3.2 典型土层水泥改良前后冻土热物理和力学特性试验研究
南京地铁10号线过江隧道东端头所处高水压砂性地层，以该地层中②-2b-4淤泥质粉质黏土和②-3d3-4粉砂、细砂两种典型土质为研究对象。针对水泥改良前后土体的热物理和力学特性，采用室内试验研究方法。主要比较研究两种土质在常温和-10℃下水泥掺入比、养护龄期对水泥改良前后土体的导热系数、容积热容量、导温系数、无侧限抗压强度和弹性模量的影响规律。
3.2.1 试验安排
单因素试验安排如表3.3～表3.5所示。
表3.3 水泥掺入比、养护龄期对冻结温度影响的单因素试验安排
表3.4 水泥掺入比、养护龄期对导热系数、容积热容、导温系数、无侧限抗压强度、弹性模量影响的单因素试验安排
表3.5 温度对无侧限抗压强度、弹性模量影响的单因素试验安排
水泥改良前后冻土的冻结温度试验采用南京林业大学自制热电偶测温法，冻结温度试验装置主要由零温瓶、低温箱、试样皿和温度采集系统构成。导热系数、容积热容、导温系数试验采用欧洲产的ISOMET便携式热特性分析仪进行测定。无侧限抗压强度、弹性模量试验采用南京林业大学自行研制的WTD-100B型微机控制电子式冻土压力试验机进行。
3.2.2 试验结果
单因素试验结果如表3.6～表3.8所示。
表3.6 水泥掺入比、养护龄期对冻结温度影响的试验结果 单位：℃
表3.7 水泥掺入比、养护龄期对导热系数、容积热容、导温系数、无侧限抗压强度、弹性模量影响的试验结果
续表
表3.8 温度对无侧限抗压强度、弹性模量影响的试验结果
3.2.3 试验结果分析
1.冻结温度
如图3.3所示给出了冻结温度与水泥掺量的关系曲线。从图3.3可以看出，虽然土质不同，冻结温度均随着水泥掺量的增大而线性减小。这是因为随着水泥掺量的增大，水泥水解用水量增大，土体中自由水含量减小，水结冰时释放的潜热减少，故冻结温度降低。经数据回归，冻结温度与水泥掺量关系式如表3.9所示。淤泥质粉质黏土的冻结温度始终低于粉砂、细砂的冻结温度，它们之间的差值随着水泥掺量的增大而增大。
图3.3 冻结温度与水泥掺量的关系
表3.9 不同土质冻结温度与水泥掺量回归关系式
注 x表示水泥掺入比；y表示冻结温度，单位为℃。
如图3.4所示给出了冻结温度与养护龄期的关系曲线。可知淤泥质粉质黏土的冻结温度始终低于粉砂、细砂的冻结温度。冻结温度都随着养护龄期的增大而降低，养护龄期28d之前冻结温度降低较快，28d之后下降趋势明显变缓。这是因为水泥水解反应在前28d最为激烈，故在这期间冻结温度的变化较为明显。28d以后水泥土结构基本稳定，土质和含水量的改变也基本稳定，故下降趋势明显变缓。
图3.4 冻结温度与养护龄期的关系
2.导热系数
如图3.5所示为导热系数与水泥掺量的关系曲线。经数据回归，导热系数与水泥掺量关系式如表3.10所示。可知，不同土质不同温度下导热系数均随着水泥掺量的增大而线性减小。常温下，随着水泥掺入比的增加淤泥质粉质黏土的导热系数下降较快。水泥掺量20%时，粉砂、细砂的导热系数是原状土（水泥掺量0%）的94.1%，淤泥质粉质黏土的导热系数是原状土的78.8%。在-10℃时，水泥掺量20%的粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土的导热系数分别是原状土的85.8%和89.8%，故随着水泥掺入比的增加粉砂、细砂的导热系数下降较快。不同土质相同水泥掺量时，常温下的导热系数明显低于-10℃时的导热系数。
图3.5 导热系数与水泥掺量的关系
表3.10 不同土质导热系数与水泥掺量回归关系式
