注浆粉质黏土冻胀融沉特性:以福州地区四号线地铁为例

朱杰,唐文铖,高珍珍

(1.安徽理工大学土木建筑学院,淮南 232001; 2.安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心,淮南 232001)

近年来,随着城市化进展的不断推进,城市大规模地铁建设也迎来了史无前例的蓬勃发展,随之产生了许多施工方法,如明挖法、暗挖法、注浆加固沉井法、顶管法或小型盾构法,这些方法的优势各有千秋,但在复杂水文地质条件下,人工冻结法便在其中起到了至关重要的作用。随着人工冻结技术在城市地下工程中广泛应用,从而产出的对周边环境的威胁也引起了人们的注意[1]。冻结法施工会干扰周围土层的温度场,使得周围土层产生冻胀融沉,且对土体的冻结加固不能长期起作用,若不能有效控制这种情况,很容易造成如地基失稳,使周围邻近建筑物产生倾斜、裂缝,严重会导致相近建筑物坍塌等严重事故,不符合安全施工的要求[2]。

由于地质条件的复杂,在一些特殊的情况下,工程上常利用水泥注浆法和人工冻结法相结合的方式来抑制土体的冻胀融沉现象,不但提升了软弱地层的承载能力,减少了对周围环境的影响。关于改良土冻胀融沉特性的研究,中外学者均做了较为深入的研究。徐丽娜等[3]通过研究不同类型土在玄武岩-纤维改良下的冻融特性,得出纤维可以水泥土抵抗冻融的能力;任昆等[4]发现改良土的强度随煤渣掺量的增加先增大后减小,经煤渣改良后土体的黏聚力增加,改良后土体的冻胀率受煤渣的掺量及养护龄期的影响得到了减弱;Long等[5]基于MATLAB建立多元线性回归模型预测初始含水量、黏土含量、密实度、上覆荷载等因素对黏土改良粗粒土冻胀率的影响;熊志文等[6]发现掺入水泥后会比掺入石灰和粉煤灰更有效的减小级配碎石的渗透系数和冻胀率,从而减少水分向试样内部的渗透和抑制其冻胀,掺入水泥后,适当增加粉土的比例并不会使填料产生较大的冻胀变形;胡向东[7]通过对上海灰黄色粉砂水泥土冻胀率、融沉系数与水泥浆渗入量、水泥土试样渗透系数之间的关系研究,得出了水泥抑制土体冻胀融沉的基本机理;鲍俊安等[8]通过对南京地区典型黏土和砂土渗入不同比例的水泥进行融沉试验研究,得出了水泥渗入比对融沉系数的影响规律;Lu等[9]发现了试样内部形成的温度梯度驱使土体内部发生冻胀,暖端温度的升高会使暖端附近的供水温度和土壤温度升高,从而抑制了土体冻胀的发展。

综上所述,在土中注入水泥浆在工程中已经得到了应用,然而对于水泥注浆法和人工冻结法两者相结合的研究实际较少,在施工中,由于各类土质、环境的差异且缺乏相关经验和理论依据,因此无法保障施工的效果,若参数选择不合适,工程效果不但会大打折扣且延误工期,严重时会造成工程事故。

现以福建福州地区四号线地铁所穿典型土层粉质黏土为例,将水泥注浆法和人工冻结法相结合使用,即对其先进行注浆改良后冻结,再通过一系列实验来研究其改良后的冻胀融沉特性,分析单因素和多因素协同作用下的数据,结合工程实际,寻求各因素对改良土冻胀融沉特性的影响,旨在为粉质黏土及其他软弱地层土体的加固研究起到积极的作用。

