淤泥固化土力學性質試驗研究

徐桂平，史迎春

（中建筑港集團有限公司，山東 青島 266032）

淤泥固化土力學性質試驗研究

徐桂平，史迎春

（中建筑港集團有限公司，山東 青島 266032）

利用固結排水直接剪切試驗，可得到未固化淤泥和固化淤泥試樣的剪切應力-剪切位移關系，進行計算可得粘聚力和內摩擦角。試驗結果表明：不同的水泥摻量和豎向壓力可誘發(fā)淤泥試樣剪切應力-剪切位移關系曲線形狀變化，水泥摻入可明顯改善淤泥試樣粘聚力和內摩擦角，且二者均隨水泥摻量的增加而增加。水泥摻入可明顯引起無側限抗壓強度和變形模量顯著增加，但破壞應變明顯減??；隨著水泥摻量增加，淤泥力學性質可得到明顯改善；破壞應變與抗壓強度之間服從冪函數(shù)關系，而變形模量與抗壓強度之間服從線性關系。

水泥固化；剪切強度；內摩擦角；粘聚力；抗壓強度；變形模量

引 言

淤泥固化穩(wěn)定化方法由于其具有處理成本低、處理效率高、處理效果良好和固化土可作為再生土填料等優(yōu)點諸多優(yōu)點而備受研究和工程人員重視。國內許多學者針對廢棄疏浚淤泥開展了一系列研究，取得了一系列有意義學術成果[1～5]。朱偉等[1]研究了水泥固化土的無側限抗壓強度演化過程，基于試驗數(shù)據(jù)總結出水泥添加量與固化土無側限抗壓強度的數(shù)學關系表達式，認為固化土試樣破壞時破壞應變的變化范圍為0.2 %～2.0 %。朱偉等[2]認為腐殖酸對水泥水化具有抑制作用，腐殖酸含量對淤泥固化土無側限抗壓強度和破壞應變的影響存在某極限含量，超過這一極限含量，固化土強度和破壞應變,隨腐殖酸含量增加幾乎不再變化。顧正維等[3]認為水泥土滲透系數(shù)隨水泥土固化劑摻量增加而減小，在摻入比一定時，固化土滲透系數(shù)隨著齡期增加而減小。Horpibulsuk等[4]分析了水泥固化淤泥的應力應變關系，發(fā)現(xiàn)水泥固化淤泥強度和剛度隨著含水量呈現(xiàn)先增加后減小現(xiàn)象，且在1.2倍最優(yōu)含水量狀態(tài)時強度和剛度達到最大值。鄧東升等[5]研究了添加生石灰改良高含水率疏浚淤泥無側限抗壓強度主要影響因素，建立了生石灰處理土無側限抗壓強度與原泥初始含水量及處理含水量的定量關系表達式。

以上研究側重固化土的物理屬性和抗壓強度性質，分析了抗壓強度增長規(guī)律和影響因素，但關于固化淤泥強度特性仍需深入研究，尤其在固化淤泥剪切特性等方面仍有較高研究價值。本文將水泥固化劑用于港口疏浚淤泥性質改良，側重分析不同水泥摻量的影響，以期探索固化淤泥土的抗壓強度和抗剪強度等力學性能。研究旨在分析水泥固化淤泥土的無側限抗壓強度特性及水泥固化淤泥土的直接剪切強度情況。

1 試驗材料和試驗方案

1.1 試驗材料

試驗淤泥選自某海港底泥疏浚工程，經大型絞吸式挖泥船獲取淤泥試樣，其天然含水率為152 %，遠大于淤泥液限值89 %。淤泥試樣塑限為36 %，塑性指數(shù)為53 %。經試驗可知，淤泥中所含粘粒、粉粒和砂粒含量分別為9 %、53 %和38 %。有機質含量為6.8 %，比重為2.53。值得注意的是，上述參數(shù)值均為3個代表性試樣的平均值。根據(jù)土的分類方法，試驗用泥屬高液限粘土。試驗所用水泥為PC32.5復合普通硅酸鹽水泥，主要化學成分為CaO、SiO2和Al2O3。

1.2 試驗方法

采用預加載方法對高含水量疏浚淤泥制備直接剪切試驗所用試樣，進行平行試驗的試樣直徑和高度分別為60 mm和20 mm。先使試樣在100 kPa、200 kPa和300 kPa三種豎向壓力下完全固結；然后設定剪切速率為0.015 mm/min，將土樣慢速施加水平剪力進行剪切，直至試樣發(fā)生剪切破壞。

根據(jù)擊實試驗確定最大干密度和最優(yōu)含水量，制備直徑為50 mm、高度為100 mm的圓柱試樣，將所制放入密封塑料盒中以便密封養(yǎng)護。將試樣標準養(yǎng)護（溫度20 °C±1 °C，相對濕度98 %）28 d和90 d之后，進行無側限抗壓強度試驗。強度試驗采用INSTRON 5500R 4206-006型萬能試驗機，且對每個類型試樣至少做2次平行試驗。

