水泥掺量与上覆应力耦合作用下软黏土固结渗透特性分析

孙福平,陈 杰,陆友芽,江廷荟

(1.广西河田高速公路集团有限公司,广西 南宁 530029;2.广西道路结构与材料重点实验室,广西 南宁 530007;3.广西交科集团有限公司,广西 南宁 530007)

0 引言

软黏土是一类具有高含水量、高孔隙比、高压缩性和低剪切强度的细粒土,其给道路路基的设计带来了一定的困难和挑战性。这种软黏土广泛分布在我国湛江、天津、温州等地区[1-3],其固结渗透特性引起的高沉降量和不均匀沉降现象是路基建设中常见的典型问题[4]。如何用改良软黏土替代造价较高的换填法,并对其固结渗透特性进行评价,是未来深入研究的热点问题。

固结渗透特性是软黏土的重要特性之一。固结压力是影响固结渗透性的一个重要因素,其与抗剪强度、孔隙比、屈服应力、压缩指数和孔隙度等息息相关[5-6]。罗嗣海[7]获取了软黏土渗透系数与孔隙比之间的关系式,并计算了渗透系数随固结时间的变化。蔡超等[8-9]探讨了软黏土渗透系数随应力水平变化的规律,并提出了软黏土固结压力与渗透系数的定量关系,推进了渗透系数预测理论在实际工程中的应用。黄赵星等[10]对固结条件下的软黏土孔隙演化规律进行了分析。余良贵[11]分析了沉积环境和动力特性对软黏土渗透系数的影响。软黏土的渗透固结规律及机理已有一定的研究,但是多聚焦于天然沉积软黏土,对改良软黏土的研究仍有待深入。

许多改良方法被提出并应用于软黏土固化研究当中,包括电渗加固、石膏、石灰、粉煤灰、水泥等[12-14]。水泥材料较为廉价,是实际工程中应用最广的技术之一。学者们针对水泥改良软黏土(CMSC)的力学强度开展了较多研究。Walske等[15]研究了在现场养护条件下温度和压力对水泥填充材料的强度的影响。Subramaniam等[16]研究了低水泥含量(2.5%～10%)固化稳定软黏土的应力-应变行为和临界状态参数,并提出了经验公式预测临界状态参数。Wang等[14]研究了90天长期固稳定条件下水泥固化软黏土的强度和变形规律。Liu等[17]通过现场测试和数值模拟,研究了水泥浆浓度和原位含水量条件下的固化效果。总之,在软黏土中添加水泥会增加刚度和强度,降低延展性和压缩性,使其屈服应力增加,孔隙比急剧下降[18];胶结产物如铝酸钙水合物(CAH)、硅酸钙水合物(CSH)和硅酸铝钙水合物(CASH)将增加颗粒之间的粘结,减小了孔隙尺寸,并提高强度[19-20]。综上可知,对于处理过的软黏土,岩土工程特性取决于固结效应和化学反应,学术界已对水泥的改性机理展开了大量研究,然而鲜有研究考虑上覆应力条件与水泥掺量比的耦合作用下软黏土的固结渗透特性。

本文将针对水泥改良软黏土开展试验研究,探讨CMSC的固结渗流变化规律,阐明水泥改良剂对软黏土固结渗透特性的影响。通过分析上覆应力和水泥掺量比的耦合效应,研究不同条件下的CMSC固结压缩规律以及渗流规律,查明影响CMSC固结渗流特性的主要因素,为软黏土地区路基填筑工程提供理论参考及技术依据。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

