水泥改良前后土体冻结温度及力学特性试验研究

胡 俊

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

水泥改良前后土体冻结温度及力学特性试验研究

胡 俊

(海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口 570228)

为了对南京地铁10号线过江隧道盾构始发端头的加固设计提供参考依据，本文取始发端头两种典型土质进行了水泥改良前后土体冻结温度及力学特性的室内试验研究。结果表明：冻结温度均随水泥掺量和养护龄期的增大而减小，淤泥质粉质黏土的冻结温度低于粉砂、细砂的冻结温度;不同土质不同温度下的无侧限抗压强度和弹性模量均随着水泥掺量和养护龄期的增大而线性增大;不同土质无侧限抗压强度和弹性模量均随着温度的降低而线性增大。

南京地铁 冻结温度 无侧限抗压强度 弹性模量

软土地区盾构始发时应对端头土体进行加固以降低施工风险，需对端头土体进行室内试验，为盾构始发端头加固设计提供参考依据［1-4］。本文结合南京地铁10号线过江隧道东端头盾构始发工程，以该地层中两种典型土质为研究对象，针对水泥改良前后土体冻结温度及力学特性进行室内试验研究。主要比较研究两种土质在常温和 －10℃下水泥掺入比、养护龄期对水泥改良前后土体的无侧限抗压强度和弹性模量的影响规律。

1 工程背景

南京地铁10号线全长41.4 km，共设20座车站，计划于2015年上半年建成通车，是南京首条穿江地铁线路。过江隧道(单洞双线隧道)采用大直径盾构施工，起点位于长江北岸的中间风井，向东依次穿越长江北岸大堤、城南河、潜洲、长江主航道、梅子洲江防大堤，到达江心洲站，如图1所示。

盾构始发井端头所处地层自上而下依次为:①－2素填土层，②－1a2－3黏土层，②－2b－4淤泥质粉质黏土层，②－3d3－4粉砂、细砂层。端头隧道的顶板位于②－2b－4淤泥质粉质黏土层，底板位于②－3d3－4粉砂、细砂层，主要穿越②－3d3－4粉砂、细砂层。始发井地层分布如图2所示，盾构始发时所涉及土层主要物理性质见表1。根据勘察资料［5］，可知东端盾构始发井处于高水压砂性地层，该地层具有渗透系数大、地下水压力高和地层承载能力差等特点。在不良地质和高水压的不利因素影响下，盾构始发作业有很大风险，应对端头土体进行加固。因此，需要对端头土体进行室内试验，为盾构始发端头加固设计提供参考依据。

图1 南京地铁十号线过江隧道平面示意

图2 东端盾构始发井地层分布

2 室内试验安排

单因素试验安排如表2至表4所示。冻结温度试验采用南京林业大学自制热电偶测温法，试验装置主要由低温箱、试样皿和温度采集系统构成。无侧限抗压强度和弹性模量试验在南京林业大学自行研制的WTD-100B型微机控制电子式冻土压力试验机上进行。

表1 中间风井土的物理性质指标

表2 水泥掺入比、养护龄期对冻结温度影响的单因素试验安排

表3 常温和－10℃下水泥掺入比、养护龄期对无侧限抗压强度、弹性模量影响的单因素试验安排

表4 温度对无侧限抗压强度、弹性模量影响的单因素试验安排

3 试验结果与分析

3.1 水泥掺入比与养护龄期对冻结温度的影响

图3给出了水泥掺量与冻结温度的关系曲线。可以看出，虽然土质不同，冻结温度均随着水泥掺量的增大而线性降低。这是因为随着水泥掺量的增大，水泥水解用水量增大，土体中自由水含量减小，水结冰时释放的潜热减少，故冻结温度降低。

图4给出了养护龄期与冻结温度的关系曲线。可知淤泥质粉质黏土的冻结温度始终低于粉砂、细砂的冻结温度，冻结温度都随着养护龄期的增大而降低，养护龄期28 d之前冻结温度降低较快，28 d之后下降趋势明显变缓。这是因为水泥水解反应在前28 d最为激烈，故在这期间冻结温度的变化较为明显，28 d以后水泥土结构基本稳定，含水率也基本稳定，故下降趋势明显变缓。

图3 水泥掺量与冻结温度的关系

图4 养护龄期与冻结温度的关系

3.2 常温和－10℃下水泥掺入比与养护龄期对无侧限抗压强度的影响

图5为水泥掺量与无侧限抗压强度的关系曲线。可见，不同土质不同温度下的无侧限抗压强度均随着水泥掺量的增大而线性增大，粉砂、细砂的无侧限抗压强度上升较快。不同温度相同水泥掺量下粉砂、细砂的抗压强度均大于淤泥质粉质黏土。原状土时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土－10℃的抗压强度分别是常温下的292.0倍和65.0倍;当水泥掺量20%时，两种土－10℃的抗压强度分别是常温下的4.6倍和5.3倍，这说明水泥的加入对冻土无侧限抗压强度的影响是十分显著的。

图5 水泥掺量与无侧限抗压强度的关系

图6为养护龄期与无侧限抗压强度的关系曲线。可见，不同土质不同温度的抗压强度均随着龄期的增大而增大，粉砂、细砂的无侧限抗压强度上升较快。不同温度相同龄期下粉砂、细砂的抗压强度均大于淤泥质粉质黏土。养护7 d时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土－10℃的抗压强度分别是常温下的7.9倍和16.7倍;养护90 d时，两种土－10℃的抗压强度分别是常温下的5.4倍和11.2倍，这说明养护龄期的改变对冻土的无侧限抗压强度有一定的影响。

