考慮初始含水率與養(yǎng)護齡期影響固化軟土的強度和流動特性研究

姚 達，姜 舒，張玉婷，韓啟元，張 丹

（1.江蘇省工程勘測研究院有限責任公司，江蘇揚州225000；2.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責任公司徐州分公司，江蘇徐州221018；3.江蘇鴻基水源科技股份有限責任公司，江蘇揚州225000；4.東華理工大學土木與建筑工程學院，江西南昌330013；5.鹽城工學院土木工程學院，江蘇鹽城224051）

軟黏土廣泛分布于全球各地，包括許多城市發(fā)展建設和工業(yè)中心所在地區(qū)，尤其集中于沿海一帶［1］。隨著城市建設和經(jīng)濟發(fā)展，用地規(guī)模不斷增加，不可避免地需要在軟黏土地區(qū)進行開發(fā)利用，而由于軟黏土具有含水量高、壓縮性高、承載力低、滲透性低、剪切強度低等特點［2］，易引起不良工程問題。因此，需要對軟黏土進行加固處理。目前，常用的固化材料種類主要有：有機化合物、無機化合物、酶三類，因其固化速度快、強度高、用量少、造價低等優(yōu)點而被廣泛應用［3-4］。

水泥固化土作為傳統(tǒng)的固化劑，研究較為成熟，被廣泛用于改善軟黏土力學特性，提高其承載性能。目前，國內(nèi)外學者對該固化劑的研究主要圍繞其力學特性和抗凍性能開展，主要集中在有關水泥摻量［5-6］、土體性質(zhì)［7-8］、孔隙水鹽分濃度［9-10］對其的影響。需要注意的是，軟黏土具有高初始含水率的特性，且需要通過水化反應形成堅硬的水泥固化土，因此原料土的含水率對水泥固化土也有著不可忽視的影響［11］。馮哲源等［12］分析了含水率對鹽城灘涂固化土強度特性的影響，研究表明其抗壓強度隨土樣含水率的增加而降低；王宇姣等［13］對鄱陽湖疏浚土進行研究發(fā)現(xiàn)，當含水率低于27%時，固化劑水化反應不充分使得強度降低。此外，對于高含水率的軟黏土而言，水泥的加入使得固化土具有相對穩(wěn)定的結(jié)構而提高其強度，在實際施工中可以高效處理土體材料，降低施工成本［14-15］。而對于不同含水率和齡期對水泥加固土的流動性的影響，目前研究尚不完善，仍需要深入探討。

為了進一步研究含水率和齡期對水泥加固土強度特性及其流動性的影響，通過無側(cè)限抗壓試驗和流動性試驗，系統(tǒng)地研究土體初始含水率和養(yǎng)護齡期對水泥固化土強度特性與流動特性的影響，并對影響原因進行了分析，為固化加固技術在高含水率疏浚泥、軟土地基加固等實際工程中的應用提供參考。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用土樣取自鹽城阜寧，依據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T50123—2019）［16］測定土體的基本物理性質(zhì)。其中，土體的液限和塑限分別為53.1%和24.7%，比重為2.68。根據(jù)土體的液限和塑限，結(jié)合塑性圖（圖1）可知，試驗所用土樣為高液限黏土。

圖1 土樣塑性

1.2 試驗方案

考慮到我國存在大量的疏浚淤泥，其含水率高、強度低，且在疏浚施工結(jié)束沉積穩(wěn)定后的含水率達到2.0~3.0 倍液限甚至更高［15］，故本試驗設定土樣的初始含水率為1.5wL~3.5wL，水泥摻量為150 kg/m3，齡期分別設置為7、28、42、90 d。

1.2.1 無側(cè)限抗壓試驗

將土樣分別調(diào)配到一定的含水率，將水泥和土樣充分混合，并使用便攜式機械攪拌器攪拌，直至獲得均勻的黏土—水—水泥拌合物。然后將漿體倒入內(nèi)徑39mm、高80mm 的3 層塑料模具中，并使用振動器使得各層均勻無氣泡，脫模后將試樣移入恒溫［（20±2）℃］的養(yǎng)護室進行標準養(yǎng)護。根據(jù)《土工試驗方法標準》（GB/T50123—2019）［16］，無側(cè)限抗壓試驗中使用的應變率設定為每分鐘1%，在每個含水率和齡期下，測試3個平行試樣，以獲得無側(cè)限抗壓強度的平均值。