软黏土试样取自湛江某公路项目建设现场,深度为3～4 m。该场地软黏土含水量高、压缩性高、强度低、含粉量高,其基本参数如表1所示。

表1 软黏土的基础物理性能指标表

试验所用水泥为32.5级华新牌普通硅酸盐水泥,初凝时间约为4 h。

1.2 试验材料

将现场取回的试样自然风干,用橡胶锤碾碎,过2 mm孔径的圆孔筛备用。将过筛后的风干土与水泥混合均匀,调制成初始含水率为35%的土样,并压制成直径61.8 mm、高度为20 mm、干密度为1.12 g/cm3的试样块。采用水泥掺量比η为0、5%、10%、15%、20%、25%进行试验,其中15%预估为综合经济性考虑后实际工程中抗剪强度较高的水泥掺量比[21]。在调制过程中,分两次加入设计水量:第1次喷洒一定的水量到混合土样中,使其含水率达到30%的状态,然后将其密封在塑料袋中48 h,保证水泥的水化反应充分;第2次喷洒5%的含水率,并密封闷料24 h,随后压制成拟定尺寸的试样块。

本研究采用自制的固结渗透仪进行固结渗流试验。该装置由常规固结仪经过简单改装后制作而成,可在每级荷载加载完成且试样固结稳定后,施加设定的水头进行变水头渗透试验,从而得到每一级固结应力下的渗透性。具体改装方法可参考Tavenas等[22]的研究。固结过程中,按照《土工试验方法标准》(GB 50123-2019)的固结试验方法施加上覆应力。

2 试验结果与分析

2.1 固结试验结果

通过一维固结试验,分析了不同上覆压力下CMSC压缩指数(Cc)、孔隙比(e)和压缩模量(Es)的变化规律。

CMSC的孔隙比参数通过He等[23]提出的方法进行计算。通过不同掺量比η的CMSC固结试验,获取的e-lgp曲线以及εa-p(主应变-上覆应力)曲线如图1所示。

图1 e-lgp曲线图

由图1可知,低掺量比CMSC的e-lgp曲线和εa-p曲线均呈现典型的高压缩性特征。由εa-p曲线可知,随着掺量比η的增长,相同上覆应力下主应变逐渐减小,屈服应力增大,可见改良土刚度和压缩强度阈值增大。随着固结应力的增长,5%与10%掺量比的e-lgp关系曲线逐渐重合,15%～25%掺量比的e-lgp关系曲线在另一趋势线上重合。根据固有压缩特征理论[24],这反映了一定掺量比η范围内CMSC具有相同的固有压缩特征。可认为η≤10%的CMSC具有同一种压缩特性,反之η>10%的CMSC具有另一种压缩特性。在工程应用中,需要根据掺量比的固有压缩特征预估路基等构筑物的沉降。

采用p=100～200 kPa的割线斜率对CMSC的压缩性进行评价,即:

(1)

式中:pi——某i级压力值(kPa)。

根据式(1)计算的压缩系数α1-2见图2。压缩模量Es也是评价土体压缩性的重要指标之一,其反映了土体在侧限条件下,竖向上覆应力与主应变增量的比值,该指标计算式如下:

图2 固结指标随掺量比变化关系拟合曲线图

(2)

式中:e0——初始孔隙比。

采用p=100～200 kPa的压缩模量对CMSC的压缩性进行评价。根据式(2)计算的压缩模量E1-2见图2。为了对高上覆应力状态下CMSC的压缩变形特征进行分析和评价,采用压缩指数Cc进行分析,压缩指数的计算式如下:

(3)

式中:上覆应力p取400 kPa以上的高上覆应力,计算结果见图2。

由图2可知,η=0时,软黏土的压缩系数α1-2较高,随着η的增长,压缩系数α1-2明显降低,压缩指数Cc略有降低。压缩指数Cc下降趋势小,这是因为在高应力范围内上覆应力是影响CMSC压缩性的主要因素。压缩系数α1-2的变化关系曲线与压缩指数Cc的变化关系曲线在掺量比约为15%时相交,说明采用此掺量比能获取较为适中的压缩性。压缩系数、压缩模量、压缩指数分别与η呈线性变化关系,回归拟合关系见式(4):

(4)

