水泥摻量與上覆應力耦合作用下軟黏土固結滲透特性分析

孫福平,陳 杰,陸友芽,江廷薈

(1.廣西河田高速公路集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西道路結構與材料重點實驗室,廣西 南寧 530007;3.廣西交科集團有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引言

軟黏土是一類具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性和低剪切強度的細粒土,其給道路路基的設計帶來了一定的困難和挑戰性。這種軟黏土廣泛分布在我國湛江、天津、溫州等地區[1-3],其固結滲透特性引起的高沉降量和不均勻沉降現象是路基建設中常見的典型問題[4]。如何用改良軟黏土替代造價較高的換填法,并對其固結滲透特性進行評價,是未來深入研究的熱點問題。

固結滲透特性是軟黏土的重要特性之一。固結壓力是影響固結滲透性的一個重要因素,其與抗剪強度、孔隙比、屈服應力、壓縮指數和孔隙度等息息相關[5-6]。羅嗣海[7]獲取了軟黏土滲透系數與孔隙比之間的關系式,并計算了滲透系數隨固結時間的變化。蔡超等[8-9]探討了軟黏土滲透系數隨應力水平變化的規律,并提出了軟黏土固結壓力與滲透系數的定量關系,推進了滲透系數預測理論在實際工程中的應用。黃趙星等[10]對固結條件下的軟黏土孔隙演化規律進行了分析。余良貴[11]分析了沉積環境和動力特性對軟黏土滲透系數的影響。軟黏土的滲透固結規律及機理已有一定的研究,但是多聚焦于天然沉積軟黏土,對改良軟黏土的研究仍有待深入。

許多改良方法被提出并應用于軟黏土固化研究當中,包括電滲加固、石膏、石灰、粉煤灰、水泥等[12-14]。水泥材料較為廉價,是實際工程中應用最廣的技術之一。學者們針對水泥改良軟黏土(CMSC)的力學強度開展了較多研究。Walske等[15]研究了在現場養護條件下溫度和壓力對水泥填充材料的強度的影響。Subramaniam等[16]研究了低水泥含量(2.5%～10%)固化穩定軟黏土的應力-應變行為和臨界狀態參數,并提出了經驗公式預測臨界狀態參數。Wang等[14]研究了90天長期固穩定條件下水泥固化軟黏土的強度和變形規律。Liu等[17]通過現場測試和數值模擬,研究了水泥漿濃度和原位含水量條件下的固化效果。總之,在軟黏土中添加水泥會增加剛度和強度,降低延展性和壓縮性,使其屈服應力增加,孔隙比急劇下降[18];膠結產物如鋁酸鈣水合物(CAH)、硅酸鈣水合物(CSH)和硅酸鋁鈣水合物(CASH)將增加顆粒之間的粘結,減小了孔隙尺寸,并提高強度[19-20]。綜上可知,對于處理過的軟黏土,巖土工程特性取決于固結效應和化學反應,學術界已對水泥的改性機理展開了大量研究,然而鮮有研究考慮上覆應力條件與水泥摻量比的耦合作用下軟黏土的固結滲透特性。

本文將針對水泥改良軟黏土開展試驗研究,探討CMSC的固結滲流變化規律,闡明水泥改良劑對軟黏土固結滲透特性的影響。通過分析上覆應力和水泥摻量比的耦合效應,研究不同條件下的CMSC固結壓縮規律以及滲流規律,查明影響CMSC固結滲流特性的主要因素,為軟黏土地區路基填筑工程提供理論參考及技術依據。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

