冻融水泥土力学特性试验研究

董 慧，胡 俊，刘 勇

((1．南京铁道职业技术学院动力工程学院，南京210031;2．海南大学土木建筑工程学院，海口570228;3．新加坡国立大学土木与环境工程系，新加坡肯特岗117576)

人工冻结法施工可在复杂的工程地质和水文地质条件下形成冻土墙，具有严格的防水性和无污染性，可用来解决传统岩土工程方法难于解决的问题，由于该工法施工引起的冻胀融沉量较大，常对地下管线、地面交通和建筑物产生破坏作用，抑制冻胀防止冻融下沉，是冻结法在地铁以及城市岩土工程的主要课题之一［1-5］。采用人工冻结支护方式施工时，如在冻结施工前先对冻结区土体进行水泥土改良，然后再进行冻结施工则可阻断冻结时水份迁移的通道，起到既提高加固区土体强度，又减小冻胀融沉的双重作用。

“水泥土改良地层冻结法”理论上讲可以达到控制冻胀融沉的目的［6-10］，但该方法目前缺乏工程经验和系统研究，难以推广应用。为促进“水泥土改良地层冻结法”在地下工程中的推广应用，本文采用室内试验方法对冻融水泥土力学特性进行系统研究，研究结果可为“水泥土改良地层冻结法”施工提供参考依据。

1 室内试验安排

1．1 试验土料

本文试验土料选用取自深基坑的淤泥质黏土，水泥采用PS325#矿渣硅酸盐水泥。制样时先根据试验设计称量规定数量的干土和水泥进行搅拌，待搅拌均匀后，按照试验设计加入规定数量的水制作水泥土原料。试样制作采用分层(3层)压样法制作，在压实过程中保证每层土成型高度相同，加工成形的试样密度与要求密度之差不得大于±0．01 g/cm3、含水率与要求含水率之差不大于±1%。

1．2 试验安排

对冻融水泥土进行无侧限抗压强度试验，研究水泥掺量、含水率、受冻温度、水泥土龄期、水泥土密度和冻融循环次数对冻融水泥土力学性能的影响规律。具体试验安排见表1。

表1 冻融水泥土无侧限抗压强度试验安排Tab．1 Arrangment of unconfined compressive test of freeze-thaw cement-treated soil

1．3 试验方法

试验按《土工试验方法标准》GB/T50123-1999进行［11］，冻融水泥土无侧限抗压强度试验采用微机控制电液伺服压力试验机进行，试样尺寸为7．07 cm ×7．07 cm ×7．07 cm。

2 试验结果与分析

2．1 冻融水泥土的无侧限抗压强度

冻融水泥土无侧限抗压强度与受冻温度的关系曲线如图1所示。由图可见，随着水泥土受冻温度的降低，冻融水泥土的无侧限抗压强度逐渐减小，水泥土受冻温度为-5℃时，冻融水泥土无侧限抗压强度为0．58 MPa，当受冻温度降低到-25℃时，冻融水泥土无侧限抗压强度缩小为0．49 MPa。产生上述现象的原因在于，水泥土冻融时，因水相变成冰和冰相变成水的过程会破坏水泥土原有的结构，对水泥土结构造成损伤，水泥土受冻温度越低，冻胀融沉越强烈，对水泥土结构造成的损伤越严重，水泥土强度损失越大，故随着水泥土受冻温度的降低，冻融水泥土的无侧限抗压强度逐渐减小。

图1 冻融水泥土无侧限抗压强度与受冻温度关系Fig．1 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against temperature

冻融水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量的关系曲线如图2所示。由图可见，随着水泥掺量的增加，水泥土及冻融水泥土的无侧限抗压强度均增大，究其原因，随着水泥掺量的增加，水泥和土颗粒形成稳定的水泥石骨架结构并且强度逐渐提高，引起土体抗压强度的增长。由于冻融水泥土冻融时水泥石骨架结构受到损伤，引起强度损失，故不同水泥掺量的冻融水泥土无侧限抗压强度均小于相同掺量的未冻融水泥土。

