫度、土體狀態等因素影響均有一定的研究，但針對MJS高水泥摻入比的水泥土及凍結水泥土的強度與凍融特性研究尚鮮見報道。本文選取中勝站近穿運營車站范圍內的粉細砂層開展MJS凍結水泥土強度與凍脹融沉試驗，研究不同水泥摻量、不同齡期、不同狀態(凍結，常溫，凍融)對高摻量水泥土強度變化與凍脹融沉特性的影響，以期為工程設計提供參考依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本文試驗用土為南京地區典型粉細砂，取自南京河西地區，與南京地鐵7號線中勝站為同一地層，土的基本物理指標見表1，粉細砂顆粒級配級配曲線見圖１，不均勻系數c為3.99，曲率系數u為1.31，屬級配均勻，試驗所用水泥為海螺牌42.5普通硅酸鹽水泥。

表1 土層相關物理指標

圖1 級配曲線

按原始含水率配制擾動土、水灰比1:2配制水泥漿，水泥漿按不同摻入比加入擾動土中，進行充分攪拌。

1.2 試驗規劃與試驗方法

凍脹融沉試驗采用南京林業大學自制的凍脹融沉儀，該儀器能在負溫環境下實現單向凍結、單向融化，其原理如圖2所示。

試樣筒尺寸為Φ79.8 mm×50 mm，試樣在標準養護室養護24 h后脫模，脫模完成后密封再放入標準養護室內養護到規定齡期。在標準養護室養護14 d后將試樣從養護室取出再放入0 ℃低溫環境中恒溫12 h。試驗從試樣底部單向凍結，且為封閉系統凍脹，無需補水。當凍脹率實測值不再增長視為凍脹結束，凍脹試驗結束后，關閉底部冷板制冷開始融沉試驗，當融沉位移不再變化后停止試驗。

1—溫度控制器；2—循環冷水進口；3—循環冷水出口；4—試樣筒；5—加壓裝置；6—循環水泵；7—恒溫水槽；8—補水裝置；9—位移傳感器；10—數據采集儀；11—計算機；12—制冷塊；13—加壓設備；14—恒溫箱。

抗壓與抗折試驗采用南京林業大學自行研制的微機控制凍土多功能壓力試驗機進行，其可實現不同溫度的水泥土抗壓強度試驗與抗折強度試驗。主要研究不同狀態、不同水泥摻入比、不同齡期條件下水泥土抗壓、抗折強度與彈性模量變化規律。由于MJS的水泥摻入比均大于40%，因此水泥摻入比取0%，40%，45%，50%，60%和70%等6個水平，具體試驗規劃如表2所示。

抗折試驗試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，采用三聯模具制樣。依據GB/T17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》[17]，使用抗折試驗折斷的棱柱體進行抗壓試驗，受壓面為試樣成型的兩個側面，面積為40 mm×40 mm。當軸向應變超過20%或破碎應力下降達到10%，試驗自動停止。抗折試驗每種情況進行3組平行試驗，抗壓試驗每種情況進行6組平行試驗，分別取平均值作為抗壓、抗折強度值。

表2 試驗規劃

2 試驗結果分析與討論

2.1 凍脹融沉特性

水泥摻入比對土體凍脹率、融沉系數影響規律見表3。由表可知：未摻入水泥的土體凍脹率和融沉系數分別為3.26%和3.57%，當摻入比由0%增加到40%時，凍脹率與融沉系數顯著減小至0.23%和0.29%，僅為凍結原狀粉細砂凍脹率和融沉系數的7%和8%。據現有研究，對比未摻入水泥土體，隨摻入比增加，水泥土凍脹率和融沉系數呈指數下降，摻入水泥可有效抑制土體凍脹融沉變形[3?4]。其原因為：土體摻入水泥后，隨水泥水化反應生成水化物，水化物降低土體透水性，抑制凍脹時的水分遷移，凍結過程冰晶形成減少，進而縮小了凍脹與融沉時的變形量。

表3 14 d齡期水泥土凍脹融沉值

由表3還可知：摻入比達到40%后，隨著摻入比繼續增大，水泥土凍脹率和融沉系數繼續減小，且減小幅度變緩，土體凍脹融沉變形很小。其原因為：高摻入比條件下，凍結過程中凍脹量小，對土骨架結構破壞可忽略不計；融沉階段，土體應力重分布過程不明顯，凍脹率與融沉值接近。當水泥摻入比大于60%時，土體凍脹融沉變形很小，在工程中可忽略不計。