1.2.2 流動性試驗

本文參照Rajendran［17］的方法，采用76.6 mm×152.4 mm的開口圓柱筒，將圓筒放至光滑平整的有機玻璃板上，并將剛攪拌均勻的水泥固化土拌合物裝入圓筒中并裝滿。用刮刀將表面刮平后，輕輕提起圓筒，拌合物在有機玻璃板上形成塌陷體，測量其最大直徑和最小直徑，則兩者的平均值即為流動值。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 應力-應變關系曲線

圖2為不同初始含水率和養(yǎng)護齡期條件下固化土試樣典型的應力-應變曲線，其中每個試樣的峰值應力即為無側(cè)限抗壓強度qu?？梢园l(fā)現(xiàn)，固化土試樣的應力—應變曲線均為應變軟化型。即土體的應力隨應變的增加呈先增大，待達到峰值后再減小的變化趨勢。這主要是由于當水泥摻量超過一定值后，土中形成膠結(jié)結(jié)構，外加荷載作用下土體結(jié)構破碎后表現(xiàn)出脆性特性［18-19］。同時，從圖2 可以看出試驗的破壞應變基本都分布在1%~2%左右，與一般的水泥固化土的破壞應變在0.5%~2%之間的結(jié)論相一致［20］。

由圖2 還可以看出，初始含水率的影響較為明顯，即在相同齡期條件下，較低的初始含水率試樣的應力—應變曲線高于較高的初始含水率的應力—應變曲線。這是由于水泥水化產(chǎn)物在固化試樣單位體積中的量不同［19］，因此初始含水率較低的試樣強度較高。反之，初始含水率較高時，其強度較低。而在相同的初始含水率下，養(yǎng)護齡期較長試樣的應力—應變曲線始終位于養(yǎng)護齡期較短試樣的上方［圖2（c）］。這主要是由于隨著養(yǎng)護齡期的增加，水泥水化反應生成的Ca（OH）2與黏土顆粒表面溶解的活性二氧化硅和氧化鋁發(fā)生火山灰反應，增加了土中水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝產(chǎn)物的產(chǎn)量，提高了固化土結(jié)構的密實程度和強度，宏觀表現(xiàn)為固化土無側(cè)限抗壓強度的增加［21-22］。

圖2 固化土典型的應力-應變關系曲線

2.2 無側(cè)限抗壓強度

圖3為相同養(yǎng)護齡期下固化土無側(cè)限抗壓強度隨土體初始含水率的變化規(guī)律。由圖可知，所有測試樣品的無側(cè)限抗壓強度qu均隨著含水率的增加而持續(xù)降低。含水量是影響軟黏土強度的重要因素之一，即含水量越高，強度越低［20］。同時，含水量也是影響水化反應的重要因素。但是含水量過高使得水化反應中水分過高，會導致顆粒間距離增大或顆粒簇間間距過大，強度降低［23］。

圖3 固化土無側(cè)限抗壓強度隨初始含水率變化規(guī)律

當養(yǎng)護齡期相同時，含水率較低的水泥固化土試樣的無側(cè)限抗壓強度高于含水率較高的試樣，如當養(yǎng)護齡期為7 d 時，含水率為80%的試樣無側(cè)限抗壓強度為786.4 kPa，含水率為160%的試樣無側(cè)限抗壓強度為229.6 kPa，下降了70.8%；當齡期為28 d 時，含水率為80%的試樣無側(cè)限抗壓強度為930.8 kPa，含水率為160%的試樣無側(cè)限抗壓強度為483.0 kPa，下降了48.1%；當齡期為42 d 時，含水率為80%的試樣無側(cè)限抗壓強度為980.6 kPa，含水率為160%的試樣無側(cè)限抗壓強度為495.7 kPa，下降了49.4%；當齡期為90 d時，含水率為80%的試樣無側(cè)限抗壓強度為1 027.9 kPa，含水率為160%的試樣無側(cè)限抗壓強度為509.6 kPa，下降了50.4%。

