動力荷載作用下河道淤泥氣泡混合土的變形特性試驗

劉增祥，顧歡達，陳冬青

（1.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州 215011；2.蘇州市恒正工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇蘇州 215134）

動力荷載作用下河道淤泥氣泡混合土的變形特性試驗

劉增祥1，顧歡達1，陳冬青2

（1.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇蘇州 215011；2.蘇州市恒正工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇蘇州 215134）

為了解河道淤泥氣泡混合土（FMLSS）在動力荷載作用下的變形特性，采用室內(nèi)動三軸試驗研究了圍壓、含水率、水泥摻入量和氣泡含量對FMLSS動變形特性的影響。試驗結(jié)果表明：FMLSS的動應力應變關(guān)系曲線符合雙曲線關(guān)系，在一定的動應力作用下，動應變隨圍壓和水泥摻入量的增大而減小，隨含水率和氣泡含量的增大而增大；當動應變相同時，F(xiàn)MLSS的動彈性模量隨圍壓和水泥摻入量的增大而增大，隨含水率和氣泡含量的增大而減小，動彈性模量與動應變的關(guān)系曲線為平緩衰減型；含水率和水泥摻入量是影響FMLSS變形特性的主要因素。

河道淤泥氣泡混合土；動力荷載；變形特性；動應力應變關(guān)系；動彈性模量

我國沿海地區(qū)及部分內(nèi)陸城市廣泛分布著高含水河道淤泥軟黏土，數(shù)量龐大，處理成本高，具有強度低、壓縮性大、性質(zhì)不穩(wěn)定等特點，通常處于流塑狀態(tài)，未經(jīng)處理很難直接利用，長期沉積對水質(zhì)、環(huán)境、航運、蓄水、泄洪等都會造成不利影響，因此如何應用經(jīng)適當處理后的河道淤泥已成為目前工程界積極探討的課題。河道淤泥的傳統(tǒng)處理方式是燒結(jié)和脫水，但都有很大的局限性。吹填淤泥填海造陸技術(shù)、淤泥固化處理或輕量化處理技術(shù)是目前河道淤泥利用比較經(jīng)濟適用的技術(shù)。利用河道淤泥高含水、多孔隙、流動性、高強度、低密度、低滲透性等特征，將河道淤泥作為原料土制成具有流動特征的氣泡混合土用于防滲工程、填土或填充工程，不僅可以滿足工程用土需求，又能達到河道淤泥資源化利用的目的。

河道淤泥氣泡混合土（foamed mixture lightweight soil using river sludge，F(xiàn)MLSS）由淤泥、水泥、氣泡和水按照一定比例混合攪拌而成，其材料組成和力學性質(zhì)與其他類型的混合輕質(zhì)土有所不同［1-2］，常見混合輕質(zhì)土多以黏性土或砂土為原料土，F(xiàn)MLSS以河道淤泥作為原料土，混入氣泡使FMLSS的孔隙率明顯增大，自重減小，而摻入水泥可以提高FMLSS的強度。根據(jù)需求不同，F(xiàn)MLSS的密度可以在0.5～1.5 g/cm3范圍內(nèi)調(diào)整，抗壓強度可以在0.1～

1.5MPa范圍內(nèi)調(diào)整［3］。

在實際工程中，F(xiàn)MLSS作為構(gòu)筑物填料會受到交通、地震、波浪等動力荷載的作用，探討FMLSS在各種荷載與環(huán)境條件下的工程性質(zhì)，對于掌握FMLSS在不同工程中的適用性是十分必要的。三嶋信雄等［4-5］日本學者研究了氣泡混合土的基本工程性質(zhì)；陳忠平等［6］在國內(nèi)較早開始氣泡混合土的研究，探討了氣泡混合土的物理和力學特性；張小平等［7］以砂、水泥、粉煤灰、松香膠發(fā)泡劑為原材料制作試樣，對氣泡混合土進行了配合比優(yōu)化和三軸試驗研究；顧歡達等［8-9］研究了氣泡混合輕質(zhì)土施工穩(wěn)定性的影響因素，以及FMLSS性質(zhì)的穩(wěn)定性。目前對FMLSS的動力特性研究還很少，本文采用室內(nèi)動三軸試驗研究不同條件下FMLSS的動力變形特性，分析其內(nèi)在的規(guī)律，為其工程應用提供理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗原料土取自蘇州市某河道清淤的淤泥質(zhì)土，根據(jù)GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》，測得河道淤泥的基本物理性能參數(shù)如下：天然密度1.71 g/cm3，初始含水率52.5%，孔隙比1.36，相對密度2.65，塑限26.4%，液限42.0%；液性指數(shù)1.67，處于流塑狀態(tài)。顆粒分布以粒徑小于0.075mm的細粒土為主，塑性指數(shù)15.7，屬于粉質(zhì)黏土；不均勻系數(shù)Cu=5，曲率系數(shù)Cc=1.31，級配較好。淤泥土的顆粒級配曲線如圖1所示。