2 試驗結果

2.1 直接剪切強度

三種不同豎向壓力水平（100 kPa、200 kPa和300 kPa）下水泥固化淤泥的剪切應力隨剪切位移增長而變化的關系曲線，如圖1所示。圖1（a）、圖1（b）和圖1（c）分別顯示了水泥固化摻量為0 %、3 %和6 %三種情況下試樣對應剪切應力與剪切位移關系。分析可知，對于未固化淤泥和3 %水泥固化淤泥，剪切應力隨剪切位移的積累而均持續(xù)增大，直至達到峰值強度，峰值后剪切應力隨著水平剪切位移增加而趨于穩(wěn)定。這種情況下，可將曲線變化穩(wěn)定后的峰值剪切應力作為試樣的抗剪強度。

對于6 %水泥固化淤泥，在固結壓力水平較低時（100 kPa），剪切試樣的剪切應力值隨著剪切位移的增加而持續(xù)增大，直至達到峰值應力之后趨于穩(wěn)定，該現(xiàn)象與未固化淤泥和3 %水泥固化淤泥所表現(xiàn)出剪切應力與剪切位移變化趨勢相似。但在高固結壓力水平（200 kPa、300 kPa）時，剪切位移的積累誘發(fā)剪切應力呈持續(xù)增加狀態(tài)，甚至在水平剪切位移達到8 mm時剪切應力仍表現(xiàn)出增加的趨勢，剪切試驗結束時并未出現(xiàn)明顯的峰值強度現(xiàn)象。對于此種情況，可將剪切位移達到4 mm時對應的剪切應力值作為試樣抗剪強度。

圖1 剪切應力隨剪切位移變化關系曲線

根據(jù)上述剪切應力和剪切位移變化關系，可確定不同水泥摻量固化淤泥在不同豎向固結應力情況下對應試樣的峰值抗剪強度，如表1所示。必須指出，表1中不同豎向應力水平對應抗剪強度值是2個平行試驗的數(shù)學平均值。經分析可知，在相同豎向壓力下，水泥摻量增加引起淤泥試樣抗剪強度明顯增加，且抗剪強度隨著水泥摻量增加而增大。在相同水泥摻量下，水泥固化淤泥試樣的抗剪強度隨著豎向壓力的增加而明顯增大。綜上所述，豎向壓力水平和水泥摻量不但影響固化淤泥試樣的剪切應力隨剪切位移變化曲線的形狀，還會影響試樣的峰值剪切強度大小。

表1 試樣抗剪強度平均值

分析以上試驗數(shù)據(jù)，可確定試樣抗剪強度，從而可以繪制淤泥試樣的抗剪強度τ與豎向壓力σ之間數(shù)學關系表達式。根據(jù)抗剪強度τ與豎向壓力σ之間數(shù)學表達式，可計算不同水泥摻入量的淤泥試樣的抗剪強度指標內摩擦角和粘聚力，計算結果如圖2所示。可以看出，隨著水泥摻入量的增加，固化淤泥的抗剪強度指標內摩擦角和粘聚力均呈增大的趨勢。

圖2 淤泥抗剪強度與豎向正應力關系曲線

表2 試樣抗剪強度值

2.2 無側限抗壓強度

對不同水泥摻入量的水泥固化淤泥，分別進行養(yǎng)護齡期為28天和360天的無側限抗壓強度試驗，根據(jù)測試結果繪制固化前后淤泥試樣的應力-應變曲線，如圖3所示。圖3分別顯示了未固化淤泥、3 %水泥固化淤泥和6 %固化淤泥的應力應變變化曲線。分析圖3中應力應變曲線，可計算淤泥試樣單軸壓縮破壞時的無側限抗壓強度、破壞應變和變形模量，如表3和表4所示。試樣破壞時對應峰值強度即為無側限抗壓強度，對應應變即為破壞應變，變形模量取試樣峰值強度50 %所對應應力值與應變值之比。

圖3 應力應變關系曲線

對于未固化淤泥試樣（水泥摻入量為0 %），無側限抗壓強度試驗表現(xiàn)出的應力應變關系呈現(xiàn)塑性破壞?？紤]到水泥摻入量為0 %的淤泥并未發(fā)生水泥與淤泥間的化學反應，在完全密封條件下，養(yǎng)護齡期從28天到360天時，試樣內部變化很微小，因此，在本研究中對水泥摻入量為0 %的未固化淤泥，360天養(yǎng)護齡期的無側限抗壓強度試驗結果采用了 28天養(yǎng)護的未固化淤泥試樣試驗結果。當累積應變達到2.60 %時，試樣發(fā)生明顯破壞且應力水平開始逐步下降，對應峰值抗壓強度和變形模量值分別為0.58 MPa和39.9 MPa。

