低温下水泥改性弱膨胀土抗压性能试验与分析

马芹永，钱叶宇

(1. 安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

水泥改性土和人工冻结法在地铁、综合管廊等地下工程施工中应用广泛[1-3]。综合考虑安全、成本、工期等因素后，许多工程或单独或联合运用两种方法。

在水泥改性和冻结法施工设计中，水泥掺量和相应的无侧限抗压强度是重要的参数，是实现施工安全性和经济性相统一的重要指标。

部分联合采用两种方法的工程实例如下。文献[4]在冻结法施工中，采用融沉注浆技术，有效地控制了解冻后地表沉降。文献[5]在无锡地铁盾构接受处采用了水平冻结+管棚注浆的方式，保证了施工的安全。文献[6]在某联络通道冻结施工前，对地层进行预注浆加固处理，取得了良好的效果。文献[7]进行了砂层注浆浆液扩散模式的研究，优化了注浆工艺。文献[8]用水泥土桩未能阻涌水涌砂，采用液氮快速冻结加固地层，阻止了问题进一步发展。

上述实例表明，水泥加固和冻结法加固两种方法，难以独立承担复杂地层条件下的施工任务。与其在隐患甚至事故发生时采用补救措施，不如在施工前进行全面设计，两种方法联合运用，仅按止水要求设计冻结温度和冻结壁厚度，而综合考虑水泥加固和冻结条件下的地层承载力，从而相对节约成本，提前消除重大安全隐患。

文献[9]通过实验得出，水泥固化土的抗压强度主要取决于水泥掺量，其次是原料土的含水率。文献[10-11]研究了含水率、空隙率和水泥掺量对水泥改性粉土强度的影响。文献[12]研究了碳化作用对水泥改性石英砂强度特性的影响。文献[13]探究了含煤偏高岭土对水泥改性粉土抗压强度和渗透性的影响及机理。文献[14]从微观和化学反应的角度研究了不同养护条件下水泥改性土的强度增长机理。文献[15]进行了水泥土无侧限抗压强度表征参数的研究。文献[16]进行了膨胀土水泥改性试验，研究了水泥改性对抑制膨胀土强度软化、模量减小的效果。文献[17]从微观角度，研究了水泥对膨胀土的改性机理。文献[18]研究了不同冻结温度下黏土和砂土的单轴抗拉，抗压强度，并得到了相应的压拉比。文献[19]研究了饱和软黏土在温度、应变速率、含水率和干密度等影响因素下单轴抗压强度的变化规律。文献[20-21]探究了冻土单轴抗压强度与含盐量、含水率、负温的关系。文献[22]对含硫酸钠渠基土进行了不同含盐量和干密度下的强度特性研究。文献[23]研究了高温高含冰量冻结黏土的单轴抗压强度特性。

目前对不同土质的冻土无侧限抗压强度研究较多，而对冻结水泥土的强度性质研究较少。文献[24]通过水泥改性上海灰黄色粉砂，得到了针对该土体冻胀率和融沉率随水泥掺量的变化规律，证明了水泥改性对土体冻胀有明显的抑制作用，找到了水泥掺量的门槛值和最佳值。文献[25-26]通过冻结水泥土的系列试验，得到了冻结水泥改性砂土和黏土的无侧限抗压强度随水泥掺量、龄期和温度的变化规律及其冻胀特性。对冻结水泥土的力学特性，有必要针对不同地区不同性质的土进行大量的相关试验，增加已得结论的可靠性。

本文对所研究的弱膨胀土，进行不同水泥掺量以及冻结和室温下的无侧限抗压强度试验，以找到最佳水泥掺量，验证并评估水泥改性和冻结两种方法对该土体的加固效果。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验用土为合肥某地铁建设工程的弱膨胀土，该土的基本性质参数如表1所示。

表1 土体基本参数

采用重塑土进行试验，先将土在温度设定为105℃的鼓风烘箱中烘至恒重，再用橡皮锤将干土碾碎，根据土工试验规程，过2mm筛，每次取土进行试验前将土在塑料袋中搅拌均匀，以确保每一批次所用的土颗粒级配接近。为了使试验更接近于实际情况，采用天然含水率20%作为试验含水率。

水泥采用P.O.42.5水泥，水泥掺量依次为0%、5%、8%、10%、12%、15%、18%和20%，水胶比取0.5。

在干土中按天然含水率20%加水；将湿土放入密封袋中静置24h，以确保水分在土中分散均匀；按照所设定的水泥掺量，先将水泥均匀拌入土中，再加入根据水胶比计算所需的水量；最后，采用分层击实法，制作φ50mm×100mm的标准圆柱体试块，脱模后，将试块装入密封袋中密封，室温下养护28d。

1.2 试验方法

在进行水泥土冻结条件下的试验时，先将养护好的试块在-10℃低温箱中冻结24h；提前半小时将单轴压力机打开并调节到设定温度，使压力机内的温度均衡；再迅速将试块放入低温压力机中，再恒温20min，以降低取放试块时温度变化所导致的的误差。

试验采用应变控制法进行，设定的变形速率为1%/min。开始试验前预压至0.02kN。试验自动结束条件为：应力达到峰值后降低20%或者应变达到20%。该试验机每0.01s自动采集一次试验力、应力、轴向变形和轴向应变数据，并实时显示应力-轴向应变曲线。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度分析

