考虑初始含水率与养护龄期影响固化软土的强度和流动特性研究

2022-03-15张玉婷韩启元

江苏水利 2022年3期

姚达，姜舒，张玉婷，韩启元，张丹

（1.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏扬州225000；2.南水北调东线江苏水源有限责任公司徐州分公司，江苏徐州221018；3.江苏鸿基水源科技股份有限责任公司，江苏扬州225000；4.东华理工大学土木与建筑工程学院，江西南昌330013；5.盐城工学院土木工程学院，江苏盐城224051）

软黏土广泛分布于全球各地，包括许多城市发展建设和工业中心所在地区，尤其集中于沿海一带［1］。随着城市建设和经济发展，用地规模不断增加，不可避免地需要在软黏土地区进行开发利用，而由于软黏土具有含水量高、压缩性高、承载力低、渗透性低、剪切强度低等特点［2］，易引起不良工程问题。因此，需要对软黏土进行加固处理。目前，常用的固化材料种类主要有：有机化合物、无机化合物、酶三类，因其固化速度快、强度高、用量少、造价低等优点而被广泛应用［3-4］。

水泥固化土作为传统的固化剂，研究较为成熟，被广泛用于改善软黏土力学特性，提高其承载性能。目前，国内外学者对该固化剂的研究主要围绕其力学特性和抗冻性能开展，主要集中在有关水泥掺量［5-6］、土体性质［7-8］、孔隙水盐分浓度［9-10］对其的影响。需要注意的是，软黏土具有高初始含水率的特性，且需要通过水化反应形成坚硬的水泥固化土，因此原料土的含水率对水泥固化土也有着不可忽视的影响［11］。冯哲源等［12］分析了含水率对盐城滩涂固化土强度特性的影响，研究表明其抗压强度随土样含水率的增加而降低；王宇姣等［13］对鄱阳湖疏浚土进行研究发现，当含水率低于27%时，固化剂水化反应不充分使得强度降低。此外，对于高含水率的软黏土而言，水泥的加入使得固化土具有相对稳定的结构而提高其强度，在实际施工中可以高效处理土体材料，降低施工成本［14-15］。而对于不同含水率和龄期对水泥加固土的流动性的影响，目前研究尚不完善，仍需要深入探讨。

为了进一步研究含水率和龄期对水泥加固土强度特性及其流动性的影响，通过无侧限抗压试验和流动性试验，系统地研究土体初始含水率和养护龄期对水泥固化土强度特性与流动特性的影响，并对影响原因进行了分析，为固化加固技术在高含水率疏浚泥、软土地基加固等实际工程中的应用提供参考。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料

试验所用土样取自盐城阜宁，依据《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）［16］测定土体的基本物理性质。其中，土体的液限和塑限分别为53.1%和24.7%，比重为2.68。根据土体的液限和塑限，结合塑性图（图1）可知，试验所用土样为高液限黏土。

图1 土样塑性

1.2 试验方案

考虑到我国存在大量的疏浚淤泥，其含水率高、强度低，且在疏浚施工结束沉积稳定后的含水率达到2.0~3.0 倍液限甚至更高［15］，故本试验设定土样的初始含水率为1.5wL~3.5wL，水泥掺量为150 kg/m3，龄期分别设置为7、28、42、90 d。

1.2.1 无侧限抗压试验

将土样分别调配到一定的含水率，将水泥和土样充分混合，并使用便携式机械搅拌器搅拌，直至获得均匀的黏土—水—水泥拌合物。然后将浆体倒入内径39mm、高80mm 的3 层塑料模具中，并使用振动器使得各层均匀无气泡，脱模后将试样移入恒温［（20±2）℃］的养护室进行标准养护。根据《土工试验方法标准》（GB/T50123—2019）［16］，无侧限抗压试验中使用的应变率设定为每分钟1%，在每个含水率和龄期下，测试3个平行试样，以获得无侧限抗压强度的平均值。

1.2.2 流动性试验

本文参照Rajendran［17］的方法，采用76.6 mm×152.4 mm的开口圆柱筒，将圆筒放至光滑平整的有机玻璃板上，并将刚搅拌均匀的水泥固化土拌合物装入圆筒中并装满。用刮刀将表面刮平后，轻轻提起圆筒，拌合物在有机玻璃板上形成塌陷体，测量其最大直径和最小直径，则两者的平均值即为流动值。

2 试验结果分析

2.1 应力-应变关系曲线

图2为不同初始含水率和养护龄期条件下固化土试样典型的应力-应变曲线，其中每个试样的峰值应力即为无侧限抗压强度qu。可以发现，固化土试样的应力—应变曲线均为应变软化型。即土体的应力随应变的增加呈先增大，待达到峰值后再减小的变化趋势。这主要是由于当水泥掺量超过一定值后，土中形成胶结结构，外加荷载作用下土体结构破碎后表现出脆性特性［18-19］。同时，从图2 可以看出试验的破坏应变基本都分布在1%~2%左右，与一般的水泥固化土的破坏应变在0.5%~2%之间的结论相一致［20］。