圖1 淤泥土的顆粒級配曲線

由于氣泡體積不便于準確測量，各組成材料的配比均以干土質(zhì)量為基準。水泥摻入量為水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，氣泡含量為氣泡質(zhì)量與干土質(zhì)量之比；含水率指在原料土中加水之后總的含水量與干土質(zhì)量之比。由于試驗中考慮因素較多，動三軸試驗耗時長，工作量大，因此對試驗方案進行了優(yōu)化，只對部分配比的試樣考慮含水率與圍壓的影響，每個配比做2個平行試樣試驗。試樣編號與配比如表1所示。

表1 試樣編號與配比%

試驗用水泥為普通硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑為動物蛋白類復配型發(fā)泡劑，水為蒸餾水。制備試樣時，先將淤泥過5mm篩，去除大顆粒雜質(zhì)部分，然后按照表1所示的試樣配比方案，在淤泥土中加水稀釋后再加入水泥，用攪拌機攪拌均勻，最后加入已制備好的白色泡沫，再用攪拌機低速將氣泡均勻地混入到淤泥土中，即制成FMLSS。將攪拌均勻的混合土分層裝入尺寸為50mm×100mm的模具中，放入標準養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護24 h后脫模，脫模后用保鮮膜將試樣密封好放入養(yǎng)護箱內(nèi)繼續(xù)養(yǎng)護，經(jīng)過標準養(yǎng)護28 d后進行動荷載試驗。試驗以密度作為控制試樣質(zhì)量的關(guān)鍵指標［10］。

1.2 試驗方法

采用意大利產(chǎn)31-WF7015型氣動式動三軸試驗儀進行動荷載試驗。試驗中主要考慮FMLSS作為填土材料以壓力為主的受力情況，加載時采用的是加載—卸載—再加載—再卸載的循環(huán)加荷方式，卸載只是把加上的荷載卸掉，不施加反向拉力作用。因此，試驗荷載設定波形為半正弦波的循環(huán)荷載，振動頻率1Hz，在研究圍壓的影響時圍壓σc取50 kPa、100 kPa和150 kPa，其他情況下σc均取100 kPa；采用應力控制加荷方式，荷載分級施加，逐級增大至試樣破壞，共10個加載階段，每個加載階段循環(huán)20次，相當于7.5級地震的等效諧波作用［11］，在不固結(jié)不排水條件下進行試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

在動三軸試驗中，由于應變的累積性和殘余應變的出現(xiàn)，采用不同的變形確定的動彈性模量是不同的，在研究動力變形時應將波動變形、殘余變形和綜合變形這3種變形區(qū)分開。大量試驗表明，采用不同的變形在定性上可得到相似規(guī)律的變化曲線，但是在量上有顯著的不同，也有著不同的含義和用途［12］。本文應變指按波動變形確定的動應變，動彈性模量也是按波動變形確定的。

2.1 動應力應變關(guān)系

圖2為部分配比的FMLSS動應力應變擬合曲線，可見動應力σd隨著動應變εd的增大而增大，在開始階段呈線性增大而后逐漸趨于穩(wěn)定，擬合曲線均符合雙曲線關(guān)系，即應力應變關(guān)系可表示為

式中a、b為與圍壓及試樣配比相關(guān)的擬合參數(shù)。

圖2 不同配比FMLSS的σd-εd關(guān)系

2.2 動彈性模量

動彈性模量Ed是研究土體動力特性的重要參數(shù)，加載過程中每周應力循環(huán)得到一個滯回圈，每個滯回圈兩頂點連線的斜率即為該周應力循環(huán)的Ed。試驗中不考慮初始偏應力的影響，其典型滯回圈如圖3所示。

4.我產(chǎn)奶，我有犄角，但我不是奶牛。我是誰？（答案：a milk truck 奶車。horn 既有“犄角”的意思，又有“喇叭”的意思。）

圖3 典型滯回圈示意圖

試驗中發(fā)現(xiàn)，在循環(huán)荷載作用下，隨著應變的逐漸增大，不可恢復的應變也會逐漸累積，軟黏土的剛度都會出現(xiàn)非線性軟化，Ed因此不斷衰減。圖4為部分配比FMLSS的Ed-εd關(guān)系擬合曲線，可見不同配比FMLSS的Ed隨著εd的增大緩慢減小，所有擬合曲線都符合雙曲線關(guān)系，即滿足公式：

