干湿-冻融循环下水泥固化淤泥土的力学性能与裂隙发育特征

陶 攀

(黄河水利职业技术学院水利工程学院，开封 475004)

0 引 言

我国长江三角洲流域和沿海地区有大量淤泥质土体[1]。这种土体主要由碎屑矿物和黏土矿物组成，具有孔隙度高，压缩性强，强度低等工程特性。淤泥土具有较强的压缩性和明显的裂隙性与节理发育特性，且易受赋存条件变化的扰动所影响[2]。在环境与荷载影响下，淤泥土内部易受到结构性扰动，引起地基土的附加变形，从而使得上层建筑的稳定性受到严重影响[3]。在天然的状态下，相关地区的淤泥土有一定的承载能力，但受到冻融、干湿循环等作用的影响后，力学性能会大幅下降[4]。

为了改善普通淤泥土的力学性能，工程中常采用水泥搅拌加固法进行改性。经过水泥搅拌加固法处理后，形成的水泥固化土是由土颗粒、水泥颗粒及其它外加剂按一定比例混合、搅拌并养护形成的稳定复合材料，其力学性能明显提高[5]。由于季节性气候的更替，天然状态下的土体水分赋存状态有明显变化，降雨入渗-蒸发作用与水分冻结-融解作用均会对土体工程性能产生影响。当前，已有许多学者对水泥固化土的力学特性和细微观结构受环境效应的影响进行了研究，积累了较为全面的试验资料，例如：李芳菲等[8]通过对经历反复干湿循环作用的水泥固化淤泥试样开展力学测试，发现干湿循环次数、水泥掺量对抗剪强度指标存在明显的影响。陈四利等[9]基于三轴压缩试验分析了冻融循环作用对水泥固化土的影响，发现冻融循环作用大幅降低了水泥固化土的强度与变形模量。汪洪星等[10]对水泥改性淤泥土开展了电镜扫描和压汞分析等细观测试，分析了干湿循环对土体内部细观结构的侵蚀特征。Yan等[11]对经历多次冻融循环作用的水泥固化土开展CT扫描实验，定量分析了孔隙的演化规律，并探讨了试样内部微观结构的变异机理。然而，当前的研究主要关注一种环境效应，就干湿和冻融两种条件影响下的水泥固化土强度变化规律及机理的认识还有所欠缺。

以水泥固化淤泥土为研究对象，利用三轴固结排水剪切试验与CT扫描试验对试样的强度特性与裂隙特点进行了分析，并从宏-微观的角度评价了水泥土受干湿-冻融循环影响的规律，为深入认识水泥固化土工程性能提供了参考。

1 实 验

1.1 原材料

图1 淤泥土的颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of silty mud soil

1.1.1 淤泥土试样

本文所用的淤泥土取样地区为上海浦东地区某滨海地层，采用钻孔取芯法沿深度取样。该淤泥土样品取样深度为地下4～5 m，颜色呈灰褐色。对土样开展基本物理学性能测试，结果如表1所示。由表1可知,土体的天然含水率较高，渗透系数为2.05×10-6cm/s，同时具有高液限和高孔隙比的特点。根据XRD衍射试验结果，发现矿物成分包括高岭石(35.1%，质量分数，下同)、伊利石(15.4%)、蒙脱石(21.2%)、石英(27.1%)和绿泥石(2.2%)。对淤泥土采用筛分法和比重瓶法开展土颗粒粒径分布分析，得到的土体颗粒级配曲线如图1所示，结果表明采用比重瓶法进行测试时，在溶液中加入分散剂可以使团聚状的黏土颗粒分散，从而提高颗粒粒径分布测量的准确度。

表1 淤泥土的基本物理力学性质Table 1 Basic physical and mechanical properties of mud soil

1.1.2 水泥

采用普通硅酸盐水泥对淤泥土进行改性处理，该水泥来自芜湖市海螺水泥集团有限公司，细度模数为2.28，比表面积为2 975 cm2/g，终凝时间为4.2 h，经过28 d标准养护后的试件立方体抗压强度为48.5 MPa。

1.2 试样制备

采用分层击实的方法进行试样的制备，得到的水泥固化淤泥土样品尺寸为直径38 mm，高度80 mm。按照天然含水率进行水泥固化淤泥土的配制，改性土硅酸盐水泥的掺量为5%。制备水泥固化淤泥土试样后，对普通淤泥土和水泥固化淤泥土进行扫描电子显微镜(SEM)试验，结果如图2所示，可以看出普通淤泥土内部的黏土颗粒呈扁平片状结构，石英颗粒呈块状，土颗粒间孔隙多且大。采用水泥对淤泥土进行固化改性后，土颗粒间形成具有凝胶性的胶结物质，孔隙充填胶结程度提高，颗粒的胶结紧密程度增加。