軟黏土試樣取自湛江某公路項目建設現場,深度為3～4 m。該場地軟黏土含水量高、壓縮性高、強度低、含粉量高,其基本參數如表1所示。

表1 軟黏土的基礎物理性能指標表

試驗所用水泥為32.5級華新牌普通硅酸鹽水泥,初凝時間約為4 h。

1.2 試驗材料

將現場取回的試樣自然風干,用橡膠錘碾碎,過2 mm孔徑的圓孔篩備用。將過篩后的風干土與水泥混合均勻,調制成初始含水率為35%的土樣,并壓制成直徑61.8 mm、高度為20 mm、干密度為1.12 g/cm3的試樣塊。采用水泥摻量比η為0、5%、10%、15%、20%、25%進行試驗,其中15%預估為綜合經濟性考慮后實際工程中抗剪強度較高的水泥摻量比[21]。在調制過程中,分兩次加入設計水量:第1次噴灑一定的水量到混合土樣中,使其含水率達到30%的狀態,然后將其密封在塑料袋中48 h,保證水泥的水化反應充分;第2次噴灑5%的含水率,并密封悶料24 h,隨后壓制成擬定尺寸的試樣塊。

本研究采用自制的固結滲透儀進行固結滲流試驗。該裝置由常規固結儀經過簡單改裝后制作而成,可在每級荷載加載完成且試樣固結穩定后,施加設定的水頭進行變水頭滲透試驗,從而得到每一級固結應力下的滲透性。具體改裝方法可參考Tavenas等[22]的研究。固結過程中,按照《土工試驗方法標準》(GB 50123-2019)的固結試驗方法施加上覆應力。

2 試驗結果與分析

2.1 固結試驗結果

通過一維固結試驗,分析了不同上覆壓力下CMSC壓縮指數(Cc)、孔隙比(e)和壓縮模量(Es)的變化規律。

CMSC的孔隙比參數通過He等[23]提出的方法進行計算。通過不同摻量比η的CMSC固結試驗,獲取的e-lgp曲線以及εa-p(主應變-上覆應力)曲線如圖1所示。

圖1 e-lgp曲線圖

由圖1可知,低摻量比CMSC的e-lgp曲線和εa-p曲線均呈現典型的高壓縮性特征。由εa-p曲線可知,隨著摻量比η的增長,相同上覆應力下主應變逐漸減小,屈服應力增大,可見改良土剛度和壓縮強度閾值增大。隨著固結應力的增長,5%與10%摻量比的e-lgp關系曲線逐漸重合,15%～25%摻量比的e-lgp關系曲線在另一趨勢線上重合。根據固有壓縮特征理論[24],這反映了一定摻量比η范圍內CMSC具有相同的固有壓縮特征。可認為η≤10%的CMSC具有同一種壓縮特性,反之η>10%的CMSC具有另一種壓縮特性。在工程應用中,需要根據摻量比的固有壓縮特征預估路基等構筑物的沉降。

采用p=100～200 kPa的割線斜率對CMSC的壓縮性進行評價,即:

(1)

式中:pi——某i級壓力值(kPa)。

根據式(1)計算的壓縮系數α1-2見圖2。壓縮模量Es也是評價土體壓縮性的重要指標之一,其反映了土體在側限條件下,豎向上覆應力與主應變增量的比值,該指標計算式如下:

圖2 固結指標隨摻量比變化關系擬合曲線圖

(2)

式中:e0——初始孔隙比。

采用p=100～200 kPa的壓縮模量對CMSC的壓縮性進行評價。根據式(2)計算的壓縮模量E1-2見圖2。為了對高上覆應力狀態下CMSC的壓縮變形特征進行分析和評價,采用壓縮指數Cc進行分析,壓縮指數的計算式如下:

(3)

式中:上覆應力p取400 kPa以上的高上覆應力,計算結果見圖2。

由圖2可知,η=0時,軟黏土的壓縮系數α1-2較高,隨著η的增長,壓縮系數α1-2明顯降低,壓縮指數Cc略有降低。壓縮指數Cc下降趨勢小,這是因為在高應力范圍內上覆應力是影響CMSC壓縮性的主要因素。壓縮系數α1-2的變化關系曲線與壓縮指數Cc的變化關系曲線在摻量比約為15%時相交,說明采用此摻量比能獲取較為適中的壓縮性。壓縮系數、壓縮模量、壓縮指數分別與η呈線性變化關系,回歸擬合關系見式(4):

(4)

