滨海水泥土固结特性时间效应分析

朱倩莹 钱 彪 李 娜 安栋梁 田 旭

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000；2.同创工程设计有限公司,浙江 绍兴 312000)

0 引言

滨海软土是指在较弱海浪暗流及潮汐的水动力作用下，逐渐沉积而形成的淤泥，广泛分布于我国的沿海、湖泊地区[1-3].由于滨海软土本身存在含水率高、孔隙比大、抗剪强度低、压缩性较大等特点，无法直接将其作为天然地基，因此在实际工程中一般需要加固处理[4-5].

目前比较常见的加固方法是在软土中加入水泥，以此来增强软土力学性能.软土、水泥以及水的混合物被称为水泥土.学者们对水泥土在力学强度方面已经有较多研究和成果.梁仁旺[6]在中掺入不同掺量的水泥，并绘制水泥土材料的应力-应变曲线，为进一步分析水泥土材料奠定了基础.陈达[7]等通过室内配比试验和力学加载试验，得到了90 d龄期下的5种不同固化剂的水泥土试样的应力-应变曲线，并建立了水泥土抗压强度与龄期间的关系式.王军[8]对水泥土进行不排水三轴压缩试验，发现水泥土体的强度与刚度均随着围压与水泥掺入比的增加而增加，而孔压随之减少.肖桃李[9]通过控制水灰比不变，研究不同水泥掺量和不同龄期等条件下水泥土无侧限抗压强度的变化规律，发现水泥土的强度增长幅度最大的水泥掺量.潘有林[10]进行了混合水泥土室内抗压强度试验，找到了水泥土抗压强度与水泥掺量、养护龄期三者的相关公式.

学者们对水泥土的抗压强度做了较多研究，但对滨海水泥土的固结特性研究还不多.王伟[11]对纳米MgO改性水泥土进行室内一维固结压缩试验研究其改性效果.王新辉[12]对连云港的水泥土地基进行了固结理论和变形特征的研究，并将研究成果进行推广应用.目前对滨海水泥土固结特性时间效应的探究还较少，从微观角度解释龄期对滨海水泥土固结特性的影响的文章更少.故本文将对滨海水泥土固结特性的时间效应进行分析，并探究其微观机理.

1 试验材料

1.1 滨海软土

本次试验所用的滨海软土取自于绍兴市上虞区滨海新城江滨区域，新城地处杭州湾金南翼，北起钱塘江，西南至曹娥江，东至嘉绍高速公路.该地段的土体靠近江河湖泊，含水率较高，是典型的滨海软土区域.对滨海新城的滨海软土进行SEM电镜扫描得到滨海软土表面形态微观图，如图1所示.可见滨海软土的表面较稀疏，土粒之间空隙较大，土颗粒之间的空间骨架不明显.

滨海软土基本物理指标如表1所示，化学元素成分如表2所示.由表2可见，滨海软土中最主要的成分为SiO2.SiO2约占所有化学元素质量的54%，Al2O3和MgO约占总质量1/3.

1.2 水泥

试验采用的水泥为兰亭牌复合硅酸盐水泥，强度为P.C32.5.对水泥进行SEM电镜扫描得到

水泥的表面形态微观图，如图2所示.可见水泥的表面颗粒间空间较密致，颗粒与颗粒之间连接紧密。

水泥化学元素成分如表3所示，硅酸盐水泥主要由硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙以及铁铝酸四钙等矿物组成.经检测，其中CaO约占所有化学成分质量的65%.

表1 滨海软土基本物理指标

土质土层埋深/m天然含水率/%容重/g.cm-3孔隙比饱和度/%液限/%塑限/%滨海软土1-35671.631.7498%4024

表2 滨海软土化学成分

化学成分SiO2Al2O3MgOTiO2K2OFe2O3MnOCaOZnOω(%)54.0517.3415.782.072.360.851.054.432.03

表3 水泥化学成分

化学成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOSO3ω(%)21.685.644.2264.892.51

2 试验设计

2.1 试验方案

所有试样都以滨海软土为基本土样，目标含水率均拟定为80%，水泥掺量均为干土质量的20%.试样的测试龄期分别为7 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、28 d.