圖4 不同配比FMLSS的Ed-εd關(guān)系

式中c、d為與圍壓及試樣配比相關(guān)的擬合參數(shù)。

3 動變形特性的影響因素

FMLSS是一種混合土，其中含有水、淤泥、水泥、氣泡4種主要成分，在分析其σd-εd關(guān)系和Ed的衰減規(guī)律時，必然要結(jié)合這些因素的影響進行分析。此外，還要考慮圍壓的影響。

3.1 圍壓的影響

從圖5和圖6可以看出，圍壓σc對FMLSS的σd-εd關(guān)系和Ed-εd關(guān)系有一定影響，作用效果與其他類型的泡沫混合土的性質(zhì)相似［13-14］。在相同σd作用下，εd隨著圍壓的增大而減小。因為在圍壓作用下，F(xiàn)MLSS的變形受到約束，提高了土體抵抗變形的能力，圍壓越大約束作用越強。當εd相同時，Ed隨著圍壓的增大而增大，圍壓越大Ed-εd曲線斜率越大。這是因為當圍壓增大時，F(xiàn)MLSS土顆粒之間接觸更加緊密，應力波的傳播路徑增多，從而減小了應力波在傳播過程中的能量損耗，試樣土體變硬，Ed增大。圍壓增大既增強了對試樣的約束，又使膠結(jié)結(jié)構(gòu)破壞變大，使高圍壓條件下比低圍壓條件下Ed的減小速度更快，曲線斜率更大。

圖5 不同圍壓下FMLSS的σd-εd關(guān)系（D121試樣）

圖6 不同圍壓下FMLSS的Ed-εd關(guān)系（D121試樣）

3.2 含水率的影響

圖7 不同含水率FMLSS的σd-εd關(guān)系

圖8 不同含水率FMLSS的Ed-εd關(guān)系

3.3 水泥摻入量的影響

圖9和圖10反映出，相比圍壓、含水率和氣泡含量的影響，水泥摻入量是影響FMLSS的σd-εd關(guān)系和Ed-εd關(guān)系的關(guān)鍵因素。在相同σd作用下，εd隨著水泥摻入量的增大而減??；不同水泥摻入量的FMLSS，其最大σd差距較大。當εd相同時，Ed隨著水泥摻入量的增大而大幅增大，這主要是因為河道淤泥本身強度很低，幾乎沒有抵抗變形的能力，加入的水泥具有固化特性，水泥遇水產(chǎn)生的水化物可以包裹粒徑很小的淤泥土顆粒，增強土顆粒間的黏結(jié)力。王庶懋等［15］從細觀角度的研究也證實了這一點；辛凌等［16］研究指出，土體的宏觀現(xiàn)象是其細觀結(jié)構(gòu)變化的體現(xiàn)，水泥摻入量影響的本質(zhì)是水泥的水化作用產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)的影響。此外，分析圖10中各曲線的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)水泥摻入量大的曲線斜率較大，水泥摻入量小的比較平緩，這可能是因為水泥摻入量的提高增大了FMLSS的脆性。

圖9 不同水泥摻入量FMLSS的σd-εd關(guān)系

圖10 不同水泥摻入量FMLSS的Ed-εd關(guān)系

3.4 氣泡含量的影響

圖11和圖12反映出，在相同σd作用下，εd隨著氣泡含量的增大而增大；當εd相同時，Ed隨著氣泡含量的增大而減?。▓D11和圖12中，D121和D131試驗結(jié)果不符合規(guī)律，結(jié)合其他配比試樣的試驗結(jié)果，可能是試驗誤差造成的）。相比水泥摻入量的影響，氣泡含量的變化對最大σd和Ed的影響較小，曲線相對比較密集和平緩。氣泡的加入主要是增加FMLSS的孔隙率，從而降低其密度。本試驗中，氣泡含量是決定FMLSS密度的關(guān)鍵因素，對試樣尺寸和質(zhì)量統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)各配比試樣的密度變化很大，密度變化范圍為1.23～1.55 g/cm3。在工程實際應用中可通過調(diào)節(jié)水泥摻入量和氣泡含量，得到滿足不同工程要求的FMLSS材料。