图2 冻融水泥土无侧限抗压强度与水泥掺量关系Fig．2 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against cement content

冻融水泥土无侧限抗压强度与龄期的关系曲线如图3所示。由图可见，不同龄期的冻融水泥土无侧限抗压强度均小于同龄期的未冻融水泥土强度;随着龄期的增加，冻融水泥土的无侧限抗压强度逐渐增大。产生上述现象的原因是，龄期越长，水泥水化越充分，形成的水泥土结石体强度越高，同时由于不同龄期的水泥土干密度和含水率差别较小，孔隙率相近，冻融时对水泥石骨架结构的损伤程度相似，故随着龄期的增加，冻融水泥土的无侧限抗压强度逐渐增大。

图3 冻融水泥土无侧限抗压强度与龄期的关系Fig．3 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against curing time

冻融水泥土无侧限抗压强度与初始含水率的关系曲线如图4所示。由图可见，随着含水率的增加，冻融水泥土及未冻融水泥土的无侧限抗压强度均逐渐减小，且冻融水泥土强度减小的幅度更大。产生上述现象的原因是，含水率越高，结合水膜越厚，土颗粒间起润滑作用的水越多，水泥土粘聚力越低，土颗粒间的摩擦力越小，故水泥土强度越小。

当含水率升高时，一方面会引起未冻融水泥土强度降低，另一方面由于含水率大，冻结时有更多的水相变成冰，产生更大的膨胀变形，使水泥石骨架结构受到更严重的损伤，强度损失相应增加，故随含水率增多，冻融水泥土无侧限抗压强度有更大的降幅。

冻融水泥土无侧限抗压强度与干密度的关系曲线如图5所示。由图可见，随着干密度增加，水泥土无侧限抗压强度逐渐增大，原因是干密度越大，水泥土越密实。

图4 冻融水泥土无侧限抗压强度与初始含水率的关系Fig．4 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against initial moisture content

图5 冻融水泥土无侧限抗压强度与干密度的关系Fig．5 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against dry density

随着干密度增加，冻融水泥土无侧限抗压强度总体上呈上升趋势，但是增长幅度小于未冻融水泥土，究其原因，干密度增大，一方面引起水泥土强度提高，另一方面，由于干密度增加导致孔隙率减小，冻结时容纳冰晶自由膨胀的空间减小，相同含水率时会对水泥石骨架结构产生更重的损伤，引起更多的水泥土强度损失，这种强度损失与干密度增大引起的水泥土强度增长相互抵消，使冻融水泥土无侧限抗压强度的增幅减小。

2．2 冻融水泥土的应力应变关系

水泥土冻融前后的应力应变曲线如图6所示。由图可见，水泥土冻融前后应力应变曲线形式相似，均呈应变软化型，试样呈脆性破坏形式，但水泥土经过冻融循环后，其峰值强度明显降低，初始切线模量减小，破坏后的残余强度也减小。水泥土冻融循环后强度衰减的原因在于，土体中掺入水泥后，水泥水化时产生大量的针状、纤维状晶体，这些晶体相互交错，形成三维网格，这种三维晶体网格使水泥土具有一定的结构性，水泥土冻结时由于土中水相变成冰后体积增大，对三维晶体网格产生张拉效应，使水泥水化晶体部分断裂，引起三维晶体网格的损伤，破坏了水泥土原有的结构，致使水泥土强度降低，弹性模量减小。

图6 水泥土冻融前后的应力-应变曲线Fig．6 Stress-strain relationship before and after freeze-thaw cycle

