水泥加固紅土受力特性及其微結(jié)構(gòu)特征分析

水泥加固紅土受力特性及其微結(jié)構(gòu)特征分析

土性改善包括在土體上添加粉末（通常添加水泥、石灰、灰綠色等）和水劑（合成各種液體等），以有效改善土體工程的性能，減少變形。它在實際的基礎(chǔ)、線路、水利水電、邊緣、隧道等項目中得到了廣泛應(yīng)用，并取得了許多實用成果[1.2]。但對于大量應(yīng)用于實際工程中的云南紅土,由于其特殊性,不時引起諸如邊坡開裂、水庫滲漏、路基下陷、地基承載力不夠等工程危害問題而嚴重影響到實際工程的安全運行。因此,對紅土工程性質(zhì)適應(yīng)性的研究和工程病害的防治處理是云南工程建設(shè)中不可避免的問題,解決這一問題可以從最基本的紅土性能改良入手。關(guān)于紅土性能的改良,國內(nèi)外學(xué)者已開展了相應(yīng)研究。OkabueC.O.等研究了白堊粉加固熱帶紅土的強度問題;ShiraziH.研究了石灰和粉煤灰混合物加固紅土來消除由于水泥土干縮而容易引起的開裂現(xiàn)象問題;MedinaJ.等研究了磷酸對紅土的加固效果;Attoh-Okine.N.O等研究了石灰對紅土的加固作用;李曉全等研究了水泥加固紅粘土的無側(cè)限抗壓強度;吳瑞潛等研究了水泥和粉煤灰加固紅黏土的強度;等等。關(guān)于云南紅土的加固問題,黃英等研究了石灰、粉煤灰和土壤強固劑的混合物對云南紅土強度和變形的影響,石崇喜等研究了摻砂對云南紅土宏觀特性和微結(jié)構(gòu)特性的影響,但作為實際工程中廣泛應(yīng)用的水泥對云南紅土的加固效果,目前還沒有開展過系統(tǒng)研究,導(dǎo)致實際工程缺乏有效指導(dǎo)。因此,針對昆明世博生態(tài)城典型紅土,選取應(yīng)用廣泛的普通硅酸鹽水泥作為加固材料,考慮水泥加入比例和試樣養(yǎng)護時間的影響,系統(tǒng)研究水泥加固紅土的擊實、剪切、壓縮以及滲透等受力特性以及對應(yīng)的微結(jié)構(gòu)特性,為云南紅土地區(qū)的土性改良提供理論依據(jù)。1水泥增強了紅色和粘土的制成性能1.1最佳擊實制樣時間圖1給出了水泥加入比例控制為8%時水泥加固紅土的最佳擊實指標(biāo)與擊實制樣時間的關(guān)系。可見,擊實制樣時間對水泥加固紅土的擊實特性有顯著影響,制樣時間不同,水泥加固紅土的最佳擊實指標(biāo)不同。制樣時間較短時,水泥加固紅土的最大干密度增大,約在1h的時間達到最大值,之后隨著制樣時間的延長而顯著減小。最優(yōu)含水率在1h時也達到一個較大值,2h時有所減小,3h又明顯增大,總體上隨擊實制樣時間的延長呈增大的趨勢,這主要與水泥的初凝時間有關(guān)。擊實試驗結(jié)果表明,為了使水泥加固紅土處于最佳擊實狀態(tài),存在一個最佳擊實制樣時間。所謂最佳擊實制樣時間就是指從水泥加入土體中開始到擊實效果達到最佳狀態(tài)(最大干密度)時所經(jīng)歷的時間,實際上反映了水泥與紅土顆粒之間最佳的擊實效果,根據(jù)最大干密度的最佳值控制標(biāo)準,本文確定水泥加固紅土的最佳擊實制樣時間為1h。關(guān)于最佳擊實制樣時間,柳墩利等的研究也表明了水泥改良土的擊實指標(biāo)受擊實制樣時間的影響。1.2水泥加固基層總含水率的變化圖2給出了水泥加入比例對紅土最佳擊實指標(biāo)的影響。