1 试验内容及方案

1.1 试验材料

试验用土取自福建福州地区四号线地铁所穿典型土层粉质黏土,该粉质黏土层的土为灰黄或者灰绿色,一般表现为可塑到硬塑之间的状态,切面比较光滑且有光泽,黏性较好。层厚度3.60～13.60 m;层顶标高为-7.73～-1.97 m,层底标高-13.97～3.73 m。对于选定的粉质黏土层使用薄壁取土器以快速、连续的静压方式贯入取土,将土样密封包裹后用编号标记清楚后,将其浸蜡再次密封好,打包好运回冻土实验室进行后续的试验。通过常规土工试验,表1表示了土样的粒径分布,其基本物理指标如表2所示,试验使用的水泥是42.5普通硅酸盐水泥。

表1 土的颗粒级配

表2 土的基本物理参数

1.2 试样制备

试样制备参照《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019),将粉质黏土在100 ℃的烘干器中烘干24 h,取出碾碎,然后过2 mm 筛去除土里的杂质,然后保持土壤的干燥以待后用。

通过台秤测量试验所需的土壤、水泥。由于水泥与水混合后会立即发生水化反应,不能明确含水率对试验的影响,且为了符合工程实际的注浆改良,分别制作土样、水泥浆液,将其混合后得到所需试样。

取烘干过筛处理后的土样,配置不同阶段试验所需的含水率后,在封闭条件下静置养护24 h。试样养护完成后,将配置好的水泥浆注入土样中,得到试验所需水泥土,得到上述水泥土后,在其达到初凝前填制试样,采用击实法,将注浆改良土样按照质量分成4等份,倒入内壁涂有凡士林的模具后,用击实锤夯实,每层夯实后进行刮毛处理,依次将注浆改良土样倒入模具击实后脱模,得到φ50 mm×100 mm的圆柱体试样。

1.3 试验装置及理论

如图1所示,试采用自主研制的基于杠杆加载的冻胀融沉试验系统。该试验仪器由支撑体系、试样腔体部分、加载系统、温度系统、应力、位移监测系统组成,该装置可用于土体试样的冻胀融沉试验,冻胀融沉系数都可以得出,且能在恒载下得出,可推导冻土融沉系数,计算土体的沉降量。

待冻胀融沉试验完成后,将其试验测量的位移数据全部导出,改良土的冻胀率和融沉系数可通过式(1)和式(2)得出。

试验的冻胀率的计算公式为

(1)

式(1)中:η为土样的冻胀率,%;Δh为冻胀量,mm;H为土样的初始高度,mm。

试验的融沉系数的计算公式为

(2)

式(2)中:α为土样的融沉系数,%;Δf为融沉量,mm;H为土样的初始高度,mm。

1.4 试验方案

冻胀融沉试验:试验参照土工试验方法标准(GB/T 50123—2019),旨在研究水泥改良土在冷端温度、注浆比、养护龄期和水灰比4种条件下的冻胀融沉特性。冷端温度综合工程实况,选取-13 ℃作为试验的基准温度,另在基准温度附近选取3个温度水平;注浆比作为提升改良土抵御冻胀融沉能力的关键因素,且为了寻求最优注浆比,试验选取6个水平(0、10%、20%、30%、35%和40%)的注浆比制样;养护龄期是水泥浆充分硬化产生强度所经历的时间,随着时间的增长,水化越充分,改良土的冻胀融沉特性也会产生变化,参照水泥的养护龄期,采取1、3、7、28 d 4个水平;土体的含水量是影响土体冻胀融沉的主要因素之一,而注浆液水灰比大小的改变直接影响土体的含水量,进而引发改良土的冻胀融沉特性的变化,为了贴近工程实际,选择4个水平(0.6、0.8、1.0、1.2)作为研究,试验条件如表3所示,为单因素多水平的冻胀试验。

