凍融作用下工程渣土固化土長(zhǎng)期力學(xué)特性研究

曹文權(quán)

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，我國(guó)地下空間建設(shè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。但在盾構(gòu)隧道、地下輸水管廊等地下工程的建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生了大量工程渣土，此類工程渣土的處理已經(jīng)成為了地下空間工程低碳發(fā)展面臨的重要問(wèn)題[1-2]。將地下空間工程渣土進(jìn)行固化處理并進(jìn)行工程應(yīng)用綠色環(huán)保，但由于自然環(huán)境中凍融循環(huán)對(duì)固化土的長(zhǎng)期力學(xué)特性有較大影響，因此，對(duì)工程渣土固化土在自然環(huán)境中的長(zhǎng)期力學(xué)性能進(jìn)行研究具有重要理論意義和工程價(jià)值。

目前已有較多學(xué)者對(duì)工程渣土固化土的力學(xué)特性展開(kāi)了相關(guān)研究，并取得了較多成果：姜軍等[3]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析了盾構(gòu)渣土應(yīng)用于新型墻體的可行性；張卓等[4]將盾構(gòu)渣土通過(guò)免燒免蒸工藝制備成陶粒，較好的避免了盾構(gòu)渣土中重金屬離子對(duì)自然環(huán)境的污染；郝彤等[5]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，將鄭州某地鐵盾構(gòu)產(chǎn)生的渣土改良制作成水泥復(fù)合材料，并對(duì)其工作特性展開(kāi)了分析；李杰等[6]利用自主研發(fā)的固化劑，將寧波某盾構(gòu)隧道渣土制備成免燒陶粒，并對(duì)該類型陶粒的物理力學(xué)性能和微觀特性展開(kāi)了詳細(xì)研究；張華[7]在總結(jié)其他學(xué)者的成果基礎(chǔ)之上，通過(guò)摻砂法將盾構(gòu)產(chǎn)生的渣土進(jìn)行改良并應(yīng)用于了路基填筑工程中，應(yīng)用效果較為良好；張書(shū)經(jīng)[8]利用堿激發(fā)礦渣作為固化劑，對(duì)某盾構(gòu)工程產(chǎn)生的渣土進(jìn)行了固化，并對(duì)其耐久性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。綜上所述，目前對(duì)于盾構(gòu)渣土的固化研究主要集中于應(yīng)用不同固化劑將盾構(gòu)渣土固化制成常規(guī)密度固化土，但已有常規(guī)固化土密度與正常土體接近，大面積應(yīng)用時(shí)易在地基中產(chǎn)生較高的附加應(yīng)力，從而提高工程造價(jià)甚至危害工程安全。輕質(zhì)固化渣土在自然環(huán)境中極易受到干濕凍融效果的作用，其長(zhǎng)期力學(xué)性能將會(huì)直接影響道路工程的安全。

1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程土建施工A5標(biāo)位于佛山市順德區(qū)，全線長(zhǎng)約5.64 km，采用地下深埋盾構(gòu)施工。盾構(gòu)施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量砂卵石、中細(xì)砂和淤泥等多種工程渣土，且此類渣土中含有盾構(gòu)施工中應(yīng)用的膨潤(rùn)土等材料，若利用常規(guī)堆放方法對(duì)上述工程渣土進(jìn)行處置，勢(shì)必會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

為推進(jìn)工程施工中“碳中和碳達(dá)峰”進(jìn)程，對(duì)本工程中產(chǎn)生的渣土進(jìn)行資源化利用處理。其中較大粒徑的砂卵石進(jìn)行破碎后可作為碎石；中細(xì)砂進(jìn)行篩選后可作為混凝土配料；對(duì)于大量的黏土，可采用固化技術(shù)處理后應(yīng)用于公路路堤建設(shè)，或加工成免燒磚用于市政建設(shè)中。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，路堤將直接暴露于自然環(huán)境中。在秋冬季凍結(jié)和春夏季融化的循環(huán)作用下，固化土的強(qiáng)度指標(biāo)和變形指標(biāo)會(huì)產(chǎn)生較大變化，進(jìn)而直接影響固化土路堤的安全穩(wěn)定性。

2 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本文擬對(duì)不同含水率、不同密度下輕質(zhì)固化土在凍融循環(huán)作用下的長(zhǎng)期力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行研究，試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

