凍融循環(huán)下西安市長(zhǎng)安區(qū)水泥土室內(nèi)試驗(yàn)研究

張新新

(西安翻譯學(xué)院，陜西 西安 710105)

0 前 言

西安市長(zhǎng)安區(qū)土質(zhì)為風(fēng)形成黃土，具有濕陷性，屬于特殊土，在一定壓力下受雨水浸濕，土結(jié)構(gòu)迅速破壞，產(chǎn)生顯著附加下沉，強(qiáng)度也迅速降低；地基作為建筑物下部承受荷載的土層，一旦強(qiáng)度下降，使得地基產(chǎn)生過大的沉降或不均勻沉降都會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生不可避免的危害。另外，作為季節(jié)性凍土地區(qū)，在冬季土中的水成冰后體積發(fā)生明顯膨脹，孔隙比增加；土體融化后，體積會(huì)縮小，承載力較開始狀態(tài)明顯下降，以上的變化對(duì)工程實(shí)際的破壞都是極大的，所以分析濕陷性黃土及其在凍融循環(huán)作用下的受力機(jī)理，對(duì)該地區(qū)的工程是至關(guān)重要的。葉傅研究了水泥穩(wěn)定黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)水泥劑量、壓實(shí)度與水泥黃土抗壓強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)；馬文杰通過摻加固化劑與水泥及其組合進(jìn)行土壤化學(xué)改良，對(duì)比分析了不同固化劑摻量下，黃土的養(yǎng)護(hù)齡期、壓實(shí)度、抗?jié)B能力等，得出了最佳拌和摻量；付紅梅對(duì)中砂改良黃土的濕陷性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析出中砂對(duì)黃土濕陷性起到了降低的作用；李振進(jìn)行生石灰改良黃土物理化學(xué)性質(zhì)的研究，分析出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，孔隙比、液限指數(shù)等參數(shù)都發(fā)生明顯變化，分析其出變化趨勢(shì)；吳文飛對(duì)固化劑改良水泥穩(wěn)定黃土強(qiáng)度及水穩(wěn)性進(jìn)行研究，分析出不同水泥摻量及固化劑作用下水泥穩(wěn)定黃土的機(jī)理。水泥因其造價(jià)低廉、來源廣泛，在工程項(xiàng)目中應(yīng)用較多，本文主要研究原狀黃土、重塑黃土及不同水泥配合比的黃土在不同次數(shù)凍融循環(huán)作用下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等力學(xué)性質(zhì)的變化趨勢(shì)及其作用機(jī)理，分析出水泥最經(jīng)濟(jì)摻量。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

本實(shí)驗(yàn)采用陜西延河水泥機(jī)械公司生產(chǎn)的P·O32.5普通硅酸鹽水泥，黃土取自陜西省西安市長(zhǎng)安區(qū)某地下管廊工程，按照標(biāo)準(zhǔn)土工試驗(yàn)操作規(guī)程測(cè)定土體的基本性能，黃土物理力學(xué)性能見表1。

表1 黃土的物理力學(xué)性質(zhì)

經(jīng)過試驗(yàn)分析，該土的塑性指數(shù)為7<10，屬于粉質(zhì)黏土。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用單扛桿固結(jié)儀測(cè)定原狀土的壓縮系數(shù)為0.46 MPa-1，原狀土體為中壓縮性土；采用應(yīng)變控制式直剪儀分別施加50、100、200、300 kPa的垂直壓力，采用快剪的方法，使試樣在5 min以內(nèi)損壞，得到原狀土的內(nèi)摩擦角為30°，粘聚力為24.4 kPa;試驗(yàn)前將風(fēng)干的土樣過0.5 mm孔徑的篩，取直徑小于0.5 mm土樣做成試樣養(yǎng)護(hù)齡期7 d，每組試樣3個(gè)，采用標(biāo)準(zhǔn)手動(dòng)擊實(shí)儀成型，水泥配合比分別為0，6%，12%，18%；水泥配合比為土質(zhì)量的百分比，加入的水為自來水，含水率為土與水泥總質(zhì)量的17.1%；凍結(jié)采用凍結(jié)溫度-15℃，融化采用15℃，分別凍融0、2、4、6、8 d；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度采用萬能試驗(yàn)機(jī)，按照其操作規(guī)程調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，數(shù)據(jù)由系統(tǒng)采集完成，采集數(shù)據(jù)包括：時(shí)間、力及變形。為了節(jié)省試驗(yàn)時(shí)間、方便試驗(yàn)操作，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)所用試件采用馬歇爾手動(dòng)擊實(shí)儀成型。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同水泥配合比水泥土實(shí)驗(yàn)(見圖1～3)

