天津地区海相软土微观结构特征及固化机理研究

柯尊弘 乾增珍 殷雪宁 岳 兵 周文静 王梓萱

(中国地质大学(北京)工程技术学院，北京 100089)

1 软土固化研究现状

天津地区广泛分布着深厚的海相沉积软土，该土工程性质较差，具天然含水量高、孔隙比大、强度低、可压缩性大等特点，其主要为淤泥或淤泥质土，地表终年潮湿或积水，含大量有机质，在工程上对该土的处理较为复杂。国内许多学者对软土进行了研究，简文彬等利用水泥—水玻璃固化软土，采用SEM图像研究了固化土的微观结构，研究结果表明：水泥—水玻璃水化后的纤维状和棱柱状产物相互搭接形成网络并包裹土颗粒形成较大颗粒起到加固作用[1]。杨爱武等向软土中添加固化材料石灰粉煤灰，通过室内试验和微观结构测试分析了石灰粉煤灰对天津地区滨海软土的改良效果[2]。王东星等用活性MgO联合工业副产物粉煤灰新型固化材料固化软土，发现固化土强度受活性MgO掺量、龄期以及水灰比影响较大[3]。本文通过掺入不同比例的水泥开展软土固化研究，对试样进行无侧限抗压强度试验，研究了固化土强度随水泥掺量以及养护龄期的变化规律，通过扫描电子显微镜及X射线衍射试验研究分析了固化前后软土的微观结构特征及矿物组成的变化规律。

2 试验材料及方案

2.1 试验材料

试验用土取自天津市西青区某深基坑，取土深度约为10 m，对取回的原状土开展若干室内试验，相关物理力学指标如表1所示。水泥为普通硅酸盐水泥(P.O42.5)。

表1 原状软土物理力学性质指标

2.2 试样制作与养护

向软土中分别添加占软土质量6%,12%,18%,24%及30%的水泥，添加一定质量的水调配制成天然含水量的拌合物。选用内径56 mm，高度140 mm的PVC管作为模具，在PVC管内壁上均匀涂抹一层薄凡士林油，后将拌合物放入模具中分层捣实，用橡皮筋及保鲜膜将试样两端密封，常温下养护至14 d,28 d,60 d及120 d。

3 试验结果

3.1 无侧限抗压强度试验

试验仪器为中国地质大学(北京)岩石力学实验室引进的电子万能试验机，峰值荷载为300 kN。试样达到养护龄期后，脱模并测量其直径、高度及质量，编号备用。以0.2 mm/min 的加载速率对试样进行无侧限抗压强度试验，试验结果如图1所示。试验结果表明：试样强度随水泥掺量提高不断增大，增长幅度在掺量12%～24%间达最大值，而后逐渐减缓。从龄期14 d～28 d强度提高幅度最大。

3.2 X射线衍射试验

表2 矿物X-射线衍射分析报告

表3 粘土矿物X-射线衍射分析报告

表2，表3为原土及不同水泥掺量固化样本的X射线衍射试验结果，相比于原土，掺入水泥的固化样本中石英、角闪石等矿物的含量略有提高，长石、方解石的含量略有降低，石英的硬度高于方解石、略高于长石，在矿物组成上固化土较硬质矿物成分的含量略高于原土。固化土粘土矿物的含量略有降低，但粘土矿物成分中的伊利石、蒙脱石混合层(I/S)大幅度降低，伊利石(It)含量大幅提升，高岭石(Kao)含量有一定程度的提高。矿物亲水能力：蒙脱石>伊利石>高岭石，晶层间联结力：高岭石>伊利石>蒙脱石，比表面积：蒙脱石≫伊利石>高岭石[4]。

3.3 扫描电镜(SEM)试验

图2为原状土在扫描电子显微镜下放大3 000倍的照片，可以看出软土由不规则片状及均匀粒状颗粒组成。片状颗粒间大多呈线与线、点与面、线与面以及面与面的杂乱接触；粒状颗粒大小均匀，如同大小相近的球体一般，它们的接触发生在颗粒表面上很小的范围内。颗粒间杂乱无章的接触在土体内部形成了很多微小的空隙，而软土中没有更小的颗粒去充填这些空隙，这就在土体内部搭建了巨大的空间。此外在图2c)中可以看出，片状颗粒与粒状颗粒之间呈点与面式接触，且存在多层片状颗粒间夹杂部分粒状颗粒的现象，这些片状颗粒像隔水膜一样覆盖在粒状颗粒外，在进一步扩增土体内部空隙的同时还对土体内水的运动起到了巨大的阻碍作用。可以看出海相软土颗粒间特殊的接触形式形成了海相软土孔隙比大、含水量高、可压缩性大、强度低等性质。

图3为不同水泥掺量及养护龄期下固化土的扫描电镜图，图中可以看出水泥的水化在软土内部产生了许多纤维状[5]、柱状物质(如图3b)，图3f)所示)，大量的纤维状及柱状物质包裹、覆盖在软土颗粒表面(如图3a)所示)，土颗粒表面变得粗糙，颗粒间粘结力得以增强[6]；此外，水化生成的大量纤维状、柱状物质填充了颗粒间的空隙，土体孔隙比大幅降低，可压缩性大幅下降，在外荷载作用下，这些物质就像建筑物楼层间的梁和柱，起到了骨架支撑作用，在限制土颗粒间相对位移的同时还将传递颗粒间的荷载，土体不再依赖较大幅度变形承受荷载，土体强度大幅提高。

4 结语

水泥的掺入提高了粘土矿物伊利石、高岭石含量，大幅降低了蒙脱石含量，使得固化土亲水能力减弱、颗粒间的联结力增强、土颗粒与周围介质的相互作用程度减弱，土体强度有所提高。

水泥水化生成的纤维状、柱状产物有效传递了土颗粒间的荷载，限制了颗粒间的相对位移，有效提高了土体强度并降低了其可压缩性。