與未固化淤泥土對比，水泥加固后淤泥土體的破壞應變明顯減小，而無側限抗壓強度值顯著增加，如圖3所示。

對于養(yǎng)護28天淤泥試樣，水泥摻量從3 %增加至 6 %，引起淤泥試樣抗壓強度從 1.03 MPa到1.82 MPa，破壞應變從2.19 %變化至1.48 %，變形模量從69.4 MPa增加至199.1 MPa。對于養(yǎng)護360天試樣，水泥摻量從3 %增加至6 %，抗壓強度從1.18 MPa增加至2.42 MPa，變形模量從94.8 MPa到295.3 MPa，破壞應變從1.96 %至1.38 %。水泥摻量從3 %增加到6 %引起抗壓強度和變形模量明顯增加，而破壞應變則相應明顯減小。可見，水泥摻加可明顯改善淤泥力學性質，對控制淤泥變形有明顯抑制作用。養(yǎng)護齡期從28天增加至360天，可引起水泥固化淤泥試樣抗壓強度和變形模量均顯著增大。以上說明，養(yǎng)護期延長明顯增強了淤泥土細顆?；ハ嗾辰Y和淤泥整體力學強度，而宏觀上則表現(xiàn)為淤泥試樣強度和模量增加，變形減小。

表3 養(yǎng)護28天試樣對應參數(shù)

表4 養(yǎng)護360天試樣對應參數(shù)

圖4 抗壓強度vs.變形模量

圖5 抗壓強度vs.破壞變形

由圖3、表3和表4顯示的養(yǎng)護28天和360天兩種養(yǎng)護齡期下未固化淤泥和水泥固化淤泥的抗壓強度、變形模量和破壞應變進行分析，可以建立三者之間的數(shù)學關系經驗表達式，結果如圖4和圖5所示。分析可知，變形模量約為抗壓強度的 139倍，二者之間呈線性正相關變化規(guī)律；破壞應變和抗壓強度之間呈現(xiàn)負相關變化規(guī)律，破壞應變增加卻導致抗壓強度減小，二者之間大致服從冪函數(shù)變化曲線模型。

3 結 論

針對港口航道等工程中存在的大量廢棄疏浚淤泥，本研究以水泥作為固化劑，通過無側限抗壓強度和直接剪切試驗發(fā)現(xiàn)，水泥固化劑可以明顯改善淤泥力學性質，可以以此對疏浚淤泥進行的加固處理。

1）分析固結慢剪直接剪切試驗數(shù)據(jù)，可發(fā)現(xiàn)剪切位移與剪切應力之間曲線關系受水泥摻量和豎向固結壓力等因素密切相關，水泥摻入可明顯提高淤泥試樣的粘聚力和內摩擦角；粘聚力和內摩擦角隨著水泥摻量的顯著增加而明顯增大。

2）與未固化淤泥對比可知，水泥固化土應力-應變關系受養(yǎng)護齡期和水泥摻量等因素影響，摻入水泥可引起淤泥無側向抗壓強度和變形模量顯著提高，破壞應變則顯著減小。

3）對于水泥固化淤泥，水泥摻量從3 %增加至6 %可明顯改善淤泥固化土的抗壓強度和變形模量，并減小試樣的破壞應變。

4）經試驗數(shù)據(jù)分析可知：破壞應變和抗壓強度之間服從冪函數(shù)關系模型，變形模量與抗壓強度之間服從線性關系模型。

[1]朱偉,張春雷,高玉峰,等.海洋疏浚泥固化處理土基本力學性質研究[J].浙江大學學報(工學版),2005,39(10):1561-1565.

[2]朱偉,曾科林,張春雷.淤泥固化處理中有機物成分的影響[J].巖土力學,2008,29(1):33-36.

[3]顧正維,孫炳楠,董邑寧.粘土的原狀土、重塑土和固化土滲透性試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2003,22(3):505-508.

[4]Horpibulsuk S,Rachan R,Chinkulkijniwat A,et al.Analysis of strength development in Cement-stabilized sility clay form microstructural considerations[J].Construction and Building Materials,2010,24(10):2011-2021.

[5]鄧東升,張鐵軍,洪振舜.河道疏浚廢棄淤泥改良土的強度變化規(guī)律探討[J].防災減災工程學報,2008,28(2):167-170.

Experimental Study on Mechanical Property of Silt-solidified Soil

Xu Guiping,Shi Yingchun
(China State Construction Port Engineering Group Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266032,China)

The consolidated drained direct-shear test is used to get shear stress-displacement relationship of un-solidified and solidified silt samples,then the cohesive strength and internal friction angle can be calculated.The test results show that different volume of cement and vertical compressive stress can lead to the variation of shear stress-displacement relationship curve for the silt samples.The added cement can improve the cohesive strength and internal friction angle of silt samples significantly,which will increase with the increment of cement.The addition of cement results in an obvious increase of unconfined compressive strength and deformation modulus,but leads to distinct decrease in failure strain.Slit mechanical property is improved significantly by adding more cement.Compressive strength-failure strain relationship follows power function while linear relationship exists between the compressive strength and the deformation modulus.

solidification by applying cement; shear strength; internal friction angle; cohesive strength; compressive strength; deformation modulus

TU447；TU441

：A

：1004-9592（2016）06-0102-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160626

2016-09-18

徐桂平（1981-），男，本科，主要從事沿海港口工程施工工作。