水泥土渗透性及强度与冻胀性关系研究

铁６０　道建筑　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　文章编号：１００３—１９９５（２０１３）０２—００６０—０３　水泥土渗透性及强度与冻胀性关系研究　鲍俊安，杨　平，彭玉龙　（南京林业大学土木工程学院，江苏南京２１００３７）　摘要：为了揭示土中掺入水泥对冻胀特性的影响，本文对南京地区典型黏土和砂土掺入不同比例的水泥　进行冻胀试验、变水头渗透试验和直接剪切试验。试验结果表明：水泥的掺入改变了土的力学性能，两　种土质水泥土渗透系数均随水泥掺量的增加明显减小，内摩擦角和黏聚力均随水泥掺量增大而增大；冻　胀率均随渗透系数减小而减小，随水泥土黏聚力和内摩擦角增大而减小；水泥的掺入可堵塞水分迁移的　通道，从内部减弱水分迁移的动力，而且掺入水泥后改变了土体级配，增大土体强度，使土颗粒间结合力　和抵抗土颗粒骨架变形能力增强，从而使最终冻胀率减小。　关键词：水泥土　冻胀　水泥掺入比　渗透系数黏聚力　内摩擦角　中图分类号：ＴＵ４４５　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３—１９９５．２０１３．０２．１９　近年来，用在地基土中掺入水泥形成水泥土的方　法来控制冻胀在国内外均有应用，且效果显著。１３本　学者小山道义等人通过在土层中加入一些添加剂来控　制天然冻土的冻胀，发现加入水泥后控制效果良好，而　见表１；试验所用水泥为海螺牌４２．５普通硅酸盐水泥。　１．２试样制作　１）将黏土和砂土两层土样烘干，过２　ｍｍ筛。　２）按试验设计的含水率、水泥掺量、干密度称取　一生赖孝博等人也做过这方面的尝试…。胡向东　针　对上海灰黄色粉砂进行了水泥改良土冻胀融沉性质的　试验研究，通过分析冻胀率、融沉率随水泥掺量和改良　定量土样、水泥和水，拌合均匀。　３）按照环刀体积及设计的水泥土表观密度箅出　试样质量，称取相应质量后装进环刀，并压密实。　土样渗透系数的变化关系，发现冻胀率和融沉率随水　泥掺量变化的规律相同，存在２个临界值，由此得到了　水泥改良地层控制冻胀融沉的最佳水泥掺入量。并指　出水泥改良地层，控制冻胀融沉的基本机理是水泥的　４）在养护室中养护２８　ｄ后，黏土试样真空饱和，　砂土试样直接在水中饱和（防止在真空饱和过程中试　样损坏）。　表１土样基本物理性质　掺加降低了土的渗透性，阻止了水分的迁移，减小了冰　分凝作用，从而减小了冻胀。实践表明，在土中掺入水　泥后冻胀得到了明显的抑制，是一种行之有效的控制　冻胀措施，但具体变化规律尚不清楚。为了揭示在土　中掺入水泥对冻胀特性影响的变化规律，本文对南京　地区典型黏土和砂土掺入不同比例水泥进行了冻胀试　验、变水头渗透试验和直接剪切试验。　１．３试验方法　基本土工物理参数试验严格按照《土工试验方法　标准》（ＧＢ／Ｔ　５０１２３－－１９９９）　进行，保持含水率（黏土　３０．０％、砂土１６．５％），密度（黏土１．９３　ｇ／ｃｍ　、砂土　１．９６　ｇ／ｅｒａ　），冷端温度（一１０℃），龄期（２８　ｄ）和荷载　１　试验材料、试样制作与方法　１．１试验材料　（１　ｋＰａ）恒定。选取不同掺量在开放系统中（有外界　水源补充）进行冻胀试验、变水头渗透试验和直接剪　切试验。　