不同摻量下生石灰對(duì)吹填泥漿沉降影響的試驗(yàn)研究

魏星

摘要：通過室內(nèi)沉降柱試驗(yàn)，模擬了吹填泥漿在摻入少量生石灰下的沉降過程，探討了少量生石灰對(duì)吹填泥漿的預(yù)處理效果并解釋作用機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：生石灰的摻入對(duì)吹填泥漿的沉降有促進(jìn)作用，生石灰在較低摻量情況下，可以加快吹填泥漿沉速，降低沉積物含水率；較高摻量的情況下，可以使吹填泥漿盡快進(jìn)入自重固結(jié)階段，沉積物沉降量更加穩(wěn)定，研究結(jié)果對(duì)實(shí)際工程具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：吹填泥漿；生石灰；沉降；作用機(jī)理

中圖分類號(hào)：TU411 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006--7973（2016）05-0070-03

1.引言

隨著沿海經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地資源逐漸日益緊張，吹填造陸是解決這一問題的有效方法之一，但吹填土體的工程性質(zhì)很差，自重沉降過程耗時(shí)久，這樣大大增加了工程經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本；對(duì)吹填土進(jìn)行處理，改良其沉降特性，從而降低成本。目前，已有很多學(xué)者對(duì)吹填土的處理進(jìn)行了研究，并取得一定的成果。劉瑩等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)摻加固化劑的泥漿進(jìn)行了效果對(duì)比；謝海瀾等對(duì)粉煤灰處理吹填泥漿進(jìn)行了試驗(yàn)研究，說明了粉煤灰處理吹填土的可行性；劉娉慧等研究了利用外摻劑快速加固吹填泥漿的方法；陳永輝等提出就地固化吹填土的新方法，并對(duì)處理效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究；李強(qiáng)等研究了通過固化劑處理吹填土方法，提高了高含水率疏浚泥的利用率。

考慮到較高摻入量的生石灰所需的工程成本較高，本試驗(yàn)采用摻量相對(duì)較低的生石灰來對(duì)吹填泥漿進(jìn)行預(yù)處理，通過沉降柱試驗(yàn)研究其沉降過程、作用機(jī)理以及不同生石灰摻量下的作用效果。

2.試驗(yàn)材料與方法

2.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自上海市地區(qū)第四層土，土樣比重2.74，依照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)試驗(yàn)土樣進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，其中小于0.005mm的顆粒含量約為47%，介于0.005-0.075mm之間的顆粒含量約為51.8%，大于0.075mm的顆粒含量約為1.2%，顆粒分析曲線如圖1。試驗(yàn)?zāi)酀{為上述土樣自然風(fēng)干之后，加水配制成初始含水率為200%的泥漿。試驗(yàn)儀器采用由有機(jī)玻璃制作的高50cm，直徑12.99cm的沉降柱。

2.2試驗(yàn)方法

向已經(jīng)配制好的泥漿中分別加入2‰、5‰、8‰摻量的生石灰，在充分?jǐn)嚢柚髮⒛酀{分別倒人沉降柱中，記錄沉降量，并由此推算沉降速率、孔隙比變化以及容重變化。試驗(yàn)分組和泥漿各初始參數(shù)如表1。

3.不同生石灰摻量的沉降柱試驗(yàn)

3.1沉降規(guī)律

在研究不同摻量生石灰對(duì)吹填泥漿沉降的影響時(shí)，進(jìn)行了分別摻入2‰、5‰、8‰生石灰的沉降柱試驗(yàn)，分別得到三種不同生石灰摻量下的沉降量隨時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖2。

從圖2中可以看出，三種生石灰摻量下，吹填泥漿的沉降規(guī)律基本相同，即在初始階段泥水分界面均出現(xiàn)在0.5-1h之間，在泥水分界面出現(xiàn)之后，分界面即開始快速下沉，沉降量近似線性增加；前3d左右，沉降量保持近似線性增加，其中生石灰摻量為2‰和5‰的沉降量曲線幾乎重合，而生石灰摻量為8‰的泥漿前期沉降量略低于前兩種摻量；在3-4d左右，三種摻量的沉降曲線均出現(xiàn)了明顯的非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，其中2%e摻量的沉降曲線經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的非線性增長(zhǎng)階段，而5‰和8‰摻量的沉降曲線均在較短的時(shí)間內(nèi)完成了沉降量非線性增加階段，并且沉降量拐點(diǎn)非常明顯；在沉降量非線性增加階段，2‰和5‰摻量的沉降量出現(xiàn)了明顯的差異，但兩者的沉降量均明顯大于8‰摻量的沉降量；在5-6d左右，5‰和8‰摻量的沉降曲線開始趨于平穩(wěn)，沉降量變化非常緩慢，5‰摻量的沉降量有非常小幅度的增長(zhǎng)，而8‰摻量的沉降量幾乎為一條平行于橫坐標(biāo)軸的直線，此時(shí)2‰摻量的沉降量曲線仍然以較快的沉速非線性增加，沉降量明顯大于另兩種摻量的情況；12d左右，2‰摻量的沉降曲線開始趨于平穩(wěn)；15d左右，三種摻量的沉降量曲線均處于沉降量穩(wěn)定階段。