表3 冻胀融沉试验方案

2 试验结果与分析

2.1 单因素冻胀结果分析

2.1.1 冷端温度对冻胀融沉特性的影响

冻胀融沉试验系统如图2所示。由图3可以看出,开始试验1 h时,-5 ℃下改良土试样的冻胀率为0.32%,-10 ℃下冻胀率为0.4%,-13 ℃下冻胀率为0.49%,-17 ℃下改良土试样的冻胀率为0.69%,冻胀率相较冷端温度的降低而增加,产生上述现象的原因在于冷端温度的降低,从而温度梯度扩大,土体开始发生冻结的时间也随之加快,反之则冻结开始发生的时间愈慢。随着时间的不断发展,土体冻胀率曲线相较变缓,然后渐渐趋于稳定,如试验12 h后-5 ℃下改良土试样的冻胀率稳定为2.87%,-10 ℃下冻胀率为2.21%,-13 ℃下的冻胀率为1.97%,-17 ℃下的冻胀率为1.36%,差异的原因在于当冷端温度较低时,随着土体一端发生冻结,冻结锋面开始迅速发展,而土中水分向冻结锋面迁移过程中便被冻结,另一方面由于改良土内部较大孔隙基本上被注入的水泥浆堵住,水分只能通过小孔隙迁移,迁移过程较缓,过程中只有较少的水分迁移过去,最终冻胀率较小,反之当温度较高时,减缓了冻结锋面的发展,土中水分有足够的时间通过小孔隙向冻结锋面迁移,在水分迁移的过程中又产生聚冰作用,水相变成冰的过程中释放潜热,从而延缓了冻结锋面的发展,因而冻胀率较大,与之相应的,当土样开始融化时的融沉量也就越大[10]。

图2 冻胀融沉试验系统

ω=35%,ω/c=0.8,D=7 d

从图4可以看到,当其他影响因素都相同,在试验所测的温度界限之内,改良土的冻胀率和融沉系数与温度有着明显的线性关系,其冻胀率和融沉系数都随着温度的降低而降低,与温度的关系与一般土体一致。

图4 不同冷端温度下改良土冻胀率与时间的关系曲线

通过对有关数据的拟合,得到了改良土的冻胀率和融沉系数与温度的关系为

α=3.944+0.134t,R2=0.987 7

(3)

η=3.491+0.124t,R2=0.986 1

(4)

式中:α为改良粉质黏土的融沉系数,%;η为改良粉质黏土的冻胀率,%;t为冻胀融沉试验的温度,取值范围为-17～25 ℃;R2为相关性系数。

2.1.2 水灰比对冻胀融沉特性的影响

由图5可以看出,不同水灰比下的改良土的冻胀率随时间的趋势大致相同,但在融化时,水灰比越大,其融沉稳定所需要的时间相对较长。在试验的初期胀率和融沉系数均快速增长,而后随着试验的持续进行逐渐缓慢增长直至最终趋于稳定。观察数据可知,水灰比为0.6时试样的冻胀率为1.54%,融沉系数为1.64%,水灰比为0.8试样的冻胀率为1.97%,融沉系数为2.28%,水灰比为1.0试样的冻胀率为2.35%,融沉系数为2.77%,而水灰比为1.2试样的冻胀率为2.98%,融沉系数为3.41%,随着水灰比的增大,其冻胀率和融沉系数均在增大。

ω=35%,T=-13 ℃,D=7 d

水灰比的实质是初始含水率的不同,在其他条件相同的情况下,水灰比变大时,改良土试样的最终含水率就会增大,土样的饱和度就会相对变大,则当试样冻结后,原位水冻结后,产生较多的孔隙冰,从而相应的冻胀率增大;另一方面还有水分迁移引起的冻胀,由于试样含水率增大,产生更加强烈的冰水相变,对土体内部温度场的发展产生影响,从而增加了冻结锋面的下移推进所需要的时间,相应水分迁移量也会增加,随之引发更大的冻胀,原位水和异位水的冻胀相叠加,最终产生的冻胀量也就越大。

土样在融化时,由于水灰比的不同,冻结后的结冰量也不同,在其他条件相同的情况下,水灰比越大,含冰量越多,由于冰水相变需要吸热,相应高水灰比的试样融化时需要吸收的热量就越多,融化时间也就越长。水冻结产生的体积膨胀会填补土体孔隙,但当其融化时,由于冰融化下沉和自重作用下的压缩下沉,所以其融沉系数会大于其冻胀率,一般而言,冻胀量越大其相应的融沉量也就越大。