圖1 水泥配合比與粘聚力的關(guān)系

由圖1可以看出，原狀土的粘聚力較低，重塑土的粘聚力最低；各配合比水泥土的粘聚力均呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì)；特別是配合比為6%時(shí)，粘聚力的增大幅度最明顯，約為原狀土的4.3倍；隨水泥配合比的增大，增長(zhǎng)的幅度逐漸降低；當(dāng)水泥摻量為18%，粘聚力增大的幅度約為原狀土的7倍；可以看出，水泥的摻入能有效提高黃土的粘聚力。

由圖2可以看出，原狀土的內(nèi)摩擦角最大，重塑土的內(nèi)摩擦角最?。浑S水泥配合比增加，內(nèi)摩擦角逐漸增大，水泥配合比為18%，約為重塑土的2倍，約為原狀土的1.3倍；相比粘聚力和抗壓強(qiáng)度的的變化，增大的幅度不顯著。

圖2 水泥配合比與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

由圖3可以看出，重塑土的抗壓強(qiáng)度較??；水泥配合比為6%時(shí)，相對(duì)重塑土增大的幅度最大，約為重塑土強(qiáng)度的7.7倍； 12%水泥配合比的抗壓強(qiáng)度約為6%的1.46倍，18%水泥配合比的抗壓強(qiáng)度約為12%的1.2倍；隨水泥配合比的增加，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，增大的幅度越來越小并趨于穩(wěn)定。

圖3 水泥配合比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

綜上，可以分析出水泥土能夠有效提高黃土的粘聚力，而內(nèi)摩擦角增大幅度不明顯；主要原因在于水泥能夠和水發(fā)生水化作用，逐漸生成凝膠體，使得粘聚力和抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)比較迅速；而本實(shí)驗(yàn)所用的過篩土，其顆粒級(jí)配沒有原狀土良好，使其內(nèi)摩擦角較原狀土有所降低?？偟膩碚f，水泥配合比的增加，在一定程度上促進(jìn)了水泥土內(nèi)摩擦角的增長(zhǎng)。由此可見，黃土作為回填土、路基、擋土墻等受力結(jié)構(gòu)，本身的粘聚力、抗壓強(qiáng)度均較低，不能滿足工程需要；根據(jù)工程實(shí)際需要，有必要采用水泥土提高工程的承載力和強(qiáng)度，以達(dá)到工程安全、穩(wěn)定的目標(biāo)。

2.2 凍融循環(huán)下水泥土破損(見圖4～5)

圖4 重塑土凍融4次

圖5 12%水泥土凍融4次

由圖4～5可以看出，試樣的破壞均由從上到下的斜截面裂縫而引起；重塑土的表面破損最為嚴(yán)重，土體呈現(xiàn)出比較松散的狀態(tài)；水泥配合比越高，破壞越不明顯，這與水泥與土發(fā)生膠結(jié)作用，生成凝膠體直接相關(guān)；水泥配合比越高，水化作用生成的凝膠體越多，膠結(jié)作用越明顯，土粒之間的粘結(jié)力越大，表面的損壞越不嚴(yán)重。凍融循環(huán)的水泥土，由于其發(fā)生反復(fù)的凍脹、融化作用，水泥土表面均出現(xiàn)一定的破損，循環(huán)次數(shù)越多，凍脹力越大，相應(yīng)的水泥土破損越嚴(yán)重。

2.3 凍融循環(huán)作用下水泥土強(qiáng)度(見圖6～8)

圖6 不同凍融循環(huán)次數(shù)與粘聚力的關(guān)系圖

由圖6可知，不同水泥配合比下，隨凍融次數(shù)的增加，重塑土粘聚力的降低幅度最低，基本無變化，其余土樣的粘聚力逐漸降低，在第2次凍融循環(huán)作用下，降低的幅度最大，隨凍融次數(shù)的增加，逐漸趨于穩(wěn)定，8次凍融循環(huán)最為穩(wěn)定。

由圖7可知，不同水泥配合比下，凍融次數(shù)增加，內(nèi)摩擦角的變化趨勢(shì)與粘聚力較為相似，第2次凍融循環(huán)下降比較明顯，8次凍融循環(huán)最為穩(wěn)定，凍融次數(shù)增多，逐漸趨于穩(wěn)定；但下降的幅度較為緩慢。

圖7 不同凍融循環(huán)次數(shù)與內(nèi)摩擦角的關(guān)系

由圖8可知，不同水泥配合比下，重塑土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于各種配合比的水泥土；凍融次數(shù)增加，各水泥土的抗壓強(qiáng)度均呈下降的趨勢(shì)。其中，重塑土的強(qiáng)度下降極為緩慢，6%、12%、18%水泥土在第2次凍融循環(huán)下降最快，4、6、8次下降幅度呈逐漸減緩趨勢(shì)，18%水泥土下降幅度最大。

