粉质黏土水泥土冻胀融沉特性研究

2021-09-22李思齐鲍俊安

冰川冻土 2021年4期

李思齐，杨平，张婷，鲍俊安

（1.南京林业大学土木工程学院，江苏南京210037；2.国网安徽省电力有限公司铜陵供电公司，安徽铜陵244000）

0 引言

近年来，采用人工冻结法进行止水和加固广泛应用于工程实际，其施工对周围环境的影响也日益凸显［1］。在施工过程中，土体冻结后融化，使冻结区产生冻胀融沉现象，如不及时控制，会引发地面隆起变形和地下土体结构破坏等现象，影响正常的施工进度，甚至造成工程事故［2-3］。冻胀现象的产生主要原因是水分的迁移［4-5］，因此在地下水丰富地区采用人工冻结法进行土体加固时冻胀现象尤为明显。而融沉作用机理较为复杂，一般分为“标准融化沉降”（包括融化引起的土体自身沉降和恒压沉降）和“可变压缩沉降”（上覆压力增加引起的沉降）两个阶段［6］。目前用于抑制冻胀融沉的方法较为被动，通常在冻胀融沉发生后通过改变土层特性来减小冻胀融沉量，如通过钻孔卸压减少冻胀量、在自然解冻过程中跟踪注浆减少融沉量。这些方法有较大的滞后性，且施工工艺复杂，很难从根本上解决土体冻胀融沉问题［7-9］。

冻融变化程度受土体组分和外部因素共同作用。于琳琳［10］针对温度场、温度梯度、冻结锋面、含水率及干密度等因素对重塑土和原状粉质黏土进行冻胀试验，并验证了土中水分迁移现象。除此之外，击实度对土体冻胀影响也较为明显，含盐量较低时，冻胀与击实度成正比；含盐量较高时，冻胀与击实度成反比［11］。现场试验和室内试验结合研究表明，冰含量、冻结速率和冷端温度也是影响冻胀压力的重要因素［12-13］。而冻土融沉的影响因素主要为含冰量和干密度，含冰量大则冻土融化后的沉降量大，干容重较大的冻土，融沉系数较小［14］。

水泥土常被用于地层加固止水，改变土体微观结构可以有效降低土体渗透系数，研究发现其在抑制土体冻胀融沉方面效果显著。Sabry等［15-16］较早对掺入水泥后土体的冻融循环特性和长期耐久性进行了研究，发现改善材料的性质，可满足不同程度的耐久性要求。之后对水泥土冻融特性的研究逐渐兴起，通过对不同土体掺入水泥后的特性进行研究发现，水泥土冻结引起的最大地表隆起量和总体地表隆起量均减小，且水泥掺入量对土体冻胀融沉的抑制是有限度的，不同土体水泥掺入比存在适宜范围［17-19］。Hotineanu等［20］、Makki-Szymkiewicz等［21］研究了不同含水率下水泥土冻融后的抗压强度，发现含水率的增加使固化土抗压强度下降。王天亮等［22］、陆永港等［23］通过控制水泥掺量和颗粒级配方法研究碎石基床的冻融特性，发现掺入水泥稳定级配碎石代替普通碎石可以有效弥补粒径缺失导致的土体强度降低问题，添加EPS颗粒同样可以防止土体强度降低，减少冻融变形量［24］，但这两种方法均会增大土体干缩、温缩变形［25］。进一步研究表明在水泥土中添加脱硫石膏、粉煤灰和石灰等外加剂可明显提高复合水泥土强度、抗渗性和抗冻融耐久性［26-29］。杨国涛等［30］运用数理统计等手段，综合考虑细粒含量、颗粒粒径及水泥含量对冻胀量的影响规律，建立冻胀率的计算分析模型，对不同渗水性要求的路基需采用不同水泥掺量和颗粒级配。试验分析和理论研究显示，水泥改良地层控制冻胀融沉的基本机理是，水泥改良作用降低了土的渗透性，阻止了水分迁移量，减少了冰分凝作用，从而减少了冻胀［31］。