(1)凍融試驗(yàn)過(guò)程：考慮本次試驗(yàn)在室內(nèi)完成，對(duì)土體的復(fù)雜邊界條件進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。具體方案如下：凍融設(shè)備采用濕度可控式高低溫溫控箱。凍結(jié)時(shí)土樣含水率控制為試驗(yàn)所需值(如表1所示)，溫度控制為-20 ℃，融化時(shí)的溫度控制為20 ℃。經(jīng)過(guò)多次嘗試性的凍結(jié)和融化試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試樣經(jīng)過(guò)6 h即可完全凍結(jié)，6 h即可完全融化，因此選定一個(gè)凍融循環(huán)時(shí)間為12 h。

(2)強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)過(guò)程：將不同含水率的固化土進(jìn)行0次、1次、2次、3次、4次、6次和10次凍融循環(huán)后，在靜力三軸儀上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，根據(jù)他人研究成果，試驗(yàn)中不考慮固結(jié)和排水條件，圍壓分別為100、200、300及400 kPa。

(3)變形指標(biāo)試驗(yàn)過(guò)程：將制備的固化土進(jìn)行0次、1次、3次、5次、7次、10次、15次、25次凍融循環(huán)之后進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用WG型單杠桿固結(jié)儀。加壓等級(jí)分為25、50、100、200、300、400和800 kPa，每級(jí)荷載壓縮持續(xù)1 h，最后一級(jí)需要記下1 h后的讀數(shù)外還要記錄24 h后的讀數(shù)。

2.2 試樣制備

本試驗(yàn)中所使用的工程渣土取自珠江三角洲水資源配置工程土建施工A5標(biāo)，其基本性質(zhì)見(jiàn)表2。固化劑主要包括生石灰、水泥、鋁粉，通過(guò)固化劑正交試驗(yàn)并充分考慮土體強(qiáng)度和工程造價(jià)等因素確定固化劑主要配比：生石灰∶水泥∶鋁粉=60%∶38%∶2%。

表2 工程渣土基本物理力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)中通過(guò)改變固化劑與土體之間的比例分別配制含水率為10%、12%、14%、16%、18%、20%的固化土；通過(guò)改變固化劑基準(zhǔn)配比中鋁粉含量分別配制密度為1.45、1.55和1.65 g/cm3的固化土。

在制樣時(shí)先將工程渣土與固化劑進(jìn)行攪拌，攪拌均勻后，分3～4次分層放入制作好的模具(內(nèi)直徑3.98 cm、高度8 cm的有機(jī)玻璃管)中分層振實(shí)并進(jìn)行密封標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。結(jié)合他人試驗(yàn)結(jié)果，選擇齡期28 d的輕質(zhì)固化土進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 凍融循環(huán)對(duì)固化土內(nèi)摩擦角的影響

通過(guò)對(duì)不同圍壓下固化土的靜力三軸剪切試驗(yàn)可以獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下固化土內(nèi)摩擦角值如表3所示，其隨凍融循環(huán)次數(shù)變化如圖1所示。

表3 不同含水率的土體內(nèi)摩擦角φ(°)

圖1 內(nèi)摩擦角與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

結(jié)合表3和圖1可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，內(nèi)摩擦角不斷降低且降低幅度不斷減小，凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)6次后內(nèi)摩擦角趨于穩(wěn)定；且含水率越低，固化土的內(nèi)摩擦角越大。

引入內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)Kφ描述內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，并選用生長(zhǎng)曲線函數(shù)對(duì)內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，生長(zhǎng)曲線函數(shù)如式(1)所示：

Kφ=aφ+bφe(-n/λφ)

(1)

式中：aφ、bφ、λφ為系數(shù)。Kφ為內(nèi)摩擦角的劣化系數(shù)，可表示為：

(2)

式中：φn為n次凍融循環(huán)后固化土內(nèi)摩擦角；φ0為不經(jīng)歷凍融循環(huán)時(shí)固化土內(nèi)摩擦角。

將表3中數(shù)據(jù)代入式(1)和式(2)，可擬合得到內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化的上下限曲線如式(3)、式(4)所示：

(3)

(4)

上式擬合效果如圖2所示。由圖2可知，式(3)和式(4)可以較好的反映內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化關(guān)系，實(shí)際工程中可利用上式對(duì)工程渣土固化土內(nèi)摩擦角的范圍進(jìn)行計(jì)算。

圖2 內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

表4列出了工程渣土固化土在凍融循環(huán)作用下內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的參考取值范圍，實(shí)際工程中也可以根據(jù)該表評(píng)估工程渣土固化土經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后的內(nèi)摩擦角取值范圍，含水率高時(shí)取小值。