圖11 不同氣泡含量FMLSS的σd-εd關(guān)系

圖12 不同氣泡含量FMLSS的Ed-εd關(guān)系

綜上分析可知，各種影響因素作用下FMLSS的Ed-εd關(guān)系曲線均為上凸的衰減型，且相對比較平緩，隨著εd的增大，Ed的衰減很小。試驗中每個配比的試樣施加最大荷載后都會發(fā)生明顯破壞變形，從Ed-εd關(guān)系曲線可以看出，各配比的FMLSS在動荷載作用下發(fā)生大應變破壞時，其Ed仍能保持在初始Ed的60%以上，而一般土體在發(fā)生破壞時Ed會迅速降低，表明FMLSS是具有良好彈性的材料，適用于對變形有較高要求的路堤路基等工程。相比于圍壓和氣泡含量對FMLSS的σd-εd關(guān)系與Ed-εd關(guān)系的影響，含水率和水泥摻入量的影響較大，是影響其動力特性的關(guān)鍵因素。

4 結(jié) 論

a.FMLSS的σd-εd關(guān)系與Ed-εd關(guān)系曲線都符合雙曲線關(guān)系，隨著εd的增大，σd先增大后趨于穩(wěn)定，而Ed先比較穩(wěn)定后逐漸衰減。

b.在相同σd作用下，F(xiàn)MLSS的εd隨著圍壓和水泥摻入量的增大而減小，隨著含水率和氣泡含量的增大而增大；當εd相同時，F(xiàn)MLSS的Ed隨著圍壓和水泥摻入量的增大而增大，隨著含水率和氣泡含量的增大而減小。

c.圍壓和氣泡含量對FMLSS的σd-εd關(guān)系與Ed-εd關(guān)系的影響較小，含水率和水泥摻入量的影響較大，是影響其動力特性的關(guān)鍵因素。

d.各影響因素作用下FMLSS的Ed-εd關(guān)系曲線都為上凸的衰減型，且相對比較平緩，隨著εd的增大，Ed衰減很小，各配比的FMLSS在動荷載作用下發(fā)生大應變破壞時，其Ed仍能保持在初始Ed的60%以上，表明FMLSS是具有良好彈性的材料。

［1］李明東，朱偉，馬殿光，等.EPS顆粒混合輕質(zhì)土的施工技術(shù)及其應用實例［J］.巖土工程學報，2006，28（4）：533-536.（LIMingdong，ZHU Wei，MA Dianguang，et al. Construction technology and application in-situ of expanded polystyrene treated lightweight soil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28（4）：533-536.（in Chinese））

［2］李明東，朱偉，張春雷，等.擊實參數(shù)對砂土EPS顆粒混合輕質(zhì)土的影響［J］.河海大學學報（自然科學版），2008，36（6）：814-817.（LIMingdong，ZHUWei，ZHANG Chunglei，et al.Effect of compaction parameters on lightweight sand-EPS beads soil［J］.Journal of Hohai University（Natural Sciences），2008，36（6）：814-817.（in Chinese））

［3］顧歡達，顧熙.影響氣泡輕質(zhì)土工材料施工穩(wěn)定性的因素及其試驗研究［J］.巖土工程技術(shù)，2003（1）：24-27.（GU Huanda，GU Xi.The major factors on construction stability of foamed light soilmaterials and laboratory tests［J］.Geotechnical Engineering Technique，2003（1）：24-27.（in Chinese））

［5］豊福俊泰，三嶋信雄，田中久士.気泡混合軽量土の品質(zhì)管理法に関すゐ研究［J］.土木學會論文集，2000，658：141-152.（TOYOFUKU T，MISIMA N，TANAKA H. Studies on quality conirol of foamed mixture lightweight soil［J］.Journal of JSCE，2000，658：141-152.（in Japanese））

［6］陳忠平，王樹林.氣泡混合輕質(zhì)土及其應用綜述［J］.中外公路，2003，23（5）：117-120.（CHEN Zhongping，WANG Shulin.Survey on bubble mixed lightweight soil and application［J］.Journal of China&Foreign Highway，2003，23（5）：117-120.（in Chinese））

［7］張小平，包承綱.泡沫輕質(zhì)材料在巖土工程中的應用［J］.巖土工程技術(shù)，2000（1）：58-62.（ZHANG Xiaoping，BAO Chenggang.Application of foam lightmaterial to geotechnical engineering［J］.Geotechnical Engineering Technology，2000（1）：58-62.（in Chinese））

［8］顧歡達，顧熙，申燕，等.發(fā)泡顆粒輕質(zhì)土材料的基本性質(zhì)［J］.蘇州科技學院學報（工程技術(shù)版），2003，16（4）：44-48.（GU Huanda，GU Xi，SHEN Yan，et al.The fundamental properties of light soil mixed with foamed beads［J］.Journalof University of Science and Technology of Suzhou（Engineering and Technology），2003，16（4）：44-48.（in Chinese））