综上所述,水灰比的大小直接影响试样内部水分的含量,从而影响改良土的冻胀融沉特性,而水灰比又是水泥基质注浆材料性能的关键因素,过低的水灰比不能使其产生充分的水化反应,影响改良土的性能,浆液的流动扩散性能也会变差,影响注浆的效果;而过大的水灰比不仅造成土体内部的水分过多,影响土体的冻胀融沉,也会增加水泥凝结硬化的时间,延长了工期,故在工程中应寻求注浆材料的最佳水灰比,这样可以提高改良土的性能,减少工期,提高工程的经济性。

根据Wang等[11]的研究,基于水泥基质注浆改良土的最佳水灰比可以引用以下经验模型来确定。

(5)

式(5)中:ω/c(op)为最佳水灰比;N为含水率放大系数(N=1.2);ωLc为水泥固化0 h的液限;Aw为水泥含量;ωLs为土壤液限;ωn为土壤天然含水率;a为拟合参数(a=0.65)。

根据式(2)～式(5)计算可得水泥浆液的最佳水灰比ω/c(op)≈0.78,结合上述分析,拟选取ω/c=0.8为试验的最佳水灰比。

由图6可以看到,在其他条件相同时,改良粉质黏土的冻胀率和融沉系数随水灰比的变化可近似看成一条正相关的直线,经过数据的回归分析,在试验所选水灰比范围里,改良土的冻胀率和融沉系数的关系式为

图6 不同水灰比下冻胀率和融沉系数的关系曲线

α=2.93-0.11ω,R2=0.995 5

(6)

η=2.35+0.095ω,R2=0.980 6

(7)

式中:α为改良粉质黏土的融沉系数,%;η为改良粉质黏土的冻胀率,%;ω为冻胀融沉试验水泥浆的水灰比,取值范围为0.6～1.2;R2为相关性系数。

2.1.3 养护龄期对冻胀融沉特性的影响

如图7所示,不同养护龄期改良土的冻胀率和融沉系数随时间的变化趋势都大致相同,冻结初期冻胀和融沉系数增长都很快,而后缓慢增长直至稳定。对于养护龄期为1 d的试样,冻胀率为10.3%,融沉系数为11.4%,养护龄期为3 d的试样,冻胀率为3.28%,融沉系数为3.8%,相较于养护龄期为1 d的冻胀率下降了68%,融沉系数下降了67%;养护龄期为7 d的试样,冻胀率为1.96%,融沉系数为2.28%,冻胀率下降了81%,融沉系数下降了80%;养护龄期为28 d的试样,冻胀率为0.58%,融沉系数为0.78%,冻胀率下降了90%,融沉系数下降了93%。

ω=35%,T=-13 ℃,ω/c=0.8

可以看出随着养护龄期的增长,水泥改良土的抗冻胀融沉性能均得到了极大的提高,经过分析可知,养护龄期为1 d时土中水泥刚刚失去塑性开始产生强度,水化不充分,水化产物很少,没有发挥其作用,随着养护龄期的增长,水化反应愈发充分,水化产物开始充斥土壤内部孔隙,随着水化产物的增多,水化产物会覆盖住土壤内部原本的团聚体,并由孔隙中的水化产物逐渐胶结附近的黏土颗粒,形成了稳定的网状结构的土骨架,加强了抵抗冻胀变形的性能,并由于水化产物填堵了原先土中孔隙,降低了土的渗透系数,阻止了冻胀时土壤内部的水分迁移,从而降低了冻胀率。

由图8可以看出,改良粉质黏土的冻胀率和融沉系数随着养护龄期的延长呈现相同的趋势,其冻胀率和融沉系数都随着龄期的增长而迅速下降,但当达到一定的龄期后,冻胀率和融沉系数下降的速率开始慢慢减缓。而对于融沉试验,一般而言,冻胀量越大其融沉量也就越大,且通过对比同样养护龄期的冻胀融沉数据,可以看到养护初期其融沉系数均大于其冻胀系数,但随着养护龄期的延长,两者差值开始慢慢减小,甚至在养护28 d时的融沉系数小于其冻胀率。