關于凍融對土體的影響，水泥摻入比大于60%時，土體凍脹融沉變形很小，此時一次凍融過程對土體結構幾乎無破壞，但多次凍融循環對土體的破壞性依然存在，多次凍融后土體強度下降明顯[18]。

2.2 強度特性

2.2.1 水泥土破壞形態

圖3(a)～3(c)為不同條件下水泥土抗折破壞形式。由圖可知，3種狀態下水泥土抗折破壞形式均為貫穿棱柱體截面的斷裂破壞。其中常溫下破壞截面較為平整，凍結狀態次之，凍融后水泥土破壞截面平整度較差，具體表現為參差不齊的破壞面，說明凍融對其結構有一定影響。

圖3(d)～3(f)為不同條件下水泥土試樣抗壓破壞形式。由圖可知，3種狀態下試樣均呈現雙剪面破壞形式，凍結狀態破壞特征較為明顯，常溫狀態次之，凍融狀態破雙剪面特征不明顯。這是因為：凍結狀態下，受水泥水化物與冰共同作用，土顆粒之間有較強的黏聚力，土體強度較大且擁有良好的塑性；對比凍結狀態，常溫狀態下土體受水泥水化物作用，土顆粒間的黏聚力相對較小，脆性較強；對比常溫狀態，凍融后土體結構受損，土顆粒間黏聚力進一步減弱，脆性相對增加。

(a) 常溫狀態下抗折破壞形式；(b) 凍結狀態下抗折破壞形式；(c) 凍融狀態下抗折破壞形式；(d) 常溫狀態下抗壓破壞形式；(e) 凍結狀態下抗壓破壞形式；(f) 凍融狀態下抗壓破壞形式

2.2.2 不同狀態下水泥土強度

經28 d標準養護，水泥土強度可達到設計強度的90%，下面以28 d(定齡期)和50%水泥摻入比(定水泥摻入比)分析水泥土強度特性，不同狀態下水泥土抗折、抗壓強度試驗曲線見圖4。

由圖4可知：常溫、凍結、凍融3種狀態下，凍結水泥土強度最大，其強度遠大于常溫和凍融水泥土，抗壓及抗折分別提高約2倍和3倍；凍融水泥土抗折及抗壓強度均略小于常溫水泥土，且水泥土凍融后其破壞應變均小于常溫及凍結水泥土，但三者破壞應變量值均不大。這是因為：對比常溫狀態，水泥土凍結后土中水變成冰，受冰的膠結作用，土體強度顯著提高；水泥土凍融后由于凍脹過程會對土體原有結構造成一定損傷，使得凍融后土體強度略有降低。圖4還表明：3種狀態下的水泥土抗折應力隨軸向變形均呈線性變化，抗折強度達到最大后，應力迅速下降，直至試樣完全斷裂，表現出脆性破壞。3種狀態下的水泥土在應變初期，壓應力與應變近似為線性關系，應力達到最大值后開始下降，直至試樣破壞，表現為塑性破壞。

(a) 抗折試驗應力～變形曲線；(b) 抗壓試驗應力～應變曲線

2.2.3 凍結水泥土抗折強度分析

水泥摻入比與齡期對凍結水泥土抗折強度影響規律見圖5，由圖5(a)可知，抗折強度隨摻入比增加呈先增大后減小的規律，存在一個最大強度摻入比45%。即摻入比為45%時，各齡期下凍結水泥土抗折強度最大。隨摻入比繼續增加，各齡期凍結水泥土抗折強度開始降低，當摻入比達到70%時，各齡期凍結水泥土抗折強度最小。其原因為：凍結條件下，水泥水化物和冰共同作用，膠結土顆粒與填充土體空隙提高土體密度，土體抗彎能力增強；隨摻入比增加，水泥土含水率增大，水泥水化物與冰的含量增大，抗折強度增大。當摻入比達到一定值后，土顆粒較少，水化物與冰的含量大，試樣逐漸趨向于純水泥與冰的性能，導致抗折強度隨摻量增加而降低。

