干濕-凍融循環下水泥固化淤泥土的力學性能與裂隙發育特征

2021-02-23 01:48:34陶攀

硅酸鹽通報 2021年1期

陶攀

(黃河水利職業技術學院水利工程學院，開封 475004)

0 引言

我國長江三角洲流域和沿海地區有大量淤泥質土體[1]。這種土體主要由碎屑礦物和黏土礦物組成，具有孔隙度高，壓縮性強，強度低等工程特性。淤泥土具有較強的壓縮性和明顯的裂隙性與節理發育特性，且易受賦存條件變化的擾動所影響[2]。在環境與荷載影響下，淤泥土內部易受到結構性擾動，引起地基土的附加變形，從而使得上層建筑的穩定性受到嚴重影響[3]。在天然的狀態下，相關地區的淤泥土有一定的承載能力，但受到凍融、干濕循環等作用的影響后，力學性能會大幅下降[4]。

為了改善普通淤泥土的力學性能，工程中常采用水泥攪拌加固法進行改性。經過水泥攪拌加固法處理后，形成的水泥固化土是由土顆粒、水泥顆粒及其它外加劑按一定比例混合、攪拌并養護形成的穩定復合材料，其力學性能明顯提高[5]。由于季節性氣候的更替，天然狀態下的土體水分賦存狀態有明顯變化，降雨入滲-蒸發作用與水分凍結-融解作用均會對土體工程性能產生影響。當前，已有許多學者對水泥固化土的力學特性和細微觀結構受環境效應的影響進行了研究，積累了較為全面的試驗資料，例如：李芳菲等[8]通過對經歷反復干濕循環作用的水泥固化淤泥試樣開展力學測試，發現干濕循環次數、水泥摻量對抗剪強度指標存在明顯的影響。陳四利等[9]基于三軸壓縮試驗分析了凍融循環作用對水泥固化土的影響，發現凍融循環作用大幅降低了水泥固化土的強度與變形模量。汪洪星等[10]對水泥改性淤泥土開展了電鏡掃描和壓汞分析等細觀測試，分析了干濕循環對土體內部細觀結構的侵蝕特征。Yan等[11]對經歷多次凍融循環作用的水泥固化土開展CT掃描實驗，定量分析了孔隙的演化規律，并探討了試樣內部微觀結構的變異機理。然而，當前的研究主要關注一種環境效應，就干濕和凍融兩種條件影響下的水泥固化土強度變化規律及機理的認識還有所欠缺。

以水泥固化淤泥土為研究對象，利用三軸固結排水剪切試驗與CT掃描試驗對試樣的強度特性與裂隙特點進行了分析，并從宏-微觀的角度評價了水泥土受干濕-凍融循環影響的規律，為深入認識水泥固化土工程性能提供了參考。

1 實驗

1.1 原材料

圖1 淤泥土的顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of silty mud soil

1.1.1 淤泥土試樣

本文所用的淤泥土取樣地區為上海浦東地區某濱海地層，采用鉆孔取芯法沿深度取樣。該淤泥土樣品取樣深度為地下4～5 m，顏色呈灰褐色。對土樣開展基本物理學性能測試，結果如表1所示。由表1可知,土體的天然含水率較高，滲透系數為2.05×10-6cm/s，同時具有高液限和高孔隙比的特點。根據XRD衍射試驗結果，發現礦物成分包括高嶺石(35.1%，質量分數，下同)、伊利石(15.4%)、蒙脫石(21.2%)、石英(27.1%)和綠泥石(2.2%)。對淤泥土采用篩分法和比重瓶法開展土顆粒粒徑分布分析，得到的土體顆粒級配曲線如圖1所示，結果表明采用比重瓶法進行測試時，在溶液中加入分散劑可以使團聚狀的黏土顆粒分散，從而提高顆粒粒徑分布測量的準確度。

表1 淤泥土的基本物理力學性質Table 1 Basic physical and mechanical properties of mud soil

1.1.2 水泥

采用普通硅酸鹽水泥對淤泥土進行改性處理，該水泥來自蕪湖市海螺水泥集團有限公司，細度模數為2.28，比表面積為2 975 cm2/g，終凝時間為4.2 h，經過28 d標準養護后的試件立方體抗壓強度為48.5 MPa。