为了进一步分析不同上覆应力状态下CMSC的孔隙比随掺量比η的变化规律,分别取最大上覆应力p=100 kPa下的孔隙比与初始孔隙比之差Δe1=e100-e0、最终孔隙比与初始孔隙比之差Δe2=em-e0进行分析。孔隙比指标随掺量比的变化关系见图3。

图3 孔隙比指标随掺量比变化关系拟合曲线图

由图3可知,最终孔隙比em随掺量的增长而增长,说明掺量比的提高能显著减小土体的压缩性。这也是Δe1和Δe2随掺量比η升高而降低的原因。Δe1的下降趋势比Δe2的下降趋势较缓,说明100 kPa以下的上覆应力较小,无法破坏水化物的胶结效应。换言之,在低上覆应力的条件下,水泥掺量是影响CMSC压缩性的主要因素。结合图2可知,在中等应力范围内(100～400 kPa),水泥掺量比仍是影响CMSC压缩性的主要因素。孔隙比指标随掺量比变化关系如下:

(5)

2.2 渗透试验结果

由图4可知,当上覆应力p<10 kPa时,渗透系数降低幅度较小;当10 kPa≤p<400 kPa时,渗透系数的降低幅度较大,渗透系数的变化主要发生在此上覆应力范围内;当p≥400 kPa时,不同掺量比的CMSC的渗透系数相差不大,此时掺量比已难以对渗透系数产生影响。随着上覆应力p的升高,不同掺量比CMSC的渗透系数变化趋势不同。根据渗透系数变化拐点连成一条曲线AB。由曲线AB可知,拐点随掺量比的变化而增大,说明水泥掺量比显著影响低上覆应力范围内CMSC的渗透性。

图4 渗透系数与上覆应力的变化关系曲线图

在极低应力范围(p<10 kPa)内,水泥掺量比对CMSC的渗透性起主导作用;在高应力范围(p≥400)内,上覆应力对CMSC的渗透性起决定作用。这是由于高上覆应力条件下,土体中较大的孔隙已被挤压重组为小孔隙,此时水化产物无法填充进入这些微孔隙中。当上覆应力在10～400 kPa内,上覆应力与水泥掺量比的耦合作用最为复杂,为了进一步分析上覆应力与水泥掺量比的耦合效应,分别取12.5 kPa、100 kPa、200 kPa、400 kPa下渗透系数与掺量比的变化关系曲线进行分析,如图5所示。

图5 渗透系数与掺量比的变化关系拟合曲线图

由图5可知,随着上覆应力的增长,变化关系曲线斜率越小。当p≥200 kPa时,变化关系曲线逐渐趋近于水平线。因此可知,p<200 kPa时,水泥掺量比仍是影响CMSC的主要因素。对于道路路基而言,一般其上覆应力较小,因此实际工程中应主要考虑水泥掺量比对CMSC渗透性的影响。

当p=400 kPa和p=10 kPa的渗透系数变化关系曲线相互连接,可形成梯形ABCD。可采用该梯形边界的线性关系,预测不同掺量比和上覆应力条件下CMSC的渗透系数,从而便于实际工程应用中对CMSC掺量比进行精细设计。不同上覆应力下渗透系数k与掺量比的关系如下:

(6)

3 结语

(1)掺入水泥可改变软黏土的固有压缩特性,计算路基等构筑物的沉降量时,需要根据不同掺量比CMSC的固有压缩特征进行评估。

(2)当p<400 kPa,水泥掺量是影响CMSC压缩性的主要因素。路基填筑等工程应用中,建议采用掺量比η=15%,能获取较好的压缩性。

(3)当p<200 kPa时,水泥掺量比是CMSC渗透性的主要影响因素。对于路基填筑工程而言,应主要考虑水泥掺量比对CMSC渗透性的影响。

(4)根据本研究提出的渗透系数与掺量比的经验关系,可采用线性插值法预估CMSC改性软黏土路基的渗透系数。