冻融作用下工程渣土固化土长期力学特性研究

曹文权

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

近年来，随着经济的不断快速发展，我国地下空间建设发展势头迅猛。但在盾构隧道、地下输水管廊等地下工程的建设过程中产生了大量工程渣土，此类工程渣土的处理已经成为了地下空间工程低碳发展面临的重要问题[1-2]。将地下空间工程渣土进行固化处理并进行工程应用绿色环保，但由于自然环境中冻融循环对固化土的长期力学特性有较大影响，因此，对工程渣土固化土在自然环境中的长期力学性能进行研究具有重要理论意义和工程价值。

目前已有较多学者对工程渣土固化土的力学特性展开了相关研究，并取得了较多成果：姜军等[3]通过室内试验分析了盾构渣土应用于新型墙体的可行性；张卓等[4]将盾构渣土通过免烧免蒸工艺制备成陶粒，较好的避免了盾构渣土中重金属离子对自然环境的污染；郝彤等[5]通过室内试验，将郑州某地铁盾构产生的渣土改良制作成水泥复合材料，并对其工作特性展开了分析；李杰等[6]利用自主研发的固化剂，将宁波某盾构隧道渣土制备成免烧陶粒，并对该类型陶粒的物理力学性能和微观特性展开了详细研究；张华[7]在总结其他学者的成果基础之上，通过掺砂法将盾构产生的渣土进行改良并应用于了路基填筑工程中，应用效果较为良好；张书经[8]利用碱激发矿渣作为固化剂，对某盾构工程产生的渣土进行了固化，并对其耐久性进行了室内试验。综上所述，目前对于盾构渣土的固化研究主要集中于应用不同固化剂将盾构渣土固化制成常规密度固化土，但已有常规固化土密度与正常土体接近，大面积应用时易在地基中产生较高的附加应力，从而提高工程造价甚至危害工程安全。轻质固化渣土在自然环境中极易受到干湿冻融效果的作用，其长期力学性能将会直接影响道路工程的安全。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程土建施工A5标位于佛山市顺德区，全线长约5.64 km，采用地下深埋盾构施工。盾构施工过程中会产生大量砂卵石、中细砂和淤泥等多种工程渣土，且此类渣土中含有盾构施工中应用的膨润土等材料，若利用常规堆放方法对上述工程渣土进行处置，势必会对环境造成污染。

为推进工程施工中“碳中和碳达峰”进程，对本工程中产生的渣土进行资源化利用处理。其中较大粒径的砂卵石进行破碎后可作为碎石；中细砂进行筛选后可作为混凝土配料；对于大量的黏土，可采用固化技术处理后应用于公路路堤建设，或加工成免烧砖用于市政建设中。

在实际应用过程中，路堤将直接暴露于自然环境中。在秋冬季冻结和春夏季融化的循环作用下，固化土的强度指标和变形指标会产生较大变化，进而直接影响固化土路堤的安全稳定性。

2 力学性能试验

2.1 试验方案

本文拟对不同含水率、不同密度下轻质固化土在冻融循环作用下的长期力学指标进行研究，试验方案如表1所示。

表1 试验方案

(1)冻融试验过程：考虑本次试验在室内完成，对土体的复杂边界条件进行一定的简化。具体方案如下：冻融设备采用湿度可控式高低温温控箱。冻结时土样含水率控制为试验所需值(如表1所示)，温度控制为-20 ℃，融化时的温度控制为20 ℃。经过多次尝试性的冻结和融化试验，发现试样经过6 h即可完全冻结，6 h即可完全融化，因此选定一个冻融循环时间为12 h。

(2)强度指标试验过程：将不同含水率的固化土进行0次、1次、2次、3次、4次、6次和10次冻融循环后，在静力三轴仪上进行剪切试验，根据他人研究成果，试验中不考虑固结和排水条件，围压分别为100、200、300及400 kPa。

(3)变形指标试验过程：将制备的固化土进行0次、1次、3次、5次、7次、10次、15次、25次冻融循环之后进行固结压缩试验。试验仪器采用WG型单杠杆固结仪。加压等级分为25、50、100、200、300、400和800 kPa，每级荷载压缩持续1 h，最后一级需要记下1 h后的读数外还要记录24 h后的读数。

2.2 试样制备

本试验中所使用的工程渣土取自珠江三角洲水资源配置工程土建施工A5标，其基本性质见表2。固化剂主要包括生石灰、水泥、铝粉，通过固化剂正交试验并充分考虑土体强度和工程造价等因素确定固化剂主要配比：生石灰∶水泥∶铝粉=60%∶38%∶2%。

表2 工程渣土基本物理力学指标

试验中通过改变固化剂与土体之间的比例分别配制含水率为10%、12%、14%、16%、18%、20%的固化土；通过改变固化剂基准配比中铝粉含量分别配制密度为1.45、1.55和1.65 g/cm3的固化土。

在制样时先将工程渣土与固化剂进行搅拌，搅拌均匀后，分3～4次分层放入制作好的模具(内直径3.98 cm、高度8 cm的有机玻璃管)中分层振实并进行密封标准养护。结合他人试验结果，选择龄期28 d的轻质固化土进行物理力学试验分析。