圖3為不同生石灰摻量下的沉降速率曲線，從圖3中可以看出，三種摻量的前期沉速的峰值出現(xiàn)的時(shí)間基本相同，這與其析出泥水分界面的時(shí)間一致，同時(shí)三個(gè)峰值中2%。摻量對(duì)應(yīng)的沉速最大，8‰摻量的沉速最??；前3d三者的沉速差距很小，其中2‰和5‰的沉速基本相同；在3d左右，三種摻量的沉速均有所減小，其中5‰和8‰摻量的沉速在24h之內(nèi)迅速減小，2‰摻量的沉速雖也有減小，但減小量不是非常明顯；在4d左右，2‰摻量的沉速明顯大于另外兩種摻量的沉速，5‰摻量的沉速仍然在減小，而8‰摻量的沉速已基本減小到最小值；6d左右5‰和8‰摻量的沉速已接近0，且沉速保持穩(wěn)定；12-13d左右，2‰摻量的沉速已基本減小至最小值。整個(gè)沉降過程中，2‰摻量的沉速最大，且最晚進(jìn)入沉速穩(wěn)定階段；8‰摻量的沉速最小，并且最早進(jìn)入沉速穩(wěn)定階段；進(jìn)入穩(wěn)定階段后，三種生石灰摻量對(duì)應(yīng)的沉速均非常小。

圖4、5分別為不同生石灰摻量下孑L隙比變化曲線和容重變化曲線，從圖中可以看出兩者的變化規(guī)律與沉降量變化規(guī)律相似，在初始階段2‰和5‰的孔隙比和容重變化曲線幾乎重合，并且均在3-4d左右開始出現(xiàn)明顯差異；整個(gè)沉降過程中2‰摻量的孔隙比最小，容重最大，8‰摻量的孔隙比最大，容重最?。?%摻量的孔隙比和容重的變化最先進(jìn)入穩(wěn)定階段，2%e摻量的孔隙比和容重最晚進(jìn)入穩(wěn)定階段。

3.2試驗(yàn)結(jié)果分析

通過不同生石灰摻量下的吹填泥漿沉降柱試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生石灰的摻量對(duì)吹填泥漿的沉降有很大影響，沉降穩(wěn)定時(shí)不同生石灰摻量的泥漿沉積物的參數(shù)見表2。

從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出生石灰的加入對(duì)泥漿自重沉降有很大的影響。在沉降初始階段，不添加生石灰的天然泥漿自重沉降時(shí)會(huì)有絮凝階段，在這個(gè)階段沉降量的變化很小，之后會(huì)逐漸過渡到加速段；與天然泥漿的自重沉降相比，在摻人生石灰之后，絮凝階段很短幾乎沒有在沉降曲線上表現(xiàn)出來，同時(shí)摻人生石灰的泥漿其泥水分界面出現(xiàn)很快，在泥水分界面出現(xiàn)之后，沉降量即開始快速增加，其沉降量近似線性增加段經(jīng)歷較短的時(shí)間后即出現(xiàn)了沉降量非線性增加段，沉速明顯減小，這是因?yàn)橛捎谏壹尤氪堤钅酀{后與水發(fā)生反應(yīng)，生成ca（OH）2，進(jìn)而在泥漿中產(chǎn)生大量ca2+，增加了泥漿中高價(jià)陽離子的濃度，由于較高的陽離子濃度和較高化合價(jià)的陽離子會(huì)加速泥漿的沉積固結(jié)，當(dāng)ca2+加人泥漿之后，土顆粒表面會(huì)吸附更多的ca2+，隨著土顆粒表面高價(jià)離子的增多，土顆粒的雙電層厚度減小，土顆粒之間的更容易產(chǎn)生凝聚作用而形成較大的團(tuán)粒，從而加速泥水分界面的形成；由于生石灰加速了土顆粒的絮凝，使沉降過程中的絮凝階段大大縮減，在出現(xiàn)泥水分界面后基本沒有絮凝過渡區(qū)，泥漿的沉降量即開始快速增加并很快達(dá)到沉降量拐點(diǎn)處；在沉降量拐點(diǎn)出現(xiàn)后，土顆粒之間已出現(xiàn)較明顯的有效應(yīng)力，沉積土體基本進(jìn)入自重固結(jié)階段，所以此時(shí)沉降量變化緩慢且較穩(wěn)定。