图8 不同养护龄期下冻胀率和融沉系数的关系曲线

而当融沉试验开始后,试样中由于水冻结,体积增大,而填补的土体孔隙由于冰融化下沉和土体自重作用下的压缩下沉,使得其冻胀量大于融沉量,但是由于养护龄期的延长,改良土试样的强度在慢慢增大,抵抗自重和外荷载作用下压缩沉降的能力增强,因此冻胀量和融沉量的差值随着养护龄期的延长慢慢减小,甚至当达到一定的养护龄期时,土体的强度可以抵抗自重和外荷载作用下压缩沉降时,融沉量就会小于冻胀量。因此对于有较高施工环境要求的项目而言,注浆后保证一定的养护龄期再进行冻结法的施工,可以有效降低施工过程中土体冻胀对周围环境和施工质量的影响[12]。

结合上述分析,养护龄期达到7 d后便可有效提高土的抗冻融性能,而达到28 d后相较7 d仅多提高了10%左右,于是在工程中,保证一定的养护龄期便可以有效抑制冻胀现象,从而进行下一道工序,提高项目的经济性。

2.1.4 水泥浆渗入量对冻胀融沉特性的影响

对于改良粉质黏土的冻胀融沉来说,水泥浆的含量是一个最直接的影响因素,由图9可以看出,改良土的冻胀率和融沉系数随水泥浆渗入量的变化趋势大致相同,素土的冻胀率为6.9%,融沉率为8.56%,水泥浆渗入量为20%时,其试样的冻胀率为3.34%,融沉率为4.32%,相较于素土冻胀率减小了51.6%,融沉系数降低了49.5%,但当水泥浆的含量达到30%后,冻胀率仅为2.36%,融沉率为2.82%,相较于20%水泥浆渗入量的试样仅仅多降低了12.4%,这表明了随着渗入比的提高,对冻胀率和融沉系数的抑制效果提升也不再那么显著。从工程经济性的角度可以认为,当水泥浆渗入量为20%时,改良效果最为显著,因此取水泥浆渗入量为20%为该改良粉质黏土的最佳水泥浆掺入量。

T=-13 ℃,ω/c=0.8,D=7 d

未经改良的重塑土和水泥改良土冻结状态如图10所示,经分析可知,水泥的水化反应随水泥浆渗入量的增加而越发剧烈,水化产物也随之增加,水化产物覆盖住土壤内部的团聚体且与土颗粒胶结在一起,填补了土壤内部的孔隙,形成更加稳定的网状结构的土骨架,增强了土体的强度,从而在融化过程中增加了土样抵抗自重和外荷载下压缩沉降的能力。一味地提高水泥浆掺量也不是有益的,如图9中当水泥浆掺量超过35%后,冻胀率降低十分微弱,考虑到水泥水化过程中产生的大量水化热,土体内部水泥反而会产生细小的裂缝,降低了水泥改良土的性能[13],未经改良的重塑土和水泥改良土冻结状态如图10所示。

从图11可知,当其他条件都相同时,养护7 d的改良粉质黏土试样的冻胀率和融沉系数随水泥浆渗入量的变化可近似看成一条平滑的曲线,通过对其试验数据进行回归分析,在试验所选水泥浆渗入量的范围内,养护龄期为7 d的改良粉质黏土的冻胀率和融沉系数的关系式为

(8)

(9)