由以上可知，在土体中掺入水泥可有效抑制自然或人工冻结条件下土体冻胀融沉，但水泥掺入比、含水率、龄期、冷端温度、荷载等因素对水泥土冻胀融沉影响的具体变化规律尚不清楚。特别是粉质黏土的物理力学特性较差［32-33］，冻胀融沉变形较大，采用水泥土改良来抑制冻胀融沉很有必要。为从理论上揭示粉质黏土水泥土冻胀融沉的规律，本文就这些因素对水泥土冻胀融沉特性影响进行了研究。

1 材料与方法

掺入比（水泥浆与重塑土的质量比值）作为单一自变量时，存在合理掺入比λn。即当水泥掺入比为λn时，水泥土抑制冻胀融沉的效果较好，满足实际工程中对冻胀融沉的要求，同时具有较好的经济效益。确定合理掺入比后，在后面的试验中均采用该值，以研究其他因素对水泥土冻胀融沉的影响。水泥标准养护时间为28天，此时水泥强度可达到设计强度的90%，故取28天为试验基准龄期。一般把平均温度达到-10℃作为冻结法施工的设计要求，故取-10℃为试验基准冷端温度。参考固结试验方法，在试样上方预加1 kPa荷载代替无载试验，使试样表面与试验仪器接触紧密，消除系统误差，且不影响冻胀融沉发展过程，故取1 kPa作为基准荷载。融沉试验主要研究水泥掺入比和解冻温度对融沉的影响。具体试验规划见表1和表2。

表1 水泥土单因素冻胀试验规划Table 1 Single-factor frost heave test plan of the cement-improved soil

表2 水泥土单因素融沉试验规划Table 2 Single-factor thaw settlement test plan of the cement-improved soil

试验用土为南京地区粉质黏土，含水率为30%，密度为1.93 g·cm-3，干密度为1.48 g·cm-3，液限和塑限分别为32.8%和16.8%，为低液限粉质黏土。试验所用水泥为海螺牌P.O 42.5水泥。

试验仪器采用南京林业大学自制冻胀融沉仪（图1）进行试验。该仪器由恒温箱、试样盒、制冷系统、加热系统、温度数据采集系统、位移数据采集系统、加压系统和补水系统等组成，能够在负温条件下进行冻胀融沉试验，并自动采集数据绘制曲线。

图1 冻胀融沉仪示意图Fig.1 Schematic diagram of frost heave and thaw settlement instrument

试样制作参考《土工试验方法标准》［34］和《水泥土配合比设计规程》［35］，为了模拟实际工程中水泥土的形成，将土样和水泥浆单独制作后再进行混合。土样烘干后按规划含水率加水搅拌，密封静置24 h后备用，水泥浆的水灰比为0.5，将水泥浆加入土样中充分搅拌形成水泥土。采用自制试样桶进行制样，试样为ø80 mm×50 mm的圆柱体，标准养护24 h后拆模，然后置于保准养护室养护至试验龄期。养护期间使用塑料薄膜对试样进行密封处理，防止水分蒸发，试验开始前对试样进行部分检算，含水率与规划含水率之差不大于±0.1%。

2 结果与分析

图2 所示为水泥土和常规粉质黏土冻融过程位移随时间变化的情况。其中，位移上升段为冻结阶段，位移下降段为融化阶段。水泥土与常规粉质黏土冻融变形的走势大致相同，但水泥土冻融持续过程时间较长，这是因为水泥导热系数较小，掺入水泥后土体导热系数减小，热传导效率降低，花费时间较长。显然，水泥土的冻融位移变形明显减小。

图2 不同土体冻融过程中位移与时间关系曲线（龄期为28天，冷端温度为-10℃，含水率为30%，解冻温度为30℃）Fig.2 Relationships between displacement and time during freezing-thawing of 10%cement-improved soil and silty clay（Age is 28 days，cold junction temperature is-10℃，moisture content is 30%，and thawing temperature is 30℃）

2.1 水泥掺入比对冻胀率的影响

不同水泥掺入比与粉质黏土水泥土冻胀率的关系如图3所示。由图可见，常规粉质黏土冻结后冻胀率很大，达到11.56%。随着水泥掺入比增大，冻胀率持续减小。当水泥掺入比较小时，图中曲线斜率较大，即冻胀率随水泥掺量增大减少较快。当水泥掺入比达到10%时，冻胀率为1.56%，仅为常规粉质黏土冻胀率的13.5%，此时曲线的斜率已趋于平缓。水泥掺入比大于10%后，冻胀率随水泥掺入比增加下降减缓。故本试验粉质黏土的合理掺入比λn取为10%。