图2 水泥改性前后淤泥土的SEM照片Fig.2 SEM images of mud soil with and without cement modification

1.3 干湿-冻融循环试验

对制备的水泥固化淤泥土试样进行反复干湿-冻融循环试验，该试验经过饱和-干燥和冻结-融解4个步骤。首先，将试样放入不锈钢制饱和器内，采用抽气饱和法在室温(25 ℃)条件下对土样进行饱和，饱和时间为12 h；再将饱和试样取出放在室温条件下自然风干，风干时间为24 h；然后，将风干土样放入低温冷冻箱中，在-20 ℃的环境中冻结48 h；最后，将冷冻试样放入干燥箱中，并在温度30 ℃，相对湿度60%左右的环境中静置48 h，使土样完全融解。

1.4 力学与细观结构测试方法

1.4.1 三轴剪切试验

利用土工三轴剪切仪对水泥固化淤泥土试样开展三轴固结不排水剪切测试，围压设置为50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa，轴向变形的加载速率设置为0.02 mm/min，初始的轴向应变为0%,持续剪切直至试样轴向应变约为18%。变形中的应力-应变曲线由计算机系统记录，强度参数按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)中的规定来确定。

1.4.2 CT扫描

为了探讨干湿-冻融循环作用引起的水泥固化淤泥土裂隙演化的规律，对不同循环次数下的土样开展CT扫描。CT试验采用美国BIR仪器公司生产的ACTIS型微焦点X射线工业CT扫描仪，获取的CT图像分辨率为约60 μm左右。对CT图像进行二值化显示处理，通过统计裂隙像素点数量而提取出裂隙的面积指标，计算土体的裂隙率。

2 结果与讨论

2.1 水泥固化淤泥土的力学行为

图3所示为由三轴剪切试验得到的不同循环次数下土体的应力-应变曲线。结果表明，在三轴荷载作用下，随着轴向应变增加，大多数曲线的应力在达到峰值后没有明显的下降，说明不同干湿-冻融循环次数下的土体应力-应变曲线基本符合应变硬化的特点，可采用轴向应变ε=15%作为抗剪强度对应的应变值[12]。随着冻融循环次数的增加，水泥固化淤泥土的剪切强度逐渐衰减，且第一次循环后的强度下降幅度最大。另外，5～10次循环之间的强度衰减速度相对较小，即干湿-冻融循环作用对水泥固化淤泥土的损伤程度在后期逐渐稳定。三轴剪切试验的结果说明水泥固化淤泥土力学性能受干湿-冻融循环的影响较为严重。

由摩尔-库伦强度破坏准则计算了水泥固化淤泥土的抗剪强度参数，即黏聚力c和内摩擦角φ。对抗剪强度参数与干湿-冻融循环次数进行回归分析，得到的结果如图4所示，可以看出水泥固化淤泥土初始黏聚力为50.5 kPa，内摩擦角为14.1°，经过多次循环处理后的土体强度参数渐次下降；10次循环后的土体黏聚力降为24.7 kPa，降幅达50.3%，内摩擦角降为11.3°，降幅为19.8%。说明干湿-冻融循环对黏聚力的影响远大于内摩擦角。对水泥固化淤泥土强度参数进行数据拟合后发现黏聚力与循环次数为指数型函数关系，而内摩擦角与循环次数呈线性关系，结果如式(1)和(2)所示。

图3 不同循环次数下土体的应力-应变曲线(τp表示最大剪切应力)Fig.3 Stress-strain curves of soil with different cycles (τp is the max shear stress)

图4 强度参数与循环次数的关系Fig.4 Relationship between shear strength parameters and times of cycles

(1)

φ=14.26-0.264n

(2)

式中:c代表黏聚力,KPa；φ代表内摩擦角,(°)；n代表冻融循环的次数。

2.2 水泥固化淤泥土的裂隙特征

对经过0次、1次、2次、5次和10次干湿-冻融循环后的水泥固化淤泥土试样进行工业CT扫描测试，原始CT扫描图像如图5所示，该图像对裂隙的识别程度不高，需要进一步处理。利Image J软件将原始的CT图像进行二值化处理，同时提取出裂隙形态特征，结果如图6所示。