试验所用黏土、砂土均为南京地区典型土质，取自　南京地铁十号线过江大盾构风井基坑，其基本物理性质　２试验结果分析　收稿１５ｔ期：２ｏ１２—０８—２８；修回日期：２ｏ１２—１１一ｌＯ　基金项目：国家自然科学基金资助（５１２７８２５１）；南京地铁集团有限公司　科研项目（Ｄ３－ＸＹ一０００１．１２０６）　两种土质不同水泥掺量的直剪、渗透、冻胀融沉试　验结果见表２，由表２可以看出，两种土质水泥土的内　作者简介：鲍俊安（１９８５一），男，江苏宿迁人，助理工程师，硕士研究生。　摩擦角和黏聚力均随着水泥掺量的增大而增大；　２０１３年第２期　鲍俊安等：水泥土渗透性及强度与冻胀性关系研究　６１　ｌ　ｌ　１　ｌ　ｌ　Ｏ　Ｏ　８　６　４　２　０　８　６　一∞，ｕＪ。Ｔ。一×】、　渗透系数随水泥掺入量增大而显著减小，且黏土质水　泥土的渗透性比砂土质水泥土约小２个数量级；表中　数据说明水泥掺量加大对减小冻胀有益。　２．１渗透系数对冻胀的影响　两种水泥土冻胀率、渗透系数和掺量的关系曲线　见图１。　，　渗透系数／ｆ×１０一　ｃｎａｌｓ）　渗透系数，ｆ×１０　ｃｍ／ｓ）　１２　（ａ）黏土质水泥土　（ｂ１砂土质水泥土　１０　述８　ｄ　薰冀　萋　图２　两种水泥土冻胀率与渗透系数的关系曲线　根本途径。而水分迁移的前提是存在水分迁移的通　２　唰　道，本次试验证明了水泥土渗透系数随水泥掺量增加　水泥掺量／％　掺量／％　明显减小，说明水泥的掺入可堵塞水分迁移的通道，从　（ａ）黏土质水泥士　（ｂ）砂土质水泥土　内部减弱水分迁移的动力，最终使土体冻胀率减小。　图１　两种水泥土冻胀率、渗透系数和掺量的关系曲线　２．２强度对冻胀的影响　两种水泥土黏聚力和掺量的关系曲线见图３，两　由图１可见，两种水泥土渗透系数均随水泥掺量　种水泥土内摩擦角和水泥掺量的关系曲线见图４。　增加而呈指数规律下降。当黏土质水泥土和砂土质水　泥土中水泥掺量分别增到１０％和５％时，渗透系数下　降梯度开始变缓，这与它们冻胀率随水泥掺量变化出　现临界点是一致的。由此可知渗透系数与冻胀率之间　联系密切，为了便于寻找它们之间的关系，将冻胀率和　渗透系数的关系绘制成图２，由图２可知两种水泥土　冻胀率均随渗透系数减小而基本呈线性减小。　已有大量试验　表明，水分迁移作用是导致土　体冻胀的主要根源，因此控制水分迁移是控制冻胀的　图３两种水泥土黏聚力与掺量的关系曲线　霉ｆ璐　６２　铁道图４两种水泥土内摩擦角与掺量的关系曲线　由图３和图４可见，两种水泥土黏聚力随水泥掺　量增大基本呈幂指数规律增大、内摩擦角随水泥掺量　增大基本呈线性规律增大。当黏土中水泥掺量为０　时，黏聚力为ｌ７．４　ｋＰａ、内摩擦角为６．４。；而水泥掺量　为２０％时，黏聚力为４２３．１　ｋＰａ，为水泥掺量为０时的　２４倍，内摩擦角为３６．７。，比水泥掺量为０时增加了　３０．３。。砂土中水泥掺量为０时，黏聚力为０，内摩擦　角为７．６。；水泥掺量为９％时，黏聚力增至４２３．６　ｋＰａ，　内摩擦角增至３３．６。，比之前增大了２６．０。。　为了便于寻找强度参数对冻胀特性影响规律，将　两种水泥土的黏聚力、内摩擦角和冻胀率分别绘成图　５和图６。从图５和图６可见，两种水泥土冻胀率均随　黏聚力、内摩擦角的增大而呈负指数规律减小，最终趋　于０。　土体冻胀外观表现为土层的均匀或不均匀隆起、　鼓包、开裂等。