沉速出現(xiàn)圖3的變化情況是因?yàn)樵诔霈F(xiàn)泥水分界面時(shí)，相對(duì)沉降速率會(huì)出現(xiàn)較大的突變，所以在開始階段，三種生石灰摻量的泥漿均出現(xiàn)了沉速突變點(diǎn)，由于絮凝作用，泥漿中的土顆粒相互搭接，并迅速進(jìn)入群體沉降階段，開始階段由于土顆粒近似懸浮，土顆粒之間的有效應(yīng)力很小，不同生石灰摻量的泥漿沉速分別集中在各自對(duì)應(yīng)的區(qū)間內(nèi)，沉速相對(duì)穩(wěn)定；由于土顆粒的不斷下沉，土顆粒之間很快產(chǎn)生有效應(yīng)力，阻礙土體的沉降，沉速也因此迅速衰減，在這之后沉積土體開始自重固結(jié)階段，孑L隙水排出緩慢，沉速很小且較為穩(wěn)定。

從圖2～5和表2中可以看出，不同生石灰的摻量對(duì)吹填泥漿的沉降有較大影響。對(duì)于相同初始含水率的泥漿，生石灰摻量越高沉速越慢，沉積泥柱的高度越高，沉降量穩(wěn)定的越快；在達(dá)到穩(wěn)定后相同的時(shí)間內(nèi)，生石灰摻量較高的泥漿，其沉降量變化較小，沉積物的含水率和孔隙比較大，容重較小。這是因?yàn)樯也粌H可以使土顆粒產(chǎn)生絮凝作用，還可以增強(qiáng)土顆粒之間的膠結(jié)作用，當(dāng)生石灰的摻量提高時(shí)，其膠結(jié)作用增強(qiáng)，同時(shí)可以提高沉積土體的強(qiáng)度。在生石灰摻量較低時(shí)，生石灰的膠結(jié)作用比摻量高的弱，形成的泥漿比摻量高的稀，但對(duì)細(xì)小顆粒仍然有絮凝作用，細(xì)小顆粒可以快速絮凝成較大的團(tuán)粒；當(dāng)生石灰摻量較高時(shí)，其膠結(jié)作用較摻量低的情況明顯增強(qiáng)，形成的泥漿較稠，細(xì)小顆粒在絮凝成較大顆粒之后，部分生石灰形成的膠結(jié)物連接土顆粒，這使得土顆粒之間相互聯(lián)系，通過膠結(jié)物搭接在一起，形成比細(xì)小顆粒自身絮凝形成的絮網(wǎng)強(qiáng)度更高的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相較于生石灰摻量較低的情況，其初始階段排水更慢，沉降也更慢，所以初始階段生石灰摻量高的泥漿，沉速較慢。

由于膠結(jié)物質(zhì)的作用，摻量較高的泥漿形成的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，有效應(yīng)力出現(xiàn)的更早，自重固結(jié)階段更加提前，所以在初始含水率相同的情況下，生石灰摻量越高，其沉降量拐點(diǎn)出現(xiàn)的越早，即沉降量穩(wěn)定的越快。由于膠結(jié)物質(zhì)是土顆粒之間出現(xiàn)有效應(yīng)力更早，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，所以較高的生石灰摻量對(duì)應(yīng)的沉積泥柱的高度越高，同時(shí)較高的生石灰摻入量也會(huì)使泥漿更容易形成絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，孑L隙水排出更慢，沉降量也更小，所以如表2所示，在沉降穩(wěn)定階段，生石灰摻量較高的泥漿，其沉積物的含水率和孔隙比較高，容重較低。

4.結(jié)論

通過對(duì)不同生石灰摻量的吹填泥漿沉降柱試驗(yàn)的研究分析，可以得到以下結(jié)論：

生石灰由于對(duì)泥漿具有絮凝和膠結(jié)作用，所以對(duì)吹填泥漿的沉降及穩(wěn)定有促進(jìn)作用。

生石灰的加入可以加快泥水分界面的析出，同時(shí)初始的絮凝階段歷時(shí)更短。

生石灰摻量越高，吹填泥漿的沉速越慢，沉降量越小，沉降穩(wěn)定的越早，穩(wěn)定后沉降量的變化越小，但同時(shí)其孔隙比和含水率越大，容重越小。