由圖5(b)可知，高摻量的凍結水泥土抗折強度隨著齡期增長均呈對數規律下降(擬合公式見表4)，這與常規摻量的水泥土不同，對比7 d抗折強度，90 d的強度降低顯著。其原因為：短齡期時屬水化反應初期，土體受水化物與冰共同膠結作用，此時土體含水率較大，冰的膠結作用占主導，抗折強度顯著增長；隨齡期增長，水化反應消耗土中水分，水化物膠結土顆粒，土體含水率下降，凍結時土體冰含量減少，冰的膠結作用減弱，抗折強度逐漸減小；隨齡期增長水化后期水泥土含水率變化緩慢，抗折強度隨齡期的降幅也變緩。

(a) 抗折強度與水泥摻入比關系曲線；(b) 抗折強度與齡期關系曲線

2.2.4 凍結水泥土抗壓強度分析

水泥摻入比與齡期對凍結水泥土抗壓強度影響規律見圖6，由圖6(a)可知：隨水泥摻入比增加，抗壓強度增大；摻入比為70%，各齡期抗壓強度最大，分別為24.22，25.29，28.10和34.33 MPa。當水泥摻入比分別高于45%，50%時，隨摻入比增加，強度增長速率逐漸減緩。其原因為：凍結條件下，水泥水化物與冰共同作用，膠結土顆粒與填充土體空隙提高了土體密度，水泥土抗壓強度顯著提高。隨水泥摻入比不斷增加，土中水泥含量與含水率過高，水泥無法充分進行水化反應，但在水化物與冰作用下強度仍緩慢提高。隨摻入比增加而強度增長速率減緩，此時強度開始進入惰性區。

表4 ?10 ℃下水泥土抗折強度與齡期關系擬合公式

由圖6(b)可知：隨齡期增長，抗壓強度呈對數規律增大(擬合公式見表5)，齡期90 d時，各摻入比下抗壓強度最大，分別為25.30，28.19，30.36，32.59和34.33 MPa；隨齡期增大抗壓強度增長速率降低，齡期越長抗壓強度增長速率越慢。其原因為：齡期較小時，養護前期水化反應強烈且含水率較大，水化物生成量與冰含量較多，共同膠結土顆粒與填充土體空隙增加了土體密度，因此水泥土抗壓強度增長迅速；水化反應消耗水分，隨著齡期增長，水化反應后期，水化反應緩慢，土體含水率較低，水化物生成量與含冰量降低，因此水泥土抗壓強度增長減緩。固定水灰比下，隨摻入比增加，水泥土含水率增大，因此水泥摻入比越大凍結水泥土抗壓強度越大。

2.2.5 凍結水泥土抗壓強度表征參數

關于水泥土強度影響因素，國內外學者已進行了大量研究，提出了一些可預測水泥土抗壓強度的表征參數。據已有研究[19?20]，考慮溫度因素，構建包含水泥摻量和齡期的凍結水泥土強度表征參數式(1)，并建立凍結水泥土強度經驗公式式(2)。

式中：為凍結水泥強度表征參數；w為水泥摻入比；為凍結時溫度，℃；為養護齡期，d。

(a) 抗壓強度與水泥摻入比關系曲線；(b) 抗壓強度與齡期關系曲線

圖6 ?10 ℃下水泥土抗壓強度曲線

Fig. 6 Curves of compressive strength of cement soil at ?10 ℃

表5 ?10 ℃下水泥土抗壓強度與齡期關系擬合公式

式中：為凍結水泥抗壓強度，MPa；為凍結水泥強度表征參數；和為與土性、溫度、水泥摻量有關的經驗參數，與取值與具體物理意義有待進一步研究。由圖7可知凍結水泥土抗壓強度與表征參數呈較好的冪函數關系，表明經驗公式適用于凍結水泥土抗壓強度預測。由經驗公式知，可通過增大水泥摻入比及延長齡期，提高凍結水泥抗壓強度。

但過高的水泥摻入比對提高水泥土強度作用不明顯，此外凍結水泥土強度也受土類、溫度、水灰比以及養護方式等因素影響，實際工程中應充分考慮這些因素以及經濟合理性，通過強度與凍融特性研究，建議本工程可選用水泥摻入比為45%～50%，養護28 d后開始凍結。