［9］顧歡達，顧熙.河道淤泥氣泡混合輕質(zhì)土的性質(zhì)穩(wěn)定性試驗［J］.北京工業(yè)大學學報，2010，36（4）：469-474.（GU Huanda，GU Xi.Stability of air foamed lightweight soil using river sludge［J］.Journal of Beijing University of Technology，2010，36（4）：469-474.（in Chinese））

［10］輪湖建雄，土田孝，松永康男，等.軽量混合処理土工法の港灣施設への適用［J］.土木學會論文集，1998，602：35-52.（WAKO T，TSUCHIDA T，MATSUNAGA Y，et al. Use of artificial lightweightmaterials（treated soilwith air form）for port facilities［J］.Journal of JSCE，1998，602：35-52.（in Japanese））

［11］吳世明.土動力學［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000.

［12］謝定義.土動力學［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［13］高玉峰，王庶懋，王偉.動荷載下砂土與EPS顆?；旌系妮p質(zhì)土變形特性的試驗研究［J］.巖土力學，2007，28（9）：1773-1778.（GAO Yufeng，WANG Shumao，WANG Wei.Test study on deformation characteristics of lightweight sand-EPS beads soil under dynamic load［J］. Rock and Soil Mechanics，2007，28（9）：1773-1778.（in Chinese））

［14］黎冰，高玉峰.黏土與EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的動力變形特性試驗研究［J］.巖土工程學報，2007，29（7）：1042-1047.（LI Bing，GAO Yufeng.Experimental study on dynamic deformation characteristics of lightweight clay-EPS beads soil［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，29（7）：1042-1047.（in Chinese））

［15］王庶懋，高玉峰.砂土與EPS顆?；旌系妮p質(zhì)土（LSES）細觀結(jié)構(gòu)的CT研究［J］.巖土力學，2006，27（12）：2137-2142.（WANG Shumao，GAO Yufeng. Research on meso-structure of lightweight sand-EPS bead soil（LSES）using CT［J］.Rock and Soil Mechanics，2006，27（12）：2137-2142.（in Chinese））

［16］辛凌，沈揚，劉漢龍，等.單軸壓力下RST輕質(zhì)土變形特性及其細觀機理分析［J］.河海大學學報（自然科學版），2010，38（2）：160-164.（XIN Ling，SHEN Yang，LIU Hanlong，et al.Deformation behavior and its mesomechanism analysis of lightweight soil mixed with rubber chips of scrap tires based on unconfined compressive test［J］.Journal of Hohai University（Natural Sciences），2010，38（2）：160-164.（in Chinese））

Test on deformation characteristics of foamed m ixture lightweight soil using river sludge under dynam ic load

LIU Zengxiang1，GU Huanda1，CHEN Dongqing2
（1.School ofCivil Engineering，Suzhou University ofScience and Technology，Suzhou 215011，China；2.Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co.，Ltd.，Suzhou 215134，China）

In order to obtain the deformation characteristics a foamed mixture lightweight soil using river sludge（FMLSS）under a dynamic load，the effects of the confining pressure，water content，cement content，and air foam content on the dynamic deformation characteristics of the FMLSS were investigated using laboratory dynamic triaxial tests.Test results show that the fitting dynamic stress-strain curve of the FMLSS is of the hyperbolic type.The dynamic strain of the FMLSS decreaseswith the increase of confining pressure and cement content，and increases with the increase ofwater content and air foam content under a certain dynamic stress lerel.Under a constant dynamic strain，the dynamic elasticmodulus of the FMLSS increases with the increase of confining pressure and cement content，and decreases with the increase of water content and air foam content.The relationship curve of the dynamic elastic modulus and dynamic strain shows a gradually decreasing trend.The water content and air foam content are the main factors influencing the dynamic deformation characteristics of a FMLSS.

foamed mixture lightweightsoil using river sludge；dynamic load；deformation characteristics；dynamic stressstrain curve；dynamic elasticmodulus

TU411

A

1006- 7647（2016）04- 0047- 06

10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.04.009

2015- 07 14 編輯：熊水斌）

國家自然科學基金（51378327）

劉增祥（1990—），男，碩士研究生，主要從事軟土地基處理技術(shù)研究。E-mail：zxliu90@163.com

顧歡達（1958—），男，教授，博士，主要從事軟土地基處理技術(shù)研究。E-mail：ghdgx@163.com