測定不同養(yǎng)護齡期下水泥固化土的無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果如圖4所示。不同初始含水率下，固化土的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增加，均表現(xiàn)出逐漸增大的變化趨勢，且強度增長速率隨著齡期的增加而逐漸減小。這主要是由于隨著齡期的增加，水泥的水化反應不斷進行，生產(chǎn)了更多的水化產(chǎn)物，使得土體微觀結(jié)構強度和密實性得到提升，宏觀表現(xiàn)為土體對外加荷載抵抗能力的增加［24］。之后，隨著養(yǎng)護時間的進一步增加，水泥的水化反應接近完成時，土體的無側(cè)限抗壓強度將趨于穩(wěn)定。對于本文試驗所用土樣，養(yǎng)護42 d后固化土的無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的增加即基本達到穩(wěn)定。

圖4 固化土無側(cè)限抗壓強度隨養(yǎng)護齡期的變化規(guī)律

此外，當初始含水率較高時，養(yǎng)護齡期28 d 的試樣強度可達到齡期為7 d的試樣強度的1.5~2.0倍左右，這與張春雷等［19］得到的固化土28 d的強度比7 d強度可以提高1.4~2.3倍的結(jié)論較為一致。如當初始含水率為160%時，齡期為7 d 的試樣強度為249.6 kPa，齡期為28 d 的試樣強度為483.0 kPa，后者達到前者的1.9 倍；當初始含水率為130%時，齡期為7d的試樣強度為349.0 kPa，齡期為28 d的試樣強度為602.0 kPa，后者達到前者的1.7倍。

為進一步探究初始含水率對水泥固化土強度的影響，收集已有文獻中不同地區(qū)固化土的試驗結(jié)果進行分析（表1）。圖5為相同養(yǎng)護齡期與水泥摻量下不同液限土體固化處理后28 d 強度隨初始含水率的變化曲線。相同初始含水率下，固化處理后土體的無側(cè)限抗壓強度隨實驗土體的不同呈分散式的規(guī)律，由此推斷水泥固化土的強度還受到土體液限的影響，總體來看，在含水率與齡期相同的條件下，液限低的土體強度要大于液限較高的土體。

表1 文獻中土體液限

圖5 固化土28d無側(cè)限抗壓強度隨初始含水率變化規(guī)律

不難發(fā)現(xiàn)所有土樣的抗壓強度均隨著初始含水率的增大而減小，這與本文試驗規(guī)律相同；而由于土樣的液限不同，盡管養(yǎng)護齡期與水泥摻量一致，仍呈現(xiàn)出較大的差別，在含水率96%時，淮安土樣的強度是天津土樣的5.7 倍，這表明液限對水泥加固土強度有較大的影響。

2.3 流動度

流動度是影響水泥固化土拌合物現(xiàn)場泵送和施工的重要因素之一，而其受初始含水率的影響較大。圖6給出了不同初始含水率條件下水泥固化土試樣的流動性測試結(jié)果?？梢钥闯鲈嚇拥牧鲃又惦S著初始含水率的增加而持續(xù)增加。根據(jù)Rajendran［17］所示，對于高流動性材料其流動值不小于20.3 cm，低流動性材料小于15.2 cm。由圖可得出，該試樣表現(xiàn)為低流動性。

圖6 不同初始含水率下固化土的流動值

圖7 是幾種淤泥土的流動度對比圖，可以看出初始含水率越高，土樣的流動度越大，而液限低的土樣其流動度大于液限較高的土，在含水率為120%時，天津土的流動值是淮安土樣的1.1倍，是鹽城土樣的5 倍，這說明土樣的物理性質(zhì)同樣對固化土的流動度有較大的影響。

圖7 不同土樣的流動值隨初始含水率的關系

3 結(jié) 論

（1）固化軟黏土試樣的應力-應變曲線均為應變軟化型，表現(xiàn)出脆性破壞特性。相同養(yǎng)護齡期條件下，初始含水率低的試樣的應力-應變曲線始終位于初始含水率高的試樣的上方。

（2）初始含水率對水泥固化土強度具有負面影響，即隨著初始含水率的增加，其無側(cè)限抗壓強度均隨之降低。

（3）對于不同初始含水率的固化土試樣，其強度均隨養(yǎng)護齡期的增加而增大，且強度增長速率隨著齡期的增加而逐漸減小。

（4）試樣的流動值隨著初始含水率的增大而增加，整體表現(xiàn)為低流動性。