一个测试龄期为一组试验，由于试验具有偶然性以及数据具有离散性，每组试验做5个试样，即每组重复测试5次数据.共有7种不同的测试龄期，故有7种试样代号.试样代号所代表的龄期如表4所示，表格中CCS-X的含义如下：其中CCS为滨海水泥土(Coastal cement soil)，X为测试龄期.

2.2 试样制作

将取来的滨海软土用水浸泡数日后过筛，所用筛的孔径为1 mm.除去淤泥中的粉碎大颗粒以及贝壳等杂质，搅匀后静置两周.两周后过筛的软土含水率较稳定，取适量软土，测得其实际含水率.

按照设计好的试验方案计算配比，称取相应的滨海软土、水泥以及水，搅拌均匀，随后倒入直径61.8 mm，高度20 mm的环刀中.将试样在圆形环刀中振实，并将其表面抹平，固结试样如图3所示.制样完成之后将所有的固结试样放入恒温恒湿养护箱中养护相应的天数.

2.3 设备与加载

图4为本试验采用的全自动气压固结仪，型号为LH-STC-1F.本次固结试验按照《土工试验方法标准》[13]的试验规定进行，在进行固结压缩试验时的加载荷压分别为12.5 kPa，25 kPa，50 kPa，100 kPa，200 kPa，400 kPa，800 kPa，400 kPa，200 kPa，100 kPa，50 kPa，25 kPa，12.5 kPa，每级荷载加压持续1 h.从12.5 kPa加压至800 kPa后卸压，每级卸压为1 h，卸压至12.5 kPa.从试验开始到试验结束，总共需12 h.考虑到实际工程状况，加载荷压加至800 kPa即可.试样压缩前后对比图如图5所示.

3 固结压缩特性分析

3.1 滨海水泥土变形量分析

将不同养护龄期下的滨海水泥土进行固结压缩后，绘制其变形量与加载压力的曲线图，如图6所示.

图6所示为不同龄期下滨海水泥土压缩变形量曲线图，养护7 d的滨海水泥土随着竖向压力的增大， 在800 kPa的竖向压力下， 其最大压缩量可达到4.31 mm，变形率为21.6%.而经过28 d的养护后，同级压力下沉降量都有大幅度下降，在800 kPa的竖向压力下，其最大压缩量仅为3.25 mm，变形率为16.3%.28 d龄期的滨海水泥土较7 d龄期下的最大压缩量下降了1.06 mm，最大变形率下降了5.3%.

表4 试样代号所对应的掺量及龄期

测试龄期(d)781012141628试样代号CCS-7CCS-8CCS-10CCS-12CCS-14CCS-16CCS-28

3.2 滨海水泥土孔隙比变化分析

参考土力学中测土粒比重的方法，本次试验中测得滨海水泥土在不同养护龄期下的颗粒比重ds以及试样密度ρ.根据公式(1)，求得滨海水泥土试样的初始孔隙比，如表5所示.

(1)

公式(1)中，ds为试样的颗粒比重，ω为试样含水率，ρ为试样密度，ρω为水的密度.

对7 d、8 d、10 d、12 d、14 d、16 d、28 d养护龄期下的滨海水泥土进行固结压缩试验过后，根据公式(2)得到不同压力下孔隙比.

表5 试样代号所对应初始孔隙比

代号测试龄期(d)颗粒比重初始孔隙比CCS-772.672.12CCS-882.632.09CCS-10102.562.00CCS-12122.541.98CCS-14142.531.97CCS-16162.511.94CCS-28282.471.90

(2)

公式(2)中，e0为试样初始孔隙比，△h为试样压缩量，h0为试样初始高度，ei为试样在不同压力下的孔隙比.图7-图8为不同龄期下滨海水泥土e-p以及e-lgp曲线图.滨海水泥土随着养护龄期的增长，其初始孔隙比减小.加压后，试样的初始孔隙比与最终压力下的孔隙比的变化量也随着养护龄期的增长而逐渐减小，在800 kPa时，养护7 d的滨海水泥土在固结压缩后其孔隙比减小值为0.67，养护28 d的滨海水泥土孔隙比减小值为0.50.