式中:η为改良粉质黏土养护7 d的冻胀率,%;α为改良粉质黏土养护7 d的融沉系数,%;λ为水泥浆的含量,%;R2为相关系数。

2.2 改良土温度场分析

由图12所示,不同冷端温度下温度曲线的变化趋势基本一致,不同的是温度梯度和温度场稳定所需的时间。土样越靠近冷端温度的地方,其温度下降就越快,温度稳定所需的时间就越短。在冻胀试验开始的第1个小时内,土样温度由初始温度开始急剧下降,在冻结1 h后,土样温度下降的趋势开始变慢,且在试验持续约5 h后,土样各个高度处温度基本不变,其温度场基本稳定。当温度为-5 ℃试样的温度场稳定时,距离顶端10、20、30、40 mm处的温度分别为-4.13、-3、-1.69和0.38 ℃;当冷端温度为-10 ℃时,相应的温度分别为-8.75、-6.88、-4.94、-2.31 ℃;当冷端温度为-13 ℃时,相应的温度分别为-11.19、-9.19、-6.94、-5.75 ℃,当冷端温度为-17 ℃时,相应的温度分别为-14.31、-11.5、-9.06、-6.88 ℃。这是由于冷端与各个高度处的土样均发生了热量交换,使得试样各个高度处的温度都变化了,且越靠近冷端处的土样的温度变化就越显著,由于冷端持续性的降温,当土样与冷端的热交换完成后又会达到一个新的热平衡状态[14]。

ω=35%,ω/c=0.8,D=7 d

当冻胀试验结束后,调整冷端温度至25 ℃后开始进行融沉实验,由于温度上升的趋势大致相同且融化温度也一致,因此以融沉实验冻结温度为-13 ℃试样为例,从图13可以看到,当融沉试验开始后,土样进入快速升温阶段,当土样接近-3 ℃时,升温速率减缓,标志着土体即将进入相变阶段,由于水泥改良土相变需要进行更多的热量交换,故温度曲线呈缓势,随着相变过程的结束,解冻完成,土体再次进入快速升温阶段,随着温度上升的趋势开始减缓,意味着温度场渐渐达到稳定状态。此时距离顶端10、20、30、40 mm处的温度分别为21.69、18.13、14.94、10.69 ℃。

图13 改良土的融化温度曲线

如图14所示,对于不同的冷端温度,在冻结一定时间后,试样内部在各高度处的降温发展规律基本一致,土样越靠近冷端的部分,其温度降的就越快,温度场稳定所需的时间就越少。以温度为-13 ℃为例,在试验进行的前3 h中,整个土样的降温速率都比较快,20 mm处的温度已降至0 ℃,在冻结开始5 h后,试样内各高度处的降温速率开始变慢,在试验进行约7 h后,整个土样的各处的温度都已逐渐稳定,在整个土样各处的温度都稳定之后,温度与试样各个高度近乎呈线性分布,且随着试验的持续进行,状态保持不变。

图14 改良土在不同冻结时刻下温度沿试样高度的分布

2.3 XRD分析

为研究水泥改良的原理,通过对不同水泥浆的含量下(0、10%、20%、30%、35%和40%)的粉质黏土进行了衍射角度为10°～80°的X射线衍射(Diffraction of X-rays)试验。

如图15所示,相较于没有掺入水泥的可以看出,加入水泥后,产生了4、5、6、7四个新的衍射峰,这代表产生了新的物质,究其原因是因为水泥遇水会发生各种反应,如水解反应和水化反应,且粉质黏土颗粒与水泥水化产物之间也会产生作用。水泥遇水反应生成水化硅酸钙(C-S-H),以凝胶形式析出,在土颗粒间起到连接作用,形成具有更高强度的空间网状结构。由于水泥水化生成的水化铝酸钙(C-A-H)含量很少,物相分析难以测出,而水化反应还会生成氢氧化钙[Ca(OH)2]与水分和二氧化碳继续反应生成水化硅酸钙和碳酸钙。