1.2 試樣制備

采用分層擊實的方法進行試樣的制備，得到的水泥固化淤泥土樣品尺寸為直徑38 mm，高度80 mm。按照天然含水率進行水泥固化淤泥土的配制，改性土硅酸鹽水泥的摻量為5%。制備水泥固化淤泥土試樣后，對普通淤泥土和水泥固化淤泥土進行掃描電子顯微鏡(SEM)試驗，結果如圖2所示，可以看出普通淤泥土內部的黏土顆粒呈扁平片狀結構，石英顆粒呈塊狀，土顆粒間孔隙多且大。采用水泥對淤泥土進行固化改性后，土顆粒間形成具有凝膠性的膠結物質，孔隙充填膠結程度提高，顆粒的膠結緊密程度增加。

圖2 水泥改性前后淤泥土的SEM照片Fig.2 SEM images of mud soil with and without cement modification

1.3 干濕-凍融循環試驗

對制備的水泥固化淤泥土試樣進行反復干濕-凍融循環試驗，該試驗經過飽和-干燥和凍結-融解4個步驟。首先，將試樣放入不銹鋼制飽和器內，采用抽氣飽和法在室溫(25 ℃)條件下對土樣進行飽和，飽和時間為12 h；再將飽和試樣取出放在室溫條件下自然風干，風干時間為24 h；然后，將風干土樣放入低溫冷凍箱中，在-20 ℃的環境中凍結48 h；最后，將冷凍試樣放入干燥箱中，并在溫度30 ℃，相對濕度60%左右的環境中靜置48 h，使土樣完全融解。

1.4 力學與細觀結構測試方法

1.4.1 三軸剪切試驗

利用土工三軸剪切儀對水泥固化淤泥土試樣開展三軸固結不排水剪切測試，圍壓設置為50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，軸向變形的加載速率設置為0.02 mm/min，初始的軸向應變為0%,持續剪切直至試樣軸向應變約為18%。變形中的應力-應變曲線由計算機系統記錄，強度參數按《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)中的規定來確定。

1.4.2 CT掃描

為了探討干濕-凍融循環作用引起的水泥固化淤泥土裂隙演化的規律，對不同循環次數下的土樣開展CT掃描。CT試驗采用美國BIR儀器公司生產的ACTIS型微焦點X射線工業CT掃描儀，獲取的CT圖像分辨率為約60 μm左右。對CT圖像進行二值化顯示處理，通過統計裂隙像素點數量而提取出裂隙的面積指標，計算土體的裂隙率。

2 結果與討論

2.1 水泥固化淤泥土的力學行為

圖3所示為由三軸剪切試驗得到的不同循環次數下土體的應力-應變曲線。結果表明，在三軸荷載作用下，隨著軸向應變增加，大多數曲線的應力在達到峰值后沒有明顯的下降，說明不同干濕-凍融循環次數下的土體應力-應變曲線基本符合應變硬化的特點，可采用軸向應變ε=15%作為抗剪強度對應的應變值[12]。隨著凍融循環次數的增加，水泥固化淤泥土的剪切強度逐漸衰減，且第一次循環后的強度下降幅度最大。另外，5～10次循環之間的強度衰減速度相對較小，即干濕-凍融循環作用對水泥固化淤泥土的損傷程度在后期逐漸穩定。三軸剪切試驗的結果說明水泥固化淤泥土力學性能受干濕-凍融循環的影響較為嚴重。

由摩爾-庫倫強度破壞準則計算了水泥固化淤泥土的抗剪強度參數，即黏聚力c和內摩擦角φ。對抗剪強度參數與干濕-凍融循環次數進行回歸分析，得到的結果如圖4所示，可以看出水泥固化淤泥土初始黏聚力為50.5 kPa，內摩擦角為14.1°，經過多次循環處理后的土體強度參數漸次下降；10次循環后的土體黏聚力降為24.7 kPa，降幅達50.3%，內摩擦角降為11.3°，降幅為19.8%。說明干濕-凍融循環對黏聚力的影響遠大于內摩擦角。對水泥固化淤泥土強度參數進行數據擬合后發現黏聚力與循環次數為指數型函數關系，而內摩擦角與循環次數呈線性關系，結果如式(1)和(2)所示。

圖3 不同循環次數下土體的應力-應變曲線(τp表示最大剪切應力)Fig.3 Stress-strain curves of soil with different cycles (τp is the max shear stress)

圖4 強度參數與循環次數的關系Fig.4 Relationship between shear strength parameters and times of cycles

(1)

φ=14.26-0.264n

(2)