注 x表示水泥掺入比；y表示导热系数，单位为W（m·k）-1。
如图3.6所示为导热系数与养护龄期的关系曲线。经数据回归，导热系数与龄期关系式如表3.11所示。可知，不同土质不同温度下导热系数均随着养护龄期的增大而减小。不同土质相同龄期时，常温下的导热系数明显低于-10℃时的导热系数。常温下，不同龄期淤泥质粉质黏土的导热系数低于粉砂、细砂的导热系数。而在-10℃时情况相反，不同龄期粉砂、细砂的导热系数低于淤泥质粉质黏土的导热系数。
图3.6 导热系数与养护龄期的关系
表3.11 不同土质导热系数与养护龄期回归关系式
注 x表示养护龄期，单位为d；y表示导热系数，单位为W（m·k）-1。
3.容积热容量
如图3.7所示为容积热容量与水泥掺量的关系曲线。经数据回归，容积热容量与水泥掺量关系式如表3.12所示。可知，常温下，不同土质的容积热容均随水泥掺量的增大而线性减小，粉砂、细砂的容积热容量下降较快。在-10℃时，水泥掺量的变化对不同土质容积热容量的影响很小。水泥掺量较小时，不同土质常温下的容积热容量大于-10℃时的容积热容量。当水泥掺量达到20%以后，-10℃时反而大于常温下的容积热容量。
图3.7 容积热容与水泥掺量的关系
表3.12 不同土质容积热容量与水泥掺量回归关系式
注 x表示水泥掺入比；y表示容积热容，单位为×106J/（m3·k）。
如图3.8所示为容积热容量与养护龄期的关系曲线。经数据回归，容积热容量与龄期关系式如表3.13所示。可知，不同土质不同温度的容积热容量均随着龄期的增大而减小；不同温度相同龄期下粉砂、细砂的容积热容量小于淤泥质粉质黏土的容积热容量。养护龄期28d之前容积热容量减小较快，28d之后下降趋势明显变缓。不同土质常温下的容积热容量明显高于-10℃时的容积热容量。
图3.8 容积热容与养护龄期的关系
表3.13 不同土质容积热容与养护龄期回归关系式
注 x表示养护龄期，单位为d；y表示容积热容，单位为×106J/（m3·k）。
4.导温系数
如图3.9所示为导温系数与水泥掺量的关系曲线。经数据回归，导温系数与水泥掺量关系式如表3.14所示。可知，常温下，不同土质的导温系数均随着水泥掺量的增大而线性增大，粉砂、细砂的导温系数上升较快。在-10℃时，水泥掺量的变化对不同土质导温系数的影响很小，不同土质的导温系数均随着水泥掺量的增大而缓慢减小。
图3.9 导温系数与水泥掺量的关系
表3.14 不同土质导温系数与水泥掺量回归关系式
注 x表示水泥掺入比；y表示导温系数，单位为×10-6m2/s。
如图3.10所示为导温系数与养护龄期的关系曲线。经数据回归，导温系数与龄期关系式如表3.15所示。可知，不同土质不同温度的导温系数均随着龄期的增大而增大；不同温度相同龄期下粉砂、细砂的导温系数大于淤泥质粉质黏土的导温系数。不同土质常温下的导温系数明显低于-10℃时的导温系数。
图3.10 导温系数与养护龄期的关系
表3.15 不同土质导温系数与养护龄期回归关系式
注 x表示养护龄期，单位为d；y表示导温系数，单位为×10-6m2/s。
5.无侧限抗压强度
如图3.11所示为无侧限抗压强度与水泥掺量的关系曲线。可知，不同土质不同温度下的无侧限抗压强度均随着水泥掺量的增大而线性增大，粉砂、细砂的无侧限抗压强度上升较快。经数据回归，抗压强度与水泥掺量关系式如表3.16所示。不同温度相同水泥掺量下粉砂、细砂的抗压强度大于淤泥质粉质黏土的抗压强度。当水泥掺量0%（原状土）时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土-10℃的抗压强度分别是常温下的292倍和65倍，当水泥掺量20%时，两种土-10℃的抗压强度分别是常温下的4.58倍和5.34倍。