可以看出,紅土中加入水泥后,顯著改變了紅土的最佳擊實特性,引起紅土最佳擊實指標(biāo)發(fā)生變化。和素紅土比較,水泥加固紅土的最大干密度增大,最優(yōu)含水率減小;隨著水泥加入比例的增加,最大干密度逐漸增大,最優(yōu)含水率逐漸減小。當(dāng)水泥加入比例由8%增加到20%時,相比素紅土,最大干密度增大了1.2%~3.1%,最優(yōu)含水率減小了2.0%~8.0%,說明最優(yōu)含水率減小的程度大于最大干密度增大的程度。這是由于加入紅土中顆粒細小、比重較大的水泥所起的置換、包裹、填充和膠結(jié)作用提高了試樣密實程度的結(jié)果。2水泥加固紅棕色抗修剪強度特性2.1水泥加入比例對曲線沖壓的影響圖3給出了典型情況下水泥加固紅土的剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線。與素紅土相比,水泥加固紅土的剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線位置較高,隨著水泥加入比例的增大,曲線頂點不斷提高,而頂點對應(yīng)的剪位移則不斷減小。與不養(yǎng)護時比較,養(yǎng)護后水泥加固紅土剪應(yīng)力-剪位移關(guān)系曲線位置較高,隨著試樣養(yǎng)護時間的延長,曲線頂點不斷提高,而頂點對應(yīng)的剪位移則不斷減小。表明水泥的加入和試樣的養(yǎng)護增強了紅土的抗剪能力,水泥加入越多,養(yǎng)護時間越長,抗剪能力越強。紅土中加入水泥具有提高強度、減小變形的作用。2.2養(yǎng)護時間與比例強度圖4給出了水泥加入比例和試樣養(yǎng)護時間對水泥加固紅土抗剪強度影響的典型曲線。圖4表明:(1)水泥的加入和試樣的養(yǎng)護都可以提高紅土的抗剪強度。試樣養(yǎng)護時間相同,水泥加固紅土的抗剪強度隨水泥加入比例的增大而增大,水泥加入比例15%以內(nèi),抗剪強度增長較快,超過15%以后,增長變緩,說明存在一個合適的水泥加入比例問題。(2)水泥加入比例相同,素紅土養(yǎng)護后的抗剪強度基本沒有變化,而水泥加固紅土的抗剪強度隨養(yǎng)護時間的延長逐漸增大,養(yǎng)護初期(養(yǎng)護時間7d以前)強度增長較快,養(yǎng)護中后期(7d以后)增長變緩。說明素紅土抗剪強度的發(fā)揮基本與養(yǎng)護時間無關(guān),水泥加固紅土抗剪強度的發(fā)揮需要一定養(yǎng)護時間,存在一個最佳養(yǎng)護時間問題。這是由于,一方面,加入紅土中的水泥所起的包裹、填充和膠結(jié)作用在試樣經(jīng)過養(yǎng)護后得到進一步加強,導(dǎo)致水泥加固紅土的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強,承受外荷載的能力增大,達到與素紅土同一應(yīng)力水平時的變形減小;另一方面,由于水泥和紅土顆粒之間的作用存在一個最佳狀態(tài),水泥水化作用的發(fā)揮隨時間延長逐漸減弱,導(dǎo)致水泥加固紅土存在一個合適的水泥加入比例和最佳養(yǎng)護時間問題。圖4也說明水泥比例對紅土抗剪強度的影響大于養(yǎng)護時間的影響。