其实质是土体在冻结过程中，土中水分　￣Ｙ２／ｋＰａ　黏聚力／ｋＰａ　（ａ）黏土质水泥土　（ｂ）砂土质水泥土　图５　两种水泥土冻胀率与黏聚力的关系曲线　内摩擦角　）　内摩擦角／（。）　（ａ）黏土质水泥土　ｆｂ）砂土质水泥土　图６　两种水泥土冻胀率与内摩擦角的关系曲线　建筑　冻结成冰膨胀，引起土颗粒相对移动而产生土体膨　胀　。　。如果土颗粒间结合力足够强，以致于土中水　分冻结成冰产生的冻胀力不足以使土颗粒产生变形，　则土体冻胀率会变小。本次试验证明了水泥土强度对　冻胀有较大影响，土中掺入水泥后可改变土体级配，增　大土体强度，使土颗粒问结合力和抵抗土颗粒骨架变　形能力增强，从而减小冻胀率。　３　结论　Ｉ）水泥的掺入改变了土力学性能，两种土质水泥　土渗透系数均随水泥掺入量增加呈指数规律下降，黏　聚力随水泥掺量增大基本呈幂指数规律增大，内摩擦　角随水泥掺量增大而基本呈线性规律增大。　２）渗透性对冻胀有较大影响，两种水泥土冻胀率　均随渗透系数减小而减小，是因为水泥的掺人可堵塞　水分迁移的通道，从内部减弱水分迁移的动力，最终使　土体冻胀率减小。　３）土体强度对冻胀有较大影响，原因是两种土中　掺入水泥后可改变土体级配，增大土体强度，使土颗粒　间结合力和抵抗土颗粒骨架变形能力增强，从而减小　冻胀率。　参　考　文　献　●　［１］谭利华．水泥改良土冻胀融沉特性研究［Ｄ］．上海：同济大　学，２００８．　［２］胡向东．上海灰黄色粉砂水泥改良土冻胀融沉性质实验　［Ｊ］．煤炭学报，２００９，３４（３）：３３４—３３９．　［３］中国人民共和国建设部．ＧＢ／Ｔ　５０１２３－－１９９９　土工试验方　法标准［Ｓ］．北京：中国标准出版社，１９９９．　［４］李萍，徐学祖．冻结缘和冻胀模型的研究现状与进展［Ｊ］．冰　川冻土，２０００，２２（１）：９Ｏ－９５．　［５］ＥＶＥＲＥＴＴ　Ｄ　Ｈ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ　ｏｆ　ｆｒｏｓｔ　ｄａｍａｇｅ　ｔｏ　ｐｏｒｏｕｓ　ｓｏｌｉｄｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓ．Ｆａｒａｄａｙ　Ｓｏｃ，１９６１（５７）：１５４１—１５５１．　［６］ＭＩＬＩ　ＥＲ　Ｒ　Ｄ．Ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｈｅａｖｉｎｇ　ｏｆ　ｓａｔｕｒａｔｅｄ　ａｎｄ　ｕｎｓａｔｕｒａｔｅｄ　ｓｏｉｌｓ［Ｊ］．Ｈｉｇｈｗａｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｒｅｃｏｒｄ，１　９７２（３９３）：１—　１１．　［７］柯洁铭，杨平．冻土冻胀融沉的研究进展【Ｊ］．南京林业大学　学报：自然科学版，２００４，２８（４）：１０５．１０８．　［８］徐学祖，邓友生．冻土中水分迁移的实验研究［Ｍ］．北京：科　学出版社，１９９１．　［９］何平，程国栋，朱元林．土体冻结过程中的热质迁移研究进　展［Ｊ］．冰川冻土，２００１，２３（１）：９２—９８．　［１０］王效宾．人工冻土融沉特性及其对周围环境影响研究　［Ｄ］．南京：南京林业大学，２００９．　‘　（责任审编葛全红）