图3 水泥土冻胀率与掺入比关系曲线（龄期为28天，冷端温度为-10℃，含水率为30%）Fig.3 Relationship between frost heaving ratio of cementimproved soil and mixing ratio of cement（Age is 28 days，cold junction temperature is-10℃，and moisture content is 30%）

分析可知，水泥和土混合后，水泥水化产物包裹土颗粒，并随龄期增加而硬化。水化产物与土颗粒胶结形成网状结构土骨架，土体强度提高。同时，水泥水化产物填充土体空隙，进一步提高土体强度。冻结产生的冻胀力不足以完全破坏土体结构，造成冻胀率降低。

在土中掺入水泥可以有效减小土体冻胀，但这种效果并不是无限的，水泥掺量对冻胀的影响效果随水泥掺量的增大呈下降趋势。合理掺入比随土质不同而变化，在冻结法施工中，可采用预先注浆或搅拌等方式掺入水泥减少冻胀，在达到合理掺入比时也可满足经济性和工程性要求。

2.2 含水率对冻胀率的影响

含水率与粉质黏土水泥土冻胀率的关系见图4。由图可知，随着含水率增大，粉质黏土水泥土冻胀率基本呈线性增大。这是因为土体冻胀过程中，水结冰膨胀产生冻胀力，含水率越大，冻结过程中冰晶体积越大，冻胀力越强，土体冻胀率也就越大。同时，水泥与土体混合间接增大了水泥的水灰比，土体含水率越大，水泥土强度越低，冻胀力更容易使土体结构变形而产生冻胀。由计算可知，拟合曲线的斜率仅为0.08，即随含水率增大，冻胀率变化很小。该现象可解释为水泥土试样经过28天养护后，水泥的水化反应完成，形成的水泥土结构具有较高强度，可以完全抵抗冻胀力对水泥土结构的破坏，水泥土冻胀发生在弹性应变阶段，故冻胀率随含水率线性变化且冻胀率变化较小。

图4 水泥土冻胀率与含水率关系曲线（龄期为28天，冷端温度为-10℃，掺入比为10%）Fig.4 Relationship between frost heaving ratio of cementimproved soil and moisture content（Age is 28 days，cold junction temperature is-10℃，and mixing ratio of cement is 10%）

对试验结果进行拟合，可得冻胀率随含水率变化的关系式。

式中：η为水泥土冻胀率（%）；w为含水率（%）。

由式（1）可得，粉质黏土水泥土的初始冻结含水率（η=0）w0=10.25%=0.61wP，临界冻结含水率（η=1）we=22.75%=1.35wP。一般来说，土体的初始冻结含水率和临界冻结含水率均小于土的塑限wP，约为塑限的90%左右［36-37］。在粉质黏土中添加水泥后，水泥水化产物填充土体中的孔隙，土体孔隙率降低，在含水率较小时土体已经饱和，冻结过程中水变成冰，体积增大，产生冻胀，因此初始冻结含水率降低。同时，水泥水化产物与土颗粒间的结合力大于土颗粒之间的结合力，提高了土骨架强度，产生相同冻胀率所需的冻胀力增大，因此临界冻结含水率超过原始土体的塑限。

2.3 龄期对冻胀率的影响

龄期与粉质黏土水泥土冻胀率的关系见图5。由图可知，粉质黏土水泥土冻胀率随龄期增长迅速下降，当养护到一定龄期后，冻胀率随龄期变化曲线突然减缓并趋于水平。水泥土处于早期时，冻胀率随龄期下降明显，说明掺入水泥后，早期可以有效抑制冻胀。

图5 水泥土冻胀率与龄期关系曲线（含水率为30%，冷端温度为-10℃，掺入比为10%）Fig.5 Relationship between frost heaving ratio of cementimproved soil and age（Moisture content is 30%，cold junction temperature is-10℃，and mixing ratio of cement is 10%）