8℃和-10℃条件下不同水泥掺量(0%、5%、8%、10%、12%、15%、18%和20%)的无侧限抗压强度试验结果如图1所示。

图1 水泥土强度随水泥掺量变化关系

由图1可以看出，水泥掺量相同条件下，试块强度在冻结时明显高于8℃。这充分体现了在软弱地层中应用冻结法时，其对地层承载力显著的提高作用。

-10℃冻结条件下，水泥掺量增大，试块强度随之增长。 但水泥掺量到12%之后， 强度增长速度逐渐减缓，掺量到15%之后，强度增长显著减缓。

在8℃下，试块强度在水泥掺量到15%之后出现下降。掺量为18%和20%时，相对于15%掺量，其强度分别下降24.7%和17.8%。

为了便于定量化分析水泥掺量对无侧限抗压强度的影响，定义水泥掺入效率η，其物理意义为单位水泥掺量对水泥土无侧限抗压强度影响的量化指标。计算公式为

式中：ci为水泥掺量；σci为水泥掺量ci水泥土的无侧限抗压强度；σ0为不掺水泥时的无侧限抗压强度。

根据试验结果，分别计算不同掺入区间的水泥掺入效率η，结果如表2所示。

表2 不同掺入区间的水泥掺入效率η

根据水泥掺入效率η的计算结果，可以直观地看到在各掺入区间，水泥掺量对改良土无侧限抗压强度的提高作用不同，-10℃冻结时，在12%～15%这个掺入区间， 虽然其η=7.4%比前一段η=15.0%要小，但仍能提供较大的强度增长。但是在掺量超过15%的区间，其η≤3%，可认为水泥掺量增加不再引起改良土强度增长，这与前面定性分析的结果一致。

因此，从强度增长的角度，基于该试验结果，对所研究的合肥弱膨胀土，其水泥的最佳掺量为15%，合适掺入区间为12%～15%。

2.2 应力-应变曲线分析

图2、图3分别为-10℃和8℃下不同水泥掺量的应力应变曲线，图3中水泥掺量0%时，其应变达到了试验终止条件20%，对应终止时的应力为0.23MPa。

图2 -10℃不同水泥掺量下应力-应变曲线

从图2可以看出，-10℃冻结条件下，对不掺水泥的试样，其应力-应变曲线为应变硬化型，但过了屈服点之后，应力随应变增长的幅度明显降低，呈现接近于完全塑性的特征。而掺入水泥的试样，其应力-应变曲线都为应变软化型。不同水泥掺量下，峰值应变范围为7.4%到12.4%，极限应变范围为9.8%到18.2%，为延性破坏。

在8℃下，如图3所示，不掺水泥的试样应力-应变曲线为应变硬化型，直至轴向应变到20%试验停止。而掺入水泥的试样延性较低。峰值应变范围在0.61%到1.5%，极限应变范围在0.88%到2.2%，呈现出偏脆性破坏的特征。

图3 8℃不同水泥掺量下应力-应变曲线

对峰值应变结果进行量化分析，图4为8℃和-10℃条件下8种不同水泥掺量的峰值应变变化曲线。

图4 水泥土峰值应变随水泥掺量变化关系

在-10℃条件下，掺入水泥后，随着水泥掺量的增大，对应的峰值应变呈现出先减小，再缓慢增长的规律，掺量为12%时峰值应变为6.9%，较8℃下的最大峰值应变提高了350%。

从以上可以看出，对所研究的土样，水泥改性之后其应力-应变曲线特征由应变硬化变为应变软化，无侧限抗压强度有明显的提高。冻结时的峰值应变和极限应变比8℃下有显著提高，表明冻结能提高改性土的延性。证明了两种方法联合使用具有效果的叠加作用。

2.3 破坏形态分析

图5为8℃未掺水泥(a)和掺入水泥(b)的试块破坏形态，可以看出，掺入水泥的试块，其破坏模式中有明显的竖向裂缝，这就说明在轴向应变较小时(2%左右)，试样组成部分之间裂开失去整体结构性而承载能力迅速下降。因此在设定条件下无法承受更大的应力和应变。在不掺水泥时，如图5(a)所示，试块依靠土颗粒间相对较大的粘聚力和较好的协调变形能力，不容易被压散，能承受较大的轴向应变，试块呈现出中间臌胀形的破坏。

图6为-10℃条件下水泥掺量0%(a)和水泥掺量12%(b)的试块破坏形态，从图6(a)可以看出，轴向应变达到20%时试块并没有出现明显的臌胀现象，而是仅仅表现为被挤密压缩。从图6(b)可以看到，冻结水泥土能承受较大的应变，呈现中间臌胀形破坏形态，没有出现8℃下水泥土在应变较小时就被压散的情况。这说明冻结时的冰胶结作用能极大地提高土体的内聚力，保证土体不会被轻易因压散而失去承载能力。

(a)水泥掺量0% (b)水泥掺量8%图5 8℃下试块破坏形态

(a)水泥掺量0% (b)水泥掺量12%图6-10℃下条件试块破坏形态

3 结论

(1)在所研究的水泥掺入范围内，掺入水泥能明显提高该弱膨胀土的强度。-10℃冻结条件下，无侧限抗压强度随水泥掺量的增大而增大，最佳掺量为15%，此时相对于不掺水泥时的强度提高146%，合适掺入区间为12%～15%；8℃下无侧限抗压强度在掺量为15%时达到峰值，强度由0.23MPa提高到3.48MPa。

(2)冻结对试样强度有明显的提高作用。不掺水泥时，由冻结因素所增益的平均强度增长率为1 191.3%，水泥土由冻结因素所增益的平均强度增长率最低为110.1%。

(3)在各掺入水平，-10℃冻结时的峰值应变明显高于8℃，-10℃冻结条件下下水泥土的峰值应变最小为6.9%，而8℃下水泥土的峰值应最大为1.45%；在对应掺量下，由冻结因素所增益的平均峰值应变增长率最低为457.6%，证明了冻结能显著提高水泥土的延性。