式中:c代表黏聚力,KPa；φ代表內摩擦角,(°)；n代表凍融循環的次數。

2.2 水泥固化淤泥土的裂隙特征

對經過0次、1次、2次、5次和10次干濕-凍融循環后的水泥固化淤泥土試樣進行工業CT掃描測試，原始CT掃描圖像如圖5所示，該圖像對裂隙的識別程度不高，需要進一步處理。利Image J軟件將原始的CT圖像進行二值化處理，同時提取出裂隙形態特征，結果如圖6所示。

圖5 不同循環次數下試樣的裂隙特征Fig.5 Fracture characteristics of samples with different cycles

不同干濕-凍融循環次數下的二值化圖像顯示，干濕-凍融循環作用對水泥固化淤泥土的裂隙演化有明顯的影響。未經干濕-凍融處理的土體內部未出現較大裂隙；經過1次干濕-凍融循環后，土體內部出現了長度和寬度較小的兩條裂隙； 2次循環后的新生裂隙數量和尺寸均有所增加，裂隙連通程度也相應提高；在經過5次循環后，裂隙數量與尺寸繼續增加，裂隙連通程度大大提高；在5～10次循環過程中，新生裂隙數量沒有明顯增加，但裂隙連通性進一步提高，裂隙寬度明顯增加。

圖6 不同循環次數下的二值化裂隙圖像Fig.6 Binary crack image of samples with different cycles

對二值化圖像中裂隙的像素點數量進行統計，計算了不同干濕-凍融循環次數下水泥固化淤泥土的裂隙面積An。根據式(3)計算了不同試樣的裂隙率Rn，由裂隙率可以量化土體的結構性損傷程度[13]。

(3)

式中：Rn為裂隙率；Ac,n為裂隙的像素覆蓋面積；An為CT圖像的總像素覆蓋面積。

由式(3)得到的裂隙率Rn和干濕-凍融循環次數n的關系曲線如圖7所示?？梢钥闯鏊喙袒倌嗤恋牧严堵逝c干濕-凍融循環次數之間呈指數型關系，表達式如式(4)所示。裂隙率和循環次數擬合曲線與實測數據的相關性系數為0.95，說明采用式(4)可以有效地預測土體裂隙率Rn的發展趨勢。

(4)

式中：Rn為水泥固化淤泥土的裂隙率;n為干濕-凍融循環次數。

由三軸剪切試驗的結果發現水泥固化土抗剪強度指標隨干濕-凍融循環次數增加而衰減，由CT圖像計算的裂隙率隨循環次數增加而升高。為了分析力學性能與裂隙損傷程度的相關性，建立裂隙率Rn與抗剪強度參數(黏聚力c、內摩擦角φ)的直角坐標系，用線性擬合的方法分析兩者之間的數學關系，結果如圖8所示。裂隙率與強度指標之間擬合公式的確定性系數超過了0.95，說明利用裂隙率可以較為準確地對強度指標進行預測[14]。

圖7 裂隙率與循環次數的關系Fig.7 Relationship between crack ratio and times of cycles

圖8 抗剪強度參數與裂隙率的關系Fig.8 Relationship between shear strength parameters and fracture ratio

2.3 水泥固化淤泥土的微觀結構特征

為了研究干濕-凍融循環對水泥固化淤泥土微觀結構損傷機理，對不同干濕-凍融循環次數(0次、2次、5次和10次)下的水泥固化淤泥土試樣開展掃描電鏡(SEM)試驗，得到放大500倍的SEM照片，結果如圖9所示。初始狀態下的水泥固化淤泥土內部結構比較密實，裂隙少且小。經過干濕-凍融循環后，水泥固化淤泥土的微觀結構有明顯變化，裂隙開始擴大，土顆粒結構逐漸疏松。究其原因，在反復干濕-凍融循環作用下，水泥固化淤泥土顆粒間的孔隙水不斷發生相變?？紫端恼舭l和凍結過程使得水泥固化淤泥土內部的土顆粒不斷發生膨脹和收縮作用，水泥基的凝膠膠結物質在水的作用下逐漸溶解，黏土間的密實度不斷降低，進而削弱了土體力學性能。由于黏聚力主要取決于土顆粒間的黏結強度，受水泥凝膠結構的影響較大，而內摩擦角取決于土顆粒接觸關系，干濕-凍融循環作用主要使得水泥膠結物質流失，故黏聚力下降幅度遠大于內摩擦角[15]。