养护28天后，水泥土冻胀率减少至1.56%，仅为7天龄期冻胀率的34.21%，冻胀抑制效果明显。28天以后，水泥土冻胀率基本不再发生变化，养护90天和养护28天冻胀率仅相差0.32%。这是因为水泥水化反应通常在养护28天内已基本完成，龄期继续增加水泥土性质不再发生显著变化。在有较高环境要求的工程中，可以预先在冻结区土体中掺入水泥形成水泥土，放置一段时间后再进行冻结法施工，以降低施工过程中土体冻胀对周围环境和施工质量的影响。

2.4 冷端温度对冻胀率的影响

冷端温度对水泥土冻胀特性影响试验在开放条件下进行。由图6可知，在开放条件下进行单向冻结时，粉质黏土水泥土冻胀率随冷端温度降低而呈线性减少，冷端温度每降低1℃，冻胀率减少0.22%。这是因为当冷端温度较低时，冻结过程加快，冷端一侧土体冻结后，冻结锋面迅速向前推进，导致水分未完全迁移便已冻结，外部补水较少，因此冻胀率较小。反之，当冷端温度较高时，冻结锋面发展缓慢，水分迁移充分，在开放条件下外部补水较多，冻胀率增大。

图6 水泥土冻胀率与冷端温度关系曲线（龄期为28天，掺入比为10%，含水率为30%）Fig.6 Relationship between frost heaving ratio of cementimproved soil and cold junction temperature（Age is 28 days，mixing ratio of cement is 10%，and moisture content is 30%）

2.5 荷载对冻胀率的影响

进行水泥土冻胀融沉试验时，为使试样表面与仪器贴合完全，减少试验误差，在试验前预加1 kPa荷载，实际使用中发现其对试样冻胀融沉影响可忽略，因此研究荷载对水泥土冻胀率影响时也从1 kPa开始增加荷载，具体结果见图7。由图可知，冻胀率随荷载增大呈线性减小，增大荷载可明显抑制水泥土冻胀，300 kPa条件下，冻胀率仅为0.22%，较初始预加荷载条件下减少86%。在单向冻结试验中，冻结锋面自下而上发展，产生的冻胀力使土体发生向上的冻胀变形，而在试样上部施加向下的荷载后，抵消了部分冻胀力的作用。

图7 水泥土冻胀率与荷载关系曲线（龄期为28天，冷端温度为-10℃，含水率为30%，掺入比为10%）Fig.7 Relationship between frost heaving ratio of cementimproved soil and load（Age is 28 days，cold junction temperature is-10℃，moisture content is 30%，and mixing ratio of cement is 10%）

同时，荷载作用使土体发生固结排水，孔隙水被排出，孔隙水压力逐步转变为由土骨架承受的有效应力，土体产生压缩变形，减少因土体冻胀产生的变形。因此随着荷载增加，水泥土冻胀率减小。

2.6 掺入比对融沉系数的影响

不同水泥掺入比对粉质黏土融沉系数的影响如图8所示。由图可知，未掺入水泥的粉质黏土融沉系数为13.14%，随着水泥掺入比增加，土体融沉系数迅速下降且速率逐渐减小。水泥掺入比达到10%时，融沉系数只有2.15%，为未添加水泥时的16.4%。通过比较融沉曲线和冻胀曲线发现，冻胀率和融沉系数随水泥土掺量的变化规律相似。当掺入比小于10%时，随掺入比增加，融沉系数下降较快；掺入比大于10%时，融沉系数下降缓慢，增加水泥掺量对融沉系数的影响减小，掺入比从10%增加到20%，融沉系数仅减少1.79%。由此可见，在粉质黏土中掺入10%水泥可以同时抑制冻胀和融沉，具有较好的经济性。

图8 水泥土冻胀率和融沉系数与水泥掺入比关系曲线（龄期为28天，含水率为30%，解冻温度为30℃）Fig.8 Relationships between frost heaving ratio/thaw-settlement coefficient of cement-improved soil and mixing ratio of cement（Age is 28 days，moisture content is 30%，and thawing temperature is 30℃）