圖7 ?10 ℃下水泥土抗壓強度與表征參數 PCT關系曲線

2.2.6 彈性模量分析

水泥土的彈性模量通常用峰值應力50%對應的割線模量表示，因此本文凍結水泥土彈性模量以土體單軸抗壓強度1/2處應力與應變比值來表征水泥土的變形特征[16]。?10 ℃下水泥土彈性模量隨水泥摻入比與齡期變化規律見圖8，與抗壓強度變化規律相似，圖8(a)表明，各齡期下彈性模量隨水泥摻入比增加而增大，且增長速率逐漸變緩。摻入比低于50%時，隨摻入比增加，彈性模量增長迅速，摻入比對彈性模量影響較大；摻入比高于50%時，彈性模量變化較緩慢，此時摻入比對彈性模量影響較小，水泥摻入比為70%時，7～90 d齡期彈性模量均最大，分別為861.62，1 005.54，1 188.45和1 781.36 MPa。由圖8(b)可知，各摻入比下，水泥土彈性模量隨齡期增長均增大，且增長速率有逐漸變緩的趨勢，同一摻入比下90 d齡期時，彈性模量最大。

(a) 彈模與水泥摻入比關系曲線；(b) 彈模與齡期關系曲線

3 結論

1) MJS水泥土擬制凍脹融沉變形顯著，水泥摻入比40%時，水泥土凍脹率和融沉系數僅分別為0.23%和0.29%，當水泥摻入比大于60%，水泥土凍脹融沉變形很小，在工程中可忽略不計。

2) 對比常溫和凍融水泥土，凍結MJS水泥土強度最大，抗壓及抗折強度分別比常溫水泥土提高約2倍和3倍，凍融后水泥土強度減小。

3) 隨水泥摻入比增加抗折強度先增大后減小，45%水泥摻入比時凍結水泥土抗折強度最大，且隨齡期增長呈對數規律降低。

4) 凍結后MJS水泥土抗壓強度隨齡期增長呈對數規律增大，隨水泥摻入比增加抗壓強度增長變化由快變慢，土體強度受凍結條件影響較大。凍結水泥抗壓強度與表征參數呈現較好的冪函數關系，可利用該經驗公式預測凍結水泥土抗壓強度。

5) MJS凍結水泥土彈性模量隨齡期增長與水泥摻入增加而增大，破壞形式為脆性破壞，且隨強度增大脆性特征越明顯。

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Study on the strength and freeze-thaw characteristics of frozen MJS cement soil

LIU Xin1, YANG Ping1, WANG Huaidong2, LI Siqi1

(1. College of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. China Railway sixth survey and Design Institute Group Co., Ltd., Tianjin 300308, China)

Based on the project of Zhongsheng station of Nanjing Metro Line 7, which is full section pressure bearing water bearing sand layer passing through the operation station, through the test and study of frozen MJS cement soil on its silty fine sand layer, this paper discusses the influence of different cement content, different ages and different states (freezing, normal temperature and freeze-thaw) of MJS cement soil on the strength change and freeze-thaw settlement characteristics of cement soil. The results show that: under the condition of MJS cement content, the frost heave thawing settlement deformation of cement soil is very small; after freezing, the strength of cement soil increases significantly, the compressive strength and flexural strength increase about 2 times and 3 times respectively, and the compressive strength of frozen cement soil increases from fast to slow with the increase of mixing ratio, and increases logarithmically with the increase of age; the flexural strength of frozen cement soil increases first and then decreases with the increase of mixing ratio, and then exists a maximum strength mixing ratio (45%), and decreases logarithmically with the increase of age; the elastic modulus of frozen cement soil increases with the increase of age and mixing ratio, and based on the experimental results, an empirical formula for predicting the compressive strength of frozen cement soil is proposed.

frozen MJS cement soil; strength; frost heave and thawing settlement; cement mixing ratio; age

TU411

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3088 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200103

2020?02?13

國家自然科學基金資助項目(51478226)；南京地鐵集團有限公司科研項目

楊平(1964?)，男，江西樟樹人，教授，從事環境巖土與地下工程的教學與研究工作；E?mail：yangping@ njfu.edu.cn

(編輯 涂鵬)