表4 內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)參考值

3.2 凍融循環(huán)對(duì)固化土黏聚力的影響

通過(guò)對(duì)不同圍壓下固化土的靜力三軸剪切試驗(yàn)可以獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下固化土黏聚力值如表5所示，其隨凍融循環(huán)次數(shù)變化如圖3所示。

表5 不同含水率的固化土黏聚力變化 kPa

由表5和圖3可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增大，工程渣土固化土黏聚力不斷降低且降低幅度不斷減小，凍融循環(huán)次數(shù)超過(guò)6次后黏聚力基本趨于穩(wěn)定；且含水率越低，固化土的黏聚力越大。

圖3 黏聚力與循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

引入黏聚力劣化系數(shù)Kc描述黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，并選用生長(zhǎng)曲線函數(shù)對(duì)黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，生長(zhǎng)曲線函數(shù)如式(5)所示：

Kc=ac+bce(-n/λc)

(5)

式中：ac、bc、λc為系數(shù)。Kc為黏聚力的劣化系數(shù)，可表示為：

(6)

式中：cn為n次凍融循環(huán)后固化土黏聚力；c0為不經(jīng)歷凍融循環(huán)時(shí)固化土黏聚力。

將表5中數(shù)據(jù)代入式(5)、式(6)，可擬合得到黏聚力劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化的上下限曲線如式(7)、式(8)所示：

(7)

(8)

上式擬合效果如圖4所示。由圖4可知，式(7)和式(8)可以較好的反映黏聚力劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化關(guān)系，實(shí)際工程中可利用上式對(duì)工程渣土固化土黏聚力的范圍進(jìn)行計(jì)算。

圖4 黏聚力劣化系數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

3.3 凍融循環(huán)對(duì)固化土變形指標(biāo)的影響

通過(guò)對(duì)不同密度固化土的側(cè)限條件下的壓縮試驗(yàn)可以獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)下固化土壓縮模量如表6～表8所示。

表6 密度為1.65 g/cm3壓縮模量MPa

表7 密度為1.55 g/cm3壓縮模量MPa

表8 密度為1.45 g/cm3壓縮模量MPa

經(jīng)歷一次凍融循環(huán)后，壓縮模量為大約初始的80%～90%；經(jīng)歷3次凍融循環(huán)后，壓縮模量為大約初始的60%～80%；經(jīng)歷10次凍融循環(huán)后，壓縮模量大約為初始的50%～60%，且凍融循環(huán)10次之后壓縮模量基本不再下降，極限可取初始?jí)嚎s模量的50%～60%。

引入壓縮模量劣化系數(shù)KE描述壓縮模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系，并選用生長(zhǎng)曲線函數(shù)對(duì)壓縮模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化關(guān)系進(jìn)行擬合，生長(zhǎng)曲線函數(shù)如式(9)所示：

KE=aE+bEe(-n/λE)

(9)

式中：aE、bE、λE為系數(shù)。KE為壓縮模量的劣化系數(shù)，可表示為：

(10)

式中：En為n次凍融循環(huán)后壓縮模量；E0為不經(jīng)歷凍融循環(huán)時(shí)的壓縮模量。

將表6～表8中數(shù)據(jù)代入上式，可擬合得到密度1.45 g/cm3、1.55 g/cm3和1.65 g/cm3固化土壓縮模量劣化系數(shù)隨凍融次數(shù)變化上下限曲線如式(11)、式(12)所示，實(shí)際工程中可利用該式對(duì)工程渣土固化土壓縮模量的范圍進(jìn)行計(jì)算。

(11)

(12)

4 結(jié)論

(1)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究了工程渣土固化土在凍融循環(huán)作用下的長(zhǎng)期力學(xué)性能，經(jīng)歷過(guò)10次循環(huán)后，黏聚力、內(nèi)摩擦角、壓縮模量劣化系數(shù)降低幅度均較小，即劣化系數(shù)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后黏聚力劣化系數(shù)范圍為0.47～0.55；內(nèi)摩擦角劣化系數(shù)范圍為0.91～0.93，含水率高時(shí)取小值；壓縮模量劣化系數(shù)范圍為0.51～0.61，密度小時(shí)取小值。

(2)建立了凍融循環(huán)作用下工程渣土固化土長(zhǎng)期強(qiáng)度指標(biāo)和變形指標(biāo)擬合曲線，可為工程渣土固化土力學(xué)指標(biāo)的選取提供參考。