图3.11 无侧限抗压强度与水泥掺量的关系
表3.16 不同土质无侧限抗压强度与水泥掺量回归关系式
注 x表示水泥掺入比；y表示无侧限抗压强度，单位为MPa。
如图3.12所示为无侧限抗压强度与养护龄期的关系曲线。可知，不同土质不同温度的抗压强度均随着龄期的增大而增大，粉砂、细砂的无侧限抗压强度上升较快。经数据回归，抗压强度与龄期关系式如表3.17所示。不同温度相同龄期下粉砂、细砂的抗压强度大于淤泥质粉质黏土的抗压强度。当养护7天时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土-10℃的抗压强度分别是常温下的7.93倍和16.72倍；当养护90d时，两种土-10℃的抗压强度分别是常温下的5.43倍和11.24倍。
图3.12 无侧限抗压强度与养护龄期的关系
表3.17 不同土质无侧限抗压强度与养护龄期回归关系式
注 x表示养护龄期，单位为d；y表示无侧限抗压强度，单位为MPa。
6.弹性模量
如图3.13所示为弹性模量与水泥掺量的关系曲线。可知，不同土质不同温度下的弹性模量均随着水泥掺量的增大而线性增大，粉砂、细砂的弹性模量上升较快。不同温度相同水泥掺量下粉砂、细砂的弹性模量大于淤泥质粉质黏土的弹性模量。经数据回归，弹性模量与水泥掺量关系式如表3.18所示。当水泥掺量0%（原状土）时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土-10℃的弹性模量分别是常温下的106.21倍和147.14倍；当水泥掺量20%时，两种土-10℃的弹性模量分别是常温下的2.49倍和3.66倍。
图3.13 弹性模量与水泥掺量的关系
表3.18 不同土质弹性模量与水泥掺量回归关系式
注 x表示水泥掺入比；y表示弹性模量，单位为MPa。
如图3.14所示为弹性模量与养护龄期的关系曲线。可知，不同土质不同温度的弹性模量均随着龄期的增大而增大，粉砂、细砂的弹性模量上升较快。经数据回归，弹性模量与龄期关系式如表3.19所示。不同温度相同龄期下粉砂、细砂的弹性模量大于淤泥质粉质黏土的弹性模量。养护7d时，粉砂、细砂和淤泥质粉质黏土-10℃的弹性模量分别是常温下的4.04倍和3.56倍；当养护90d时，两种土-10℃的弹性模量分别是常温下的2.01倍和3.08倍。
图3.14 弹性模量与养护龄期的关系曲线
表3.19 不同土质弹性模量与养护龄期回归关系式
注 x表示养护龄期，单位为d；y表示弹性模量，单位为MPa。
7.温度对无侧限抗压强度和弹性模量的影响
如图3.15所示为无侧限抗压强度与温度的关系曲线。可知，不同土质无侧限抗压强度均随着温度的降低而线性增大，相同温度下粉砂、细砂的抗压强度大于淤泥质粉质黏土的抗压强度。-5℃、-10℃、-15℃、-20℃下粉砂、细砂的抗压强度分别是0℃时的2.89倍、6.72倍、7.55倍和8.27倍；而不同温度下淤泥质粉质黏土的抗压强度分别是0℃时的6.82倍、15.33倍、21倍和26.6倍。
图3.15 无侧限抗压强度与温度的关系曲线
如图3.16所示为弹性模量与温度的关系曲线。可知，不同土质弹性模量均随着温度的降低而线性增大，粉砂、细砂的弹性模量上升较快。相同温度下粉砂、细砂的弹性模量大于淤泥质粉质黏土的弹性模量。
图3.16 弹性模量与温度的关系曲线