3 试验结果及分析

3.1 冻融循环对固化土内摩擦角的影响

通过对不同围压下固化土的静力三轴剪切试验可以获得不同冻融循环次数条件下固化土内摩擦角值如表3所示，其随冻融循环次数变化如图1所示。

表3 不同含水率的土体内摩擦角φ(°)

图1 内摩擦角与循环次数关系曲线

结合表3和图1可知，随着冻融循环次数的增大，内摩擦角不断降低且降低幅度不断减小，冻融循环次数超过6次后内摩擦角趋于稳定；且含水率越低，固化土的内摩擦角越大。

引入内摩擦角劣化系数Kφ描述内摩擦角随冻融循环次数的变化关系，并选用生长曲线函数对内摩擦角随冻融循环次数的变化关系进行拟合，生长曲线函数如式(1)所示：

Kφ=aφ+bφe(-n/λφ)

(1)

式中：aφ、bφ、λφ为系数。Kφ为内摩擦角的劣化系数，可表示为：

(2)

式中：φn为n次冻融循环后固化土内摩擦角；φ0为不经历冻融循环时固化土内摩擦角。

将表3中数据代入式(1)和式(2)，可拟合得到内摩擦角劣化系数随冻融次数变化的上下限曲线如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

上式拟合效果如图2所示。由图2可知，式(3)和式(4)可以较好的反映内摩擦角劣化系数随冻融次数变化关系，实际工程中可利用上式对工程渣土固化土内摩擦角的范围进行计算。

图2 内摩擦角劣化系数与循环次数关系曲线

表4列出了工程渣土固化土在冻融循环作用下内摩擦角劣化系数随循环次数的参考取值范围，实际工程中也可以根据该表评估工程渣土固化土经过冻融循环后的内摩擦角取值范围，含水率高时取小值。

表4 内摩擦角劣化系数参考值

3.2 冻融循环对固化土黏聚力的影响

通过对不同围压下固化土的静力三轴剪切试验可以获得不同冻融循环次数条件下固化土黏聚力值如表5所示，其随冻融循环次数变化如图3所示。

表5 不同含水率的固化土黏聚力变化 kPa

由表5和图3可知，随着冻融循环次数的增大，工程渣土固化土黏聚力不断降低且降低幅度不断减小，冻融循环次数超过6次后黏聚力基本趋于稳定；且含水率越低，固化土的黏聚力越大。

图3 黏聚力与循环次数关系曲线

引入黏聚力劣化系数Kc描述黏聚力随冻融循环次数的变化关系，并选用生长曲线函数对黏聚力随冻融循环次数的变化关系进行拟合，生长曲线函数如式(5)所示：

Kc=ac+bce(-n/λc)

(5)

式中：ac、bc、λc为系数。Kc为黏聚力的劣化系数，可表示为：

(6)

式中：cn为n次冻融循环后固化土黏聚力；c0为不经历冻融循环时固化土黏聚力。

将表5中数据代入式(5)、式(6)，可拟合得到黏聚力劣化系数随冻融次数变化的上下限曲线如式(7)、式(8)所示：

(7)

(8)

上式拟合效果如图4所示。由图4可知，式(7)和式(8)可以较好的反映黏聚力劣化系数随冻融次数变化关系，实际工程中可利用上式对工程渣土固化土黏聚力的范围进行计算。

图4 黏聚力劣化系数与冻融循环次数关系曲线

3.3 冻融循环对固化土变形指标的影响

通过对不同密度固化土的侧限条件下的压缩试验可以获得不同冻融循环次数下固化土压缩模量如表6～表8所示。

表6 密度为1.65 g/cm3压缩模量MPa

表7 密度为1.55 g/cm3压缩模量MPa

表8 密度为1.45 g/cm3压缩模量MPa

经历一次冻融循环后，压缩模量为大约初始的80%～90%；经历3次冻融循环后，压缩模量为大约初始的60%～80%；经历10次冻融循环后，压缩模量大约为初始的50%～60%，且冻融循环10次之后压缩模量基本不再下降，极限可取初始压缩模量的50%～60%。

引入压缩模量劣化系数KE描述压缩模量随冻融循环次数的变化关系，并选用生长曲线函数对压缩模量随冻融循环次数的变化关系进行拟合，生长曲线函数如式(9)所示：

KE=aE+bEe(-n/λE)

(9)

式中：aE、bE、λE为系数。KE为压缩模量的劣化系数，可表示为：

(10)

式中：En为n次冻融循环后压缩模量；E0为不经历冻融循环时的压缩模量。

将表6～表8中数据代入上式，可拟合得到密度1.45 g/cm3、1.55 g/cm3和1.65 g/cm3固化土压缩模量劣化系数随冻融次数变化上下限曲线如式(11)、式(12)所示，实际工程中可利用该式对工程渣土固化土压缩模量的范围进行计算。

(11)

(12)

4 结论

(1)通过室内试验研究了工程渣土固化土在冻融循环作用下的长期力学性能，经历过10次循环后，黏聚力、内摩擦角、压缩模量劣化系数降低幅度均较小，即劣化系数趋于稳定，稳定后黏聚力劣化系数范围为0.47～0.55；内摩擦角劣化系数范围为0.91～0.93，含水率高时取小值；压缩模量劣化系数范围为0.51～0.61，密度小时取小值。

(2)建立了冻融循环作用下工程渣土固化土长期强度指标和变形指标拟合曲线，可为工程渣土固化土力学指标的选取提供参考。