圖5給出了以比例強度增長值和時間強度增長值來表示的水泥加入比例和試樣養(yǎng)護時間對水泥加固紅土抗剪強度的影響效果,比例強度增長值是指在試樣養(yǎng)護時間相同的情況下,水泥加入前后紅土抗剪強度的差值與水泥加入比例之比,即水泥比例每增加1%時紅土抗剪強度的增長值(kPa/%);時間強度增長值是指在水泥加入比例相同的情況下,試樣養(yǎng)護前后紅土抗剪強度的差值與養(yǎng)護時間之比,即試樣平均每養(yǎng)護1d紅土抗剪強度的增長值(kPa/d)。可見,紅土中加入水泥并經(jīng)過養(yǎng)護后,都存在不同程度的強度增長。圖5表明,如果試樣不養(yǎng)護(0d),每增加1%水泥引起的比例強度增長值不大,水泥比例15%以內(nèi),比例強度增長值有所增大,超過15%以后,比例強度增長值逐漸減小;養(yǎng)護后,每增加1%水泥引起的比例強度增長值增大,養(yǎng)護3d和28d,水泥加入比例11%以內(nèi),比例強度增長值逐漸增大,超過11%以后,比例強度增長值逐漸減小。在7d和14d的養(yǎng)護時間,較小的水泥比例反而引起比例強度增長的減小,這可能與水泥加固紅土的強度形成有關(guān),與文獻研究的水泥砂漿固化土在14d齡期出現(xiàn)變形系數(shù)降低的問題類似。這說明了抗剪強度的增長與水泥加入比例和試樣養(yǎng)護時間的關(guān)系,水泥加入比例較低時,可以通過延長養(yǎng)護時間來獲得較高的抗剪強度;而如果養(yǎng)護時間較短,則可以增加水泥比例來獲得較高的抗剪強度,存在一個合適的水泥加入比例問題。同時,不管水泥加入比例如何,養(yǎng)護時間初期,每養(yǎng)護1d強度增長較快,隨試樣養(yǎng)護時間的延長,時間強度引起的增長顯著減小,同樣存在一個最佳養(yǎng)護時間問題。2.3方案二:后養(yǎng)護時間與粘聚力的關(guān)系圖6分別給出了水泥加入比例和試樣養(yǎng)護時間對水泥加固紅土抗剪強度指標(biāo)的影響。圖6表明:(1)水泥的加入和試樣的養(yǎng)護都提高了紅土的粘聚力,隨著水泥加入比例的增大和試樣養(yǎng)護時間的延長,粘聚力逐漸增大。水泥加入比例在15%以內(nèi),粘聚力增長較快;超過15%,增長變慢;素紅土養(yǎng)護后粘聚力基本不變,加入水泥后養(yǎng)護初期(7d以前)粘聚力增長較快,養(yǎng)護中后期(7d以后)增長減慢。其變化趨勢與抗剪強度的變化趨勢(圖4)一致,說明水泥加固紅土抗剪強度的提高主要依賴于粘聚力的增大。(2)水泥的加入提高了紅土內(nèi)摩擦角,水泥加入比例8%以前內(nèi)摩擦角增長較快,8%~15%范圍內(nèi)內(nèi)摩擦角變化緩慢,超過15%以后又增長較快。說明當(dāng)水泥加入比例達到某一范圍,對內(nèi)摩擦角的影響很小,這時強度的提高主要靠粘聚力的增大來實現(xiàn)。(3)內(nèi)摩擦角隨養(yǎng)護時間的延長變化很小,說明試樣養(yǎng)護對內(nèi)摩擦角的增大基本沒有貢獻。同時,水泥比例對紅土粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響大于養(yǎng)護時間的影響。圖7為水泥加入比例和試樣養(yǎng)護時間對水泥加固紅土抗剪強度指標(biāo)的影響程度,粘聚力的變化以比例膠結(jié)度和時間膠結(jié)度來衡量,內(nèi)摩擦角的變化以比例摩擦度和時間摩擦度來衡量。