2．3 冻融循环对冻融土力学性能的影响

冻融水泥土无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系曲线如图7所示。由图可见，随着冻融循环次数的增加，冻融水泥土无侧限抗压强度逐渐减小。产生该现象的原因是，水泥土冻融过程中因水相变成冰体积膨胀，对水泥石骨架结构产生张拉效应，引起水泥石骨架结构损伤，每一次冻融循环都会经历一次水冰相变，都会对水泥石骨架结构产生一次损伤，故随着冻融循环次数的增加，水泥石骨架结构损伤越来越严重，冻融水泥土强度也越来越低。

图7 冻融水泥土无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系Fig．7 Unconfined compressive strength of freeze-thaw cement-treated soil against number of freeze-thaw cycles

由图7曲线可以看出，第1次冻融循环，冻融水泥土强度损失24%，2、3次冻融循环，冻融水泥土强度损失增加了9%，4到15次冻融循环，冻融水泥土强度损失增加了24%，平均每次冻融循环强度损失为2%，表明前期的冻融循环对水泥土强度损失有更大的影响。

3 结束语

本文对冻融水泥土进行了无侧限抗压强度试验，研究了水泥掺量、含水率、土体温度、水泥土龄期、水泥土密度等因素对冻融水泥土应力应变关系、强度和弹性模量的影响规律，主要得出:

(1)随着水泥土受冻温度的降低，冻融水泥土的无侧限抗压强度逐渐减小;随着水泥掺量的增加，水泥土及冻融水泥土的无侧限抗压强度均增大，不同水泥掺量的冻融水泥土无侧限抗压强度均小于相同掺量的未冻融水泥土;不同龄期的冻融水泥土无侧限抗压强度均小于同龄期的未冻融水泥土强度;随着龄期的增加，冻融水泥土的无侧限抗压强度逐渐增大;随着含水率的增加，冻融水泥土及未冻融水泥土的无侧限抗压强度均逐渐减小，且冻融水泥土强度减小的幅度更大;随着干密度增加，冻融水泥土无侧限抗压强度总体上呈上升趋势，但是增长幅度小于未冻融水泥土。

(2)水泥土冻融前后应力应变曲线形式相似，均呈应变软化型，试样呈脆性破坏形式，但水泥土经过冻融循环后，其峰值强度明显降低，初始切线模量减小，破坏后的残余强度也减小。

(3)随着冻融循环次数的增加，冻融水泥土无侧限抗压强度逐渐减小，前期的冻融循环对水泥土强度损失有更大的影响。

［1］胡 俊．盾构隧道端头垂直冻结加固不同冻结管直径的温度场数值分析［J］．铁道建筑，2014(9):57-60．

［2］胡 俊，杨 平．大直径杯型冻土壁温度场数值分析［J］．岩土力学，2015，36(2):523-531．

［3］王效宾，杨 平．基于BP人工神经网络的冻土融沉系数预测方法研究［J］．森林工程，2008，24(5):18-21．

［4］胡 俊，张皖湘，曾晖．盾构隧道端头杯型冻结壁加固温度场数值分析［J］．路基工程，2015(4):20-22．

［5］胡 俊，张智博，巢 达，等．不同工况下盾构始发掘进的数值分析［J］．铁道建筑，2013(6):57-60．

［6］谭丽华．水泥改良土冻胀融沉特性研究［D］．上海:同济大学，2008．

［7］胡 俊．高水压砂性土层地铁大直径盾构始发端头加固方式研究［D］．南京:南京林业大学，2012．

［8］胡 俊，张皖湘．盾尾刷更换时冻土帷幕强度数值分析［J］．低温建筑技术，2015(6):123-125．

［9］胡 俊．水泥改良前后土体冻结温度及力学特性试验研究［J］．铁道建筑，2013，18(4):156-159．

［10］胡 俊，杨 平，董朝文，等．盾构始发端头化学加固范围及加固工艺研究［J］．铁道建筑，2010，15(2):47-51．

［11］土工试验方法标准［2007版］(GB/T 50123-1999)．北京:中国计划出版社，2000．