3.3 滨海水泥土压缩系数分析

为了进一步探究不同龄期下滨海水泥土试样的压缩性，根据公式(3)求得压缩系数.

(3)

公式(3)中，α为试样压缩系数，e1为试样在p1压力下的孔隙比，e2为试样在p2压力下的孔隙比，p2为p1后一级的压力.

图9所示的是不同养护龄期下滨海水泥土的压缩系数，起初加压时，所有的试样的压缩系数变化较大，在竖向压力加载至400 kPa后，滨海水泥土的压缩系数开始慢慢下降并趋向于稳定值0.63MPa-1附近，其压缩系数越小，其孔隙比变化越缓慢，因而土的固结趋向于稳定.借鉴土力学中对土体压缩系数的分析[14]，在压力段P1(100 kPa)至P2(200 kPa)时的压缩系数α1-2来看，7 d龄期下的滨海水泥土压缩系数较高，属于高压缩性水泥土.14 d以及28 d龄期下的滨海水泥土的压缩系数下降至0.1MPa-1到0.5MPa-1之间，属于中压缩性水泥土.在同级压力下，随着养护龄期的增长，其压缩系数明显减小.养护龄期的增长使得滨海水泥土压缩速度减缓，抗压缩能力增强.

3.4 滨海水泥土回弹量分析

图10为不同龄期下滨海水泥土卸压回弹量.当荷载从800 kpa开始卸载压力时，试样开始有略微反弹.且随着滨海水泥土养护龄期的增加，其反弹能力减弱.养护7 d时，土样卸载时回弹量为0.71 mm，养护28 d后，土样卸载回弹量为0.32 mm，约为养护7 d龄期下的1/2.

综上规律可见，当压力从12.5 kPa增加至800 kPa时，水泥土试样有最大的压缩量，养护龄期越久，水泥与水的水化物和软土颗粒之间的反应越来越充分，滨海水泥土的抗变形能力也逐渐增强，最大压缩量越小.压力从800 kPa卸载至12.5 kPa时，水泥土的反弹能力随着养护龄期的增长而减弱，养护龄期越久的水泥土越稳定.

4 微观分析

为了进一步研究养护龄期对滨海水泥土的抗压缩效果的影响，有必要从微观角度来分析[15-18].将微观上的颗粒形状以及骨架结构反馈至宏观力学上，结合宏观和微观分析，使得研究成果更具有说服力[19-21].

不同养护龄期下水泥土的微观SEM电镜图见图11，养护龄期为7 d时，已经有较多微小的纤维状的针状结晶体.养护龄期为14 d时，结晶体变大变粗.当养护龄期到达28 d时，则出现了较大的结构单元体，试样中的结构类型大部分有团聚状结构.随着养护龄期增长而产生的这些团聚状结构，使得颗粒之间形成了较大的坚实的骨架，因而提高了滨海水泥土的抗压缩变形能力.

5 结论

(1)随着养护龄期的增长，软土与水泥反应充分，试样稳定.水泥土的抗压缩性能随着养护龄期的增长而增强.在最大荷载800 kPa下，28 d龄期下的滨海水泥土的变形压缩量较7 d龄期下减少了1.06 mm，孔隙比变化绝对值从0.67下降至0.5，变形率从21.6%下降至16.3%.

(2)随着养护龄期的增长，滨海水泥土在卸载压力时回弹能力减弱.7 d养护龄期的水泥土的回弹量为0.71 mm，28 d养护龄期的水泥土的回弹量为0.32 mm.

(3)养护初期，水泥土试样中有较微小的纤维状针体结晶，随着养护龄期的增长，试样内部反应也趋向于平稳.28 d龄期后，水泥土试样内的细小纤维状晶体变成了较大的结晶物，均匀地分布在土体之中，形成骨架.可见随着养护龄期的增长，土颗粒之间有较大的骨架形成，也解释了水泥土的抗压缩性能随着龄期的增长而增强的原因.

需要说明的是，本文仅从固结压缩试验和SEM测试两方面讨论了滨海水泥土固结特性的时间效应，对于微观机理与宏观力学之间的关系有待进一步深入研究.