图15 XRD图像

因此,当水泥浆注入粉质黏土中,水泥水化反应生成的水化硅酸钙凝胶会逐渐形成连续的网状结构,与土体颗粒胶结在一起,增强黏结进而产生强度。当水泥颗粒遇水后,水化反应就开始进行,刚开始产生的水化产物会马上被水溶解,使得更多的水泥颗粒与水作用,这样水化作用继续进行,直至溶液饱和为止,但溶液饱和后,继续水化的产物溶解不了,将直接以胶体颗粒的形式分离出来,这种胶体颗粒不但会与土体颗粒胶结形成网状结构的土骨架,还会填充土体孔隙,进而降低土壤的孔隙率,提高土的冻胀融沉性能。当水化产物越来越多并与土颗粒作用后,改良土可塑性消失,进入强度阶段,在一定的养护龄期内逐渐硬化,进一步提高强度,从而提高抵抗冻胀融沉的能力。

2.4 多元线性回归分析

从冷端温度、养护龄期、水灰比、水泥掺入量4个因素分析了其对水泥改良粉质黏土的冻胀融沉的影响,基于SPSS Statistics软件构建了以冷端温度、养护龄期、水灰比、水泥掺入量为自变量,冻胀率为因变量的多元线性回归方程,从而通过该模型分析各因素对冻胀影响的重要性,多元线性回归方程为

0.11ω+6.451

(10)

式(10)中:η为冻胀率,%;T为冷端温度,℃;D为养护龄期,d;ω/c为水灰比;ω为水泥浆渗入量,%。

分析该多元线性回归拟合模型,优化拟合优度R2=0.896,F=76.04,影响显著,回归方程显著性系数小于0.001,具有显著性,拟合精度较好,冷端温度,水灰比回归系数小于0.1,养护龄期、水泥浆渗入量回归系数小于0.001,具有显著性,水泥浆渗入量标准化系数为-0.846,养护龄期为-0.306,水灰比为0.130,冷端温度为-0.133,因素的重要性顺序是水泥浆渗入量>养护龄期>冷端温度>水灰比。该多元线性回归方程的预测范围为水泥浆渗入量(0～40%),养护龄期(1～28 d),冷端温度(-5～-17 ℃),水灰比(0.6～1.2)。

如图16所示,通过多元线性回归方程,输入参数得到拟合值,与实测值进行对照,拟合度良好,可作为预测多因素综合作用下水泥改良粉质性黏土的冻胀率,为建筑工程设计提供需求[15]。由于模型基于福州地区的环境试验数据建立,故在其他不同环境条件下仍需要优化才能进行适用。

3 结论

主要研究了水泥改良粉质黏土冻胀融沉特性,室内试验主要研究和分析了粉质黏土在经过水泥改良后的冻胀融沉特性与水泥浆掺量、养护龄期、冷端温度和含水率等影响因素之间的关系,得到以下结论。

(1)改良粉质黏土的冻胀融沉特性明显受到水泥浆的掺量、养护龄期、温度、试样含水率等因素的影响,当冷端温度逐渐降低,从-5 ℃降至-17 ℃时,改良土试样的冻胀率和融沉系数均随之而表现为线性递减;当水灰比为0.6～1.2时,改良土的冻胀率和融沉系数随着水灰比的增大而增大,最佳水灰比为0.8;而改良土的冻胀率和融沉系数均随着水泥浆掺量的增多而减小,最佳水泥浆掺量为20%;改良土的冻胀率和融沉系数均随着养护龄期的增大而减小,而且随着养护龄期的增大,冻胀率与融沉系数的差值慢慢减小,龄期为28 d时的融沉系数甚至小于其冻胀率。

(2)在室内冻胀融沉试验中,改良土试样内部温度场随时间的变化规律都相似,但是对于不同冷端温度,试样内部温度梯度的分布和温度场稳定所需要的时间会有所不同。

(3)通过SPSS Statistics建立的多元线性回归方程,拟合度良好,回归方程和系数均具有显著性,可作为预测多因素综合作用下水泥改良粉质性黏土的冻胀率,为建筑工程设计提供需求,具有一定的工程价值。

(4)由SPSS Statistics建立的多元线性回归方程标准化系数可知,各种因素对改良土冻胀率的影响程度大小为水泥浆渗入量>养护龄期>冷端温度>水灰比,因此,在工程实际中可结合该分析,设计适当的施工方案。