所謂比例膠結(jié)度(比例摩擦度)是指在試樣養(yǎng)護時間相同的情況下,平均每加入1%水泥,紅土粘聚力(內(nèi)摩擦角)的變化程度;時間膠結(jié)度(時間摩擦度)是指在水泥加入比例相同的情況下,試樣平均每養(yǎng)護1d紅土粘聚力(內(nèi)摩擦角)的變化程度。圖7表明:(1)比例膠結(jié)度的變化趨勢與圖5中比例強度增長值的變化趨勢一致,這也說明了抗剪強度的提高主要依賴于粘聚力增大的結(jié)果。紅土中加入水泥并經(jīng)過養(yǎng)護后,都可提高紅土的比例膠結(jié)度和時間膠結(jié)度。試樣不養(yǎng)護(0d),水泥加入比例15%以內(nèi),比例膠結(jié)度逐漸增大,超過15%以后,比例膠結(jié)度逐漸減小;養(yǎng)護后3d和28d,水泥加入比例11%以內(nèi),比例膠結(jié)度逐漸增大,超過11%以后,比例膠結(jié)度逐漸減小。說明水泥加固紅土粘聚力的提高存在一個合適的水泥加入比例。水泥加入較少,粘聚力的提高可以通過延長養(yǎng)護時間來實現(xiàn);養(yǎng)護時間較短,粘聚力的提高可以通過增加水泥比例來實現(xiàn)。需要說明的是,在7d和14d的養(yǎng)護時間內(nèi),較小的水泥比例反而引起比例膠結(jié)度的減小,這可能與水泥加固紅土的強度形成特別是顆粒之間膠結(jié)能力的形成有關(guān),與文獻研究的水泥砂漿固化土在14d齡期出現(xiàn)變形系數(shù)降低的問題類似。(2)不管水泥加入比例如何,時間膠結(jié)度都隨試樣養(yǎng)護時間的延長逐漸減小,同樣存在一個最佳養(yǎng)護時間問題。(3)總體上,比例摩擦度隨水泥加入比例的增大而呈減小趨勢。(4)在養(yǎng)護時間7d以前,水泥加入比例11%以內(nèi),時間摩擦度增大;15%以后,時間摩擦度減小。隨養(yǎng)護時間延長,時間摩擦度變化不大,說明水泥加固紅土顆粒之間內(nèi)摩擦力的形成受養(yǎng)護時間的影響很小。(5)比例膠結(jié)度和時間膠結(jié)度的變化范圍明顯大于比例摩擦度和時間摩擦度的變化范圍,說明水泥加入比例和試樣養(yǎng)護時間對粘聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響。3壓縮系數(shù)的對比圖8給出了水泥加入比例對水泥加固紅土壓縮系數(shù)的影響及水泥每增加1%的影響程度和試樣養(yǎng)護時間對水泥加固紅土壓縮系數(shù)的影響及試樣每養(yǎng)護1d的影響程度。圖8表明,素紅土的壓縮系數(shù)在0.1~0.2MPa-1之間,屬于中偏低壓縮性的土;而水泥加固紅土的壓縮系數(shù)都小于0.1MPa-1,屬于低壓縮性的土。隨水泥加入比例的增大和試樣養(yǎng)護時間的延長,水泥加固紅土的壓縮系數(shù)顯著降低;水泥每增加1%或試樣每養(yǎng)護1d,壓縮系數(shù)的降低程度逐漸減緩;水泥比例的影響大于養(yǎng)護時間的影響。說明水泥的加入和試樣的養(yǎng)護有效降低了紅土的壓縮性能,提高了紅土抵抗壓縮變形的能力。這是由于加入紅土中的水泥所起的包裹、填充和膠結(jié)作用在試樣經(jīng)過養(yǎng)護后發(fā)揮更充分,進一步提高了水泥加固紅土的整體穩(wěn)定性,增強了水泥加固紅土抵抗壓縮變形的能力。