图5 不同循环次数下试样的裂隙特征Fig.5 Fracture characteristics of samples with different cycles

不同干湿-冻融循环次数下的二值化图像显示，干湿-冻融循环作用对水泥固化淤泥土的裂隙演化有明显的影响。未经干湿-冻融处理的土体内部未出现较大裂隙；经过1次干湿-冻融循环后，土体内部出现了长度和宽度较小的两条裂隙； 2次循环后的新生裂隙数量和尺寸均有所增加，裂隙连通程度也相应提高；在经过5次循环后，裂隙数量与尺寸继续增加，裂隙连通程度大大提高；在5～10次循环过程中，新生裂隙数量没有明显增加，但裂隙连通性进一步提高，裂隙宽度明显增加。

图6 不同循环次数下的二值化裂隙图像Fig.6 Binary crack image of samples with different cycles

对二值化图像中裂隙的像素点数量进行统计，计算了不同干湿-冻融循环次数下水泥固化淤泥土的裂隙面积An。根据式(3)计算了不同试样的裂隙率Rn，由裂隙率可以量化土体的结构性损伤程度[13]。

(3)

式中：Rn为裂隙率；Ac,n为裂隙的像素覆盖面积；An为CT图像的总像素覆盖面积。

由式(3)得到的裂隙率Rn和干湿-冻融循环次数n的关系曲线如图7所示。可以看出水泥固化淤泥土的裂隙率与干湿-冻融循环次数之间呈指数型关系，表达式如式(4)所示。裂隙率和循环次数拟合曲线与实测数据的相关性系数为0.95，说明采用式(4)可以有效地预测土体裂隙率Rn的发展趋势。

(4)

式中：Rn为水泥固化淤泥土的裂隙率;n为干湿-冻融循环次数。

由三轴剪切试验的结果发现水泥固化土抗剪强度指标随干湿-冻融循环次数增加而衰减，由CT图像计算的裂隙率随循环次数增加而升高。为了分析力学性能与裂隙损伤程度的相关性，建立裂隙率Rn与抗剪强度参数(黏聚力c、内摩擦角φ)的直角坐标系，用线性拟合的方法分析两者之间的数学关系，结果如图8所示。裂隙率与强度指标之间拟合公式的确定性系数超过了0.95，说明利用裂隙率可以较为准确地对强度指标进行预测[14]。

图7 裂隙率与循环次数的关系Fig.7 Relationship between crack ratio and times of cycles

图8 抗剪强度参数与裂隙率的关系Fig.8 Relationship between shear strength parameters and fracture ratio

2.3 水泥固化淤泥土的微观结构特征

为了研究干湿-冻融循环对水泥固化淤泥土微观结构损伤机理，对不同干湿-冻融循环次数(0次、2次、5次和10次)下的水泥固化淤泥土试样开展扫描电镜(SEM)试验，得到放大500倍的SEM照片，结果如图9所示。初始状态下的水泥固化淤泥土内部结构比较密实，裂隙少且小。经过干湿-冻融循环后，水泥固化淤泥土的微观结构有明显变化，裂隙开始扩大，土颗粒结构逐渐疏松。究其原因，在反复干湿-冻融循环作用下，水泥固化淤泥土颗粒间的孔隙水不断发生相变。孔隙水的蒸发和冻结过程使得水泥固化淤泥土内部的土颗粒不断发生膨胀和收缩作用，水泥基的凝胶胶结物质在水的作用下逐渐溶解，黏土间的密实度不断降低，进而削弱了土体力学性能。由于黏聚力主要取决于土颗粒间的黏结强度，受水泥凝胶结构的影响较大，而内摩擦角取决于土颗粒接触关系，干湿-冻融循环作用主要使得水泥胶结物质流失，故黏聚力下降幅度远大于内摩擦角[15]。

图9 不同循环次数试样的SEM照片Fig.9 SEM images of samples under different cycles

3 结 论

(1)干湿-冻融循环作用使得水泥固化淤泥土力学行为逐渐弱化，黏聚力随干湿-冻融循环次数增加近似保持指数型衰减趋势，内摩擦角随循环次数增加呈线性衰减趋势。

(2)在干湿-冻融循环过程中，水泥固化淤泥土的裂隙结构逐渐扩大，由CT扫描图像可以直观地反映裂隙的发展规律，由CT图像得到的裂隙率与循环次数保持指数型上升关系。

(3)在干湿-冻融循环过程中，水泥固化淤泥土的黏聚力、内摩擦角指标均与裂隙率保持相关性较好的线性关系，说明土体的强度指标衰减与结构损伤效应保持较好的关联性。

(4)干湿-冻融循环使得水泥固化淤泥土内部的水泥基胶结物逐渐流失，土颗粒间的密实度下降，这是水泥土裂隙扩张和力学性能损伤的本质原因。