由图2 还可以看出，初始含水率的影响较为明显，即在相同龄期条件下，较低的初始含水率试样的应力—应变曲线高于较高的初始含水率的应力—应变曲线。这是由于水泥水化产物在固化试样单位体积中的量不同［19］，因此初始含水率较低的试样强度较高。反之，初始含水率较高时，其强度较低。而在相同的初始含水率下，养护龄期较长试样的应力—应变曲线始终位于养护龄期较短试样的上方［图2（c）］。这主要是由于随着养护龄期的增加，水泥水化反应生成的Ca（OH）2与黏土颗粒表面溶解的活性二氧化硅和氧化铝发生火山灰反应，增加了土中水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝产物的产量，提高了固化土结构的密实程度和强度，宏观表现为固化土无侧限抗压强度的增加［21-22］。

图2 固化土典型的应力-应变关系曲线

2.2 无侧限抗压强度

图3为相同养护龄期下固化土无侧限抗压强度随土体初始含水率的变化规律。由图可知，所有测试样品的无侧限抗压强度qu均随着含水率的增加而持续降低。含水量是影响软黏土强度的重要因素之一，即含水量越高，强度越低［20］。同时，含水量也是影响水化反应的重要因素。但是含水量过高使得水化反应中水分过高，会导致颗粒间距离增大或颗粒簇间间距过大，强度降低［23］。

图3 固化土无侧限抗压强度随初始含水率变化规律

当养护龄期相同时，含水率较低的水泥固化土试样的无侧限抗压强度高于含水率较高的试样，如当养护龄期为7 d 时，含水率为80%的试样无侧限抗压强度为786.4 kPa，含水率为160%的试样无侧限抗压强度为229.6 kPa，下降了70.8%；当龄期为28 d 时，含水率为80%的试样无侧限抗压强度为930.8 kPa，含水率为160%的试样无侧限抗压强度为483.0 kPa，下降了48.1%；当龄期为42 d 时，含水率为80%的试样无侧限抗压强度为980.6 kPa，含水率为160%的试样无侧限抗压强度为495.7 kPa，下降了49.4%；当龄期为90 d时，含水率为80%的试样无侧限抗压强度为1 027.9 kPa，含水率为160%的试样无侧限抗压强度为509.6 kPa，下降了50.4%。

测定不同养护龄期下水泥固化土的无侧限抗压强度，结果如图4所示。不同初始含水率下，固化土的无侧限抗压强度随养护龄期的增加，均表现出逐渐增大的变化趋势，且强度增长速率随着龄期的增加而逐渐减小。这主要是由于随着龄期的增加，水泥的水化反应不断进行，生产了更多的水化产物，使得土体微观结构强度和密实性得到提升，宏观表现为土体对外加荷载抵抗能力的增加［24］。之后，随着养护时间的进一步增加，水泥的水化反应接近完成时，土体的无侧限抗压强度将趋于稳定。对于本文试验所用土样，养护42 d后固化土的无侧限抗压强度随养护龄期的增加即基本达到稳定。

图4 固化土无侧限抗压强度随养护龄期的变化规律

此外，当初始含水率较高时，养护龄期28 d 的试样强度可达到龄期为7 d的试样强度的1.5~2.0倍左右，这与张春雷等［19］得到的固化土28 d的强度比7 d强度可以提高1.4~2.3倍的结论较为一致。如当初始含水率为160%时，龄期为7 d 的试样强度为249.6 kPa，龄期为28 d 的试样强度为483.0 kPa，后者达到前者的1.9 倍；当初始含水率为130%时，龄期为7d的试样强度为349.0 kPa，龄期为28 d的试样强度为602.0 kPa，后者达到前者的1.7倍。

为进一步探究初始含水率对水泥固化土强度的影响，收集已有文献中不同地区固化土的试验结果进行分析（表1）。图5为相同养护龄期与水泥掺量下不同液限土体固化处理后28 d 强度随初始含水率的变化曲线。相同初始含水率下，固化处理后土体的无侧限抗压强度随实验土体的不同呈分散式的规律，由此推断水泥固化土的强度还受到土体液限的影响，总体来看，在含水率与龄期相同的条件下，液限低的土体强度要大于液限较高的土体。

表1 文献中土体液限

图5 固化土28d无侧限抗压强度随初始含水率变化规律

不难发现所有土样的抗压强度均随着初始含水率的增大而减小，这与本文试验规律相同；而由于土样的液限不同，尽管养护龄期与水泥掺量一致，仍呈现出较大的差别，在含水率96%时，淮安土样的强度是天津土样的5.7 倍，这表明液限对水泥加固土强度有较大的影响。

2.3 流动度

流动度是影响水泥固化土拌合物现场泵送和施工的重要因素之一，而其受初始含水率的影响较大。图6给出了不同初始含水率条件下水泥固化土试样的流动性测试结果。可以看出试样的流动值随着初始含水率的增加而持续增加。根据Rajendran［17］所示，对于高流动性材料其流动值不小于20.3 cm，低流动性材料小于15.2 cm。由图可得出，该试样表现为低流动性。