4素土/水泥養(yǎng)護對滲透系數(shù)的影響圖9給出了水泥加入比例對水泥加固紅土滲透系數(shù)的影響及水泥每增加1%的影響程度和試樣養(yǎng)護時間對水泥加固紅土滲透系數(shù)的影響及試樣每養(yǎng)護1d的影響程度。可見,素紅土的滲透系數(shù)達10-6cm/s,屬于弱透水性土;而水泥加固紅土的滲透系數(shù)達10-7cm/s,屬于相對不透水性土。圖9表明:(1)不管試樣養(yǎng)護時間如何,與素紅土相比,水泥的加入極大地降低了紅土的滲透性能,隨水泥加入比例的增加,水泥加固紅土的滲透系數(shù)顯著減小,從10-6cm/s級減小到10-7cm/s級,降幅達到一個數(shù)量級的變化。(2)在水泥加入比例相同的情況下,與養(yǎng)護前相比,素紅土養(yǎng)護后的滲透系數(shù)基本沒有變化,水泥加固紅土養(yǎng)護后的滲透系數(shù)隨試樣養(yǎng)護時間的延長逐漸減小;水泥每增加1%或試樣每養(yǎng)護1d,滲透系數(shù)的降低程度逐漸減緩。說明水泥的加入和試樣的養(yǎng)護有效降低了紅土的滲透性能,提高了紅土抵抗?jié)B透變形的能力。其原因在于,紅土中包裹、填充的水泥在試樣經(jīng)過養(yǎng)護后形成的膠結(jié)物提高了紅土的密實性,減小了顆粒之間的連通孔隙通道,降低了水泥加固紅土的透水能力。5微結(jié)構(gòu)特征測定圖10給出了在2000X和10000X的放大倍數(shù)下,試樣不養(yǎng)護時水泥加入前后擊實紅土典型的微結(jié)構(gòu)圖像,圖11給出了水泥加入比例為8%時試樣養(yǎng)護前后擊實紅土典型的微結(jié)構(gòu)圖像。對比分析表明,水泥加入和試樣養(yǎng)護導(dǎo)致紅土顆粒及其顆粒間的孔隙呈現(xiàn)出包裹、填充和膠結(jié)的微結(jié)構(gòu)特征,從而引起水泥加固紅土擊實、剪切、壓縮和滲透等力學(xué)特性的宏觀變化。從細小顆粒分布來看,在2000X的放大倍數(shù)下,明顯可見素紅土的細顆粒很少(圖10a),加入水泥后紅土中的細小顆粒增多(圖10b、c)。說明水泥的加入對紅土顆粒起著包裹作用,水泥加入越多,細小的水泥顆粒包裹紅土顆粒越充分,導(dǎo)致水泥加固紅土呈現(xiàn)出包裹顆粒的微結(jié)構(gòu)特征。從密實性來看,在2000X的放大倍數(shù)下,素紅土較松散、孔隙較多(圖10a);加入水泥后紅土的密實性提高、孔隙減小(圖10b、c);而試樣經(jīng)過養(yǎng)護后,其密實性顯著提高(圖11a、b、c);同時,微結(jié)構(gòu)圖像特征參數(shù)的提取結(jié)果也說明了水泥加固紅土的孔隙率隨水泥加入比例的增大和試樣養(yǎng)護時間的延長而逐漸減小。試樣不養(yǎng)護,當(dāng)水泥加入比例由0%增大到8%和15%時,其孔隙率由44.2%減小到43.9%和38.1%;水泥加入比例為8%,當(dāng)養(yǎng)護時間達到7d和14d時,其孔隙率由不養(yǎng)護的43.9%減小到40.7%和39.5%。說明加入的水泥除了一部分包裹紅土顆粒起著包裹作用外,還有一部分充填在紅土顆粒之間的孔隙中,提高了水泥加固紅土的密實程度,水泥在紅土顆粒間起著填充作用。水泥加入越多,充填在紅土