图6 养护龄期与无侧限抗压强度的关系

3.3 常温和－10℃下水泥掺入比与养护龄期对弹性模量的影响

图7为水泥掺量与弹性模量的关系曲线。可见，不同土质不同温度下的弹性模量均随着水泥掺量的增大而线性增大，粉砂、细砂的弹性模量上升较快。不同温度相同水泥掺量下粉砂、细砂的弹性模量均大于淤泥质粉质黏土。原状土时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土－10℃的弹性模量分别是常温下的106.2倍和147.1倍，当水泥掺量20%时，两种土－10℃的弹性模量分别是常温下的2.5倍和3.7倍，这说明水泥的加入对冻土弹性模量的影响是非常显著的。

图7 水泥掺量与弹性模量的关系

图8为养护龄期与弹性模量的关系曲线。可见，不同土质不同温度的弹性模量均随着龄期的增大而增大，粉砂、细砂的弹性模量上升较快。不同温度相同龄期下粉砂、细砂的弹性模量均大于淤泥质粉质黏土。养护7 d时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土－10℃的弹性模量分别是常温下的4.0倍和3.6倍;当养护90 d时，两种土－10℃的弹性模量分别是常温下的2.0倍和3.1倍，这说明养护龄期的改变对冻结水泥土的弹性模量有一定影响。

图8 养护龄期与弹性模量的关系曲线

3.4 温度对无侧限抗压强度和弹性模量的影响

图9为温度与无侧限抗压强度的关系曲线。可见，不同土质无侧限抗压强度均随着温度的降低而线性增大，相同温度下粉砂、细砂的抗压强度大于淤泥质粉质黏土。

图10为温度与弹性模量的关系曲线。可知，不同土质弹性模量均随着温度的降低而线性增大，粉砂、细砂的弹性模量上升较快。相同温度下粉砂、细砂的弹性模量大于淤泥质粉质黏土。

图9 温度与无侧限抗压强度的关系曲线

图10 温度与弹性模量的关系曲线

4 结语

本文以南京地铁10号线过江隧道盾构始发工程为例，对始发端头两种典型土质进行了水泥改良前后土体冻结温度及力学特性的室内试验，主要得出:

1)冻结温度均随水泥掺量和养护龄期的增大而减小，淤泥质粉质黏土的冻结温度低于粉砂、细砂。

2)不同土质不同温度下的无侧限抗压强度和弹性模量均随着水泥掺量的增大而线性增大。原状土时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土－10℃的抗压强度分别是常温下的292.0倍和65.0倍，弹性模量分别是常温下的106.2倍和147.1倍。当水泥掺量20%时，两种土－10℃的抗压强度分别是常温下的4.6倍和5.3倍，弹性模量分别是常温下的2.5倍和3.7倍。

3)不同土质不同温度下的无侧限抗压强度和弹性模量均随着龄期的增大而增大。当养护7 d时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土－10℃的抗压强度分别是常温下的7.9倍和16.7倍，弹性模量分别是常温下的4.0倍和3.6倍;当养护90 d时，两种土 －10℃的抗压强度分别是常温下的5.4倍和11.2倍，弹性模量分别是常温下的2.0倍和3.1倍。

4)不同土质无侧限抗压强度和弹性模量均随着温度的降低而线性增大，相同温度下粉砂、细砂的抗压强度和弹性模量大于淤泥质粉质黏土。

［1］胡俊，杨平，董朝文，等．苏州地铁一号线盾构隧道端头加固方式现场调查研究［J］．铁道建筑，2010(11):32-35．

［2］杨平，佘才高，董朝文，等．人工冻结法在南京地铁张府园车站的应用［J］．岩土力学，2003，24(增刊):388-391．

［3］谭丽华．水泥改良土冻胀融沉特性研究［D］．上海:同济大学，2008．

［4］黄峰．含盐土层人工冻土帷幕计算方法研究［D］．上海:同济大学，2008．

［5］江苏省水文地质工程地质勘察院．南京地铁十号线(西延线)DW-XK01-0000-1006标江心洲～中间风井区间岩土工程初步勘察报告［R］．南京:江苏省水文地质工程地质勘察院，2011．

Experimental study on freezing temperature and mechanical performance of soil before and after cement-improving

HU Jun

(College of Civil Engineering and Architecture，Hainan University，Haikou Hainan 570228，China)

In order to provide a reference for the reinforcement design of shield originating end in crossing-river tunnel of Nanjing Subway Line 10，this paper tested the freezing temperature and mechanical properties of two typical soils in originating end before and after the cement improvement．The experiment results showed that the freezing temperature decreases with the cement content and curing time increasing，the freezing temperature of silty clay is lower than that of sand and fine sand，the unconfined compressive strength and elastic modulus of different soils in different temperature linearly increase with the cement content and curing time increasing，and the unconfined compressive strength and elastic modulus of different soils linearly increase with the temperature decreasing．

Nanjing subway;Freezing temperature;Unconfined compressive strength;Elastic modulus

U456

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2013．04．48

1003-1995(2013)04-0156-04

2012-10-10;

2012-12-10

海南大学科研启动基金资助项目(kyqd1241)

胡俊(1983— )，男，四川乐山人，讲师，工学博士。

(责任审编 葛全红)