為了進一步分析不同上覆應力狀態下CMSC的孔隙比隨摻量比η的變化規律,分別取最大上覆應力p=100 kPa下的孔隙比與初始孔隙比之差Δe1=e100-e0、最終孔隙比與初始孔隙比之差Δe2=em-e0進行分析。孔隙比指標隨摻量比的變化關系見圖3。

圖3 孔隙比指標隨摻量比變化關系擬合曲線圖

由圖3可知,最終孔隙比em隨摻量的增長而增長,說明摻量比的提高能顯著減小土體的壓縮性。這也是Δe1和Δe2隨摻量比η升高而降低的原因。Δe1的下降趨勢比Δe2的下降趨勢較緩,說明100 kPa以下的上覆應力較小,無法破壞水化物的膠結效應。換言之,在低上覆應力的條件下,水泥摻量是影響CMSC壓縮性的主要因素。結合圖2可知,在中等應力范圍內(100～400 kPa),水泥摻量比仍是影響CMSC壓縮性的主要因素。孔隙比指標隨摻量比變化關系如下:

(5)

2.2 滲透試驗結果

由圖4可知,當上覆應力p<10 kPa時,滲透系數降低幅度較小;當10 kPa≤p<400 kPa時,滲透系數的降低幅度較大,滲透系數的變化主要發生在此上覆應力范圍內;當p≥400 kPa時,不同摻量比的CMSC的滲透系數相差不大,此時摻量比已難以對滲透系數產生影響。隨著上覆應力p的升高,不同摻量比CMSC的滲透系數變化趨勢不同。根據滲透系數變化拐點連成一條曲線AB。由曲線AB可知,拐點隨摻量比的變化而增大,說明水泥摻量比顯著影響低上覆應力范圍內CMSC的滲透性。

圖4 滲透系數與上覆應力的變化關系曲線圖

在極低應力范圍(p<10 kPa)內,水泥摻量比對CMSC的滲透性起主導作用;在高應力范圍(p≥400)內,上覆應力對CMSC的滲透性起決定作用。這是由于高上覆應力條件下,土體中較大的孔隙已被擠壓重組為小孔隙,此時水化產物無法填充進入這些微孔隙中。當上覆應力在10～400 kPa內,上覆應力與水泥摻量比的耦合作用最為復雜,為了進一步分析上覆應力與水泥摻量比的耦合效應,分別取12.5 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下滲透系數與摻量比的變化關系曲線進行分析,如圖5所示。

圖5 滲透系數與摻量比的變化關系擬合曲線圖

由圖5可知,隨著上覆應力的增長,變化關系曲線斜率越小。當p≥200 kPa時,變化關系曲線逐漸趨近于水平線。因此可知,p<200 kPa時,水泥摻量比仍是影響CMSC的主要因素。對于道路路基而言,一般其上覆應力較小,因此實際工程中應主要考慮水泥摻量比對CMSC滲透性的影響。

當p=400 kPa和p=10 kPa的滲透系數變化關系曲線相互連接,可形成梯形ABCD。可采用該梯形邊界的線性關系,預測不同摻量比和上覆應力條件下CMSC的滲透系數,從而便于實際工程應用中對CMSC摻量比進行精細設計。不同上覆應力下滲透系數k與摻量比的關系如下:

(6)

3 結語

(1)摻入水泥可改變軟黏土的固有壓縮特性,計算路基等構筑物的沉降量時,需要根據不同摻量比CMSC的固有壓縮特征進行評估。

(2)當p<400 kPa,水泥摻量是影響CMSC壓縮性的主要因素。路基填筑等工程應用中,建議采用摻量比η=15%,能獲取較好的壓縮性。

(3)當p<200 kPa時,水泥摻量比是CMSC滲透性的主要影響因素。對于路基填筑工程而言,應主要考慮水泥摻量比對CMSC滲透性的影響。

(4)根據本研究提出的滲透系數與摻量比的經驗關系,可采用線性插值法預估CMSC改性軟黏土路基的滲透系數。