不同水泥掺入比水平下，粉质黏土水泥土的融沉系数均大于冻胀率，且水泥掺量越高，两者数值越接近。其原因是，试样经过冻胀后产生部分结构性损伤，冻结形成的冰晶支撑土体，进行应力重分布；而在融化过程中，土体除融化导致的热融沉陷外，又在自重应力下产生压缩沉降，沉降量必然大于冻胀量。因此，融沉系数大于冻胀率。随着水泥掺量增加，试样强度提高，冻结过程中土体结构损伤或破坏程度减小，故解冻时土体压缩沉降量减少，融沉系数和冻胀率差距减小。此外，水泥掺入后，与土中水发生水化反应，水化产物填充了土体缝隙，提高了土骨架强度，进一步降低解冻过程的融沉量。

2.7 解冻温度对融沉系数的影响

由于上覆土层的保温效果和土体本身热传导率较低等原因，自然解冻可能会持续数月，对施工组织安排造成一定困难，此时可在冻结管中通热水，进行强制解冻，加快土体融化速率。实验室条件下进行强制解冻时，需先将恒温箱温度从1℃调整为5℃，并关闭试样底部的低温循环系统，将连接试样顶部的恒温热循环系统设置为试验所需温度，试样受顶端恒温热循环传热，实现自上而下的单向融化下沉。

图9 为不同解冻温度下试样融沉系数变化曲线。由图可知，随着解冻温度升高，水泥土融沉速率加快，但最终融沉量相同，这与常规土强制解冻融沉规律相似［38］，即土体最终融沉系数不受解冻温度影响，解冻温度仅改变土体融沉速率。其原因是，粉质黏土中掺入10%（合理掺入比）水泥并养护28天后土体强度较大，此时的冻胀率和融沉系数仅相差0.59%，冻胀过程土体结构破坏较少，因此在不同解冻温度下，土体压缩沉降都较小。融沉量由热融沉陷主导，即冻土层冰融化、体积减少和水的自由消散导致的沉降，因此最终融沉系数相同。工程中可采用强制解冻，在融沉系数不变的情况下加快融沉结束时间，提高施工效率。

图9 不同解冻温度下水泥土融沉系数与时间关系曲线（龄期为28天，含水率为30%，掺入比为10%）Fig.9 Relationships between thaw-settlement coefficient of cement-improved soil and time at different thawing temperatures（Age is 28 days，moisture content is 30%，and mixing ratio of cement is 10%）

由图9还可知，水泥土融沉过程可分为2个不同融沉速率的阶段：前一阶段融沉速率较快，后一阶段融沉速率很慢。原因是前一段融沉过程为热融沉陷和压缩沉降两种沉降叠加，解冻开始后土体冰晶融化，融沉速率较大；当冰晶融化结束后，土体在自重作用下继续进行融沉，但水泥土强度较大，土体自重压缩较小，造成后一阶段融沉系数几乎不变。

3 讨论

南京地区的土质为典型粉质黏土，在这些类似的地质条件下，采用人工冻结技术处理相关工程问题难度较大。同时，根据实际经验，采用水泥土是抑制冻胀或融沉的一种优良方法，但其机理过程不清晰，影响因素复杂。例如，程培峰等［37］的研究显示含水率比冻结温度对粉质黏土冻胀影响大，且冻结温度降低，水泥土冻胀率提高。而针对南京地区典型粉质黏土水泥土研究显示，冷端温度对粉质黏土水泥土冻胀影响较大，且冷端温度降低，冻胀率减少。分析发现不同试验中对水泥土含水率的选择上有较大差异，以起始冻结含水率为基准时冻结温度与冻胀率呈正相关［39］，以塑限含水率为基准时冻结温度与冻胀率呈负相关［37］。这表明水泥土抑制冻胀融沉效果是多因素共同作用结果，在研究单因素作用基础上对各种因素进行正交分析［40］，对准确预测冻胀融沉变化具有重要意义。

研究分析不同控制因素对粉质黏土水泥土冻胀、融沉的影响，可直观反映环境变化对土体特性的影响。为进一步分析其机理过程，可通过CT扫描等技术手段对水泥土微观构造进行解释［41-42］以及可通过数值模拟与试验结合的分析方法，进一步揭示不同因素下水泥土冻融特性差异机理，这些相关内容有待深入研究。