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度比見表2。由表2可知，重塑土的粘聚力最低，在8次凍融循環(huán)下，重塑土的粘聚力下降最小，為0次凍融的97.5%；隨著配合比的升高，粘聚力的比值有減小的趨勢(shì)；6%水泥土粘聚力比值最小，12%水泥土粘聚力比值最高，18%水泥土粘聚力比值有所降低；8次凍融循環(huán)下，6%配合比水泥土與12%水泥土粘聚力比值為66.5%，12%配合比水泥土與18%水泥土粘聚力比值為87.8%，說明隨著水泥配合比的升高，粘聚力的增長(zhǎng)速度有下降的趨勢(shì)，增長(zhǎng)的速度逐漸緩慢。

表2 凍融循環(huán)粘聚力比

凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度比見表3。由表3可知，重塑土的抗壓強(qiáng)度最低，8次凍融循環(huán)下，重塑土的抗壓強(qiáng)度降低最小，6%配合比水泥土強(qiáng)度下降較多，12%水泥強(qiáng)度降低接近于50%，隨水泥配合比增加，18%水泥土強(qiáng)度下降趨勢(shì)明顯；6%配合比水泥土是12%水泥土的71.3%，12%配合比水泥土是18%水泥土的85.7%，可以看出隨配合比的增加，在凍融循環(huán)作用下，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)的速度先增加后出現(xiàn)降低，12%配合比水泥土增長(zhǎng)最快。

表3 凍融循環(huán)抗壓強(qiáng)度比

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

1)水泥的摻入，能有效提高黃土的物理力學(xué)性能；水泥摻量越高，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及粘聚力都呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)；內(nèi)摩擦角略有所下降，主要由于原狀土各顆粒之間的內(nèi)摩擦力較大，水泥土中的土經(jīng)過碾壓、磨碎和過篩已經(jīng)失去一部分原本土體中內(nèi)摩擦力，使得土體的內(nèi)摩擦角有所下降；而水泥產(chǎn)生的水化作用，使水泥土的內(nèi)摩擦角遠(yuǎn)大于重塑土的內(nèi)摩擦角。

2)水泥固化黃土的機(jī)制主要在于水泥水化生成碳酸鈣同時(shí)與土粒發(fā)生置換反應(yīng)生成水化硫酸鋁鈣，兩種產(chǎn)物附著于土顆粒表面，填充土體中的空隙，使土體更加密實(shí)，從而增加的土體的粘聚力和抗壓強(qiáng)度；水泥的比表面積遠(yuǎn)小于黃土，水泥吸附在黃土的表面，增加了土體之間的接觸面積，應(yīng)力得以增加。

3)經(jīng)過分析，各項(xiàng)指標(biāo)在水泥摻量在6%時(shí)，增長(zhǎng)速度最為明顯，到12%左右時(shí)，各指標(biāo)增幅最顯著，大于12%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)的增幅逐漸緩慢。

4)水泥土在凍融循環(huán)作用下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和粘聚力均呈下降趨勢(shì)，其中以第一次下降最為明顯，凍融次數(shù)越多，下降越緩慢；其主要原因在于土體中的水分在凍結(jié)后發(fā)生凍脹、空隙變大，凍脹力使土體顆粒的膠結(jié)受到破壞，土體產(chǎn)生裂縫，土顆粒間的粘結(jié)能力降低；融化后，這種裂縫不能完全恢復(fù)，有一部分殘留，土體空隙隨凍融次數(shù)的增大而逐漸增多，導(dǎo)致土體的強(qiáng)度等逐漸下降。

4 結(jié) 論

1)通過水泥的摻入，能有效提高黃土的粘聚力和抗壓強(qiáng)度，在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)性能都有所提高，在工程實(shí)際當(dāng)中有必要根據(jù)實(shí)際摻入合適比例的水泥用以保證結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定性。

2)從本文對(duì)抗壓強(qiáng)度及粘聚力等力學(xué)參數(shù)的分析可知，該地區(qū)的土中水泥摻量為12%左右時(shí)，各項(xiàng)性能增長(zhǎng)速度最快，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，摻量12%或略高于12%時(shí)最為經(jīng)濟(jì)合理。

3)凍融循環(huán)后，水泥土的粘聚力和抗壓強(qiáng)度較重塑土均有大幅度提高，8次凍融循環(huán)后水泥土的力學(xué)性質(zhì)均逐漸趨于穩(wěn)定，能滿足季節(jié)性凍土地區(qū)路基防護(hù)、邊坡穩(wěn)定等工程建設(shè)項(xiàng)目的需要。

[ID:010103]