河道淤泥氣泡混合土工程性質(zhì)試驗研究

駱順成,顧歡達,陳冬青

(1．蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)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)

河道淤泥氣泡混合土工程性質(zhì)試驗研究

駱順成1,顧歡達1,陳冬青2

(1．蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)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)

河道淤泥氣泡混合土(FMLSS)是一種具有輕質(zhì)、高強度及良好流動性的新型工程材料，工程應(yīng)用廣泛?；诖?，利用包括密度、強度與固結(jié)等物理力學(xué)試驗方法，考察了FMLSS在不同水泥摻入比、氣泡摻入比、含水量及養(yǎng)護齡期條件下的物理力學(xué)性質(zhì)。試驗結(jié)果表明：FMLSS具備良好的輕質(zhì)性，其密度、強度與變形等物理力學(xué)性質(zhì)主要受水泥摻入比、氣泡摻入比及含水量等因素的影響，其中不同因素交叉作用的影響不可忽略；此外FMLSS的強度與剛度作用的發(fā)揮還受養(yǎng)護齡期的影響，且與養(yǎng)護齡期呈較好的雙曲線關(guān)系；在承受外荷載作用時，F(xiàn)MLSS表現(xiàn)出良好的抵抗變形能力。研究結(jié)果表明FMLSS具有良好的工程適用性及應(yīng)用前景。

河道淤泥氣泡混合土；物理力學(xué)性質(zhì)；水泥摻入比；氣泡摻入比；養(yǎng)護齡期；交叉作用

1 研究背景

我國幅員遼闊，河湖眾多，廣大的水域能夠提供生活用水、植物灌溉以及航道運輸?shù)裙δ埽瑫r因洪澇災(zāi)害、河道疏浚、市政清淤等產(chǎn)生的大量淤泥卻成為目前亟待解決的問題。這些淤泥通常具有含水量高、壓縮性大、強度低且不易成形等特點，傳統(tǒng)的利用方式一般將其作為肥田沃土，用于改良植被種植土壤。由于科技的進步、農(nóng)耕方式的改變和人們環(huán)保意識的增強，這種低效而局限的淤泥處理方法的使用已逐漸減少。目前，國內(nèi)外對淤泥的有效利用已經(jīng)進行了比較廣泛的探究。如采用吹填施工技術(shù)進行填海造陸以及港口、城市低洼地區(qū)的回填[1]，對淤泥采用固化技術(shù)從而作為公路擴建[2]、道路加寬的原材料以及用于港口與機場建設(shè)等[3-4]。

在實際工程應(yīng)用中，為了探討固化淤泥的工程性質(zhì)，研究人員對以淤泥為原料土的固化土的動力學(xué)性質(zhì)進行了較多的研究。如李麗華等[5]在泥土中加入廢舊輪胎顆粒，研究發(fā)現(xiàn)混合土強度和穩(wěn)定性都有較大提升;楊永荻等[6]研究了疏浚土固化后的力學(xué)、壓縮特性以及滲透特性；朱偉等[7]探究了海洋疏浚土經(jīng)固化后強度與水泥添加量的相關(guān)關(guān)系;張鵬等[8]研究了不同摻劑對水泥土動力特性的影響。在國外，三島嶋雄等[9]、豐?？√┑萚10]結(jié)合具體工程實例，研究了經(jīng)氣泡混合處理后的輕量土的物理力學(xué)特性。而國內(nèi)對采用淤泥為原料制成的輕量土研究起步較晚，且多數(shù)集中在以塑料發(fā)泡顆粒為輕量化材料的范圍內(nèi)，較少采用氣泡這種較難加入土體內(nèi)部的輕質(zhì)材料。目前，只有陳忠平等[11]、顧歡達等[12]對氣泡混合土的性質(zhì)及工程應(yīng)用進行了較深入的研究，主要探討了氣泡混合輕質(zhì)土的物理力學(xué)性能、工程應(yīng)用評價、施工設(shè)計及質(zhì)量管理。

事實上，利用淤泥高含水、多孔隙、流動性、低滲透性等特性，將河道淤泥固化以及輕量化處理后形成輕質(zhì)、高強度及良好流動性的新型工程材料，可以用于填筑或地下填充工程、軟基處理、防滲工程等，不僅可解決工程用土不足的問題，而且可以提高河道淤泥的利用效率?；诎l(fā)展河道淤泥新型利用方式從而達到有效利用的目的，以河道淤泥為原料土經(jīng)固化并加入氣泡進行輕質(zhì)化處理后制成河道淤泥氣泡混合輕質(zhì)土(FMLSS)，將其用于實際工程時，需要掌握其基本物理力學(xué)性質(zhì)，以作為工程中設(shè)計與施工的依據(jù)。在此，主要采用室內(nèi)試驗方法，考慮多種因素影響，探討了不同配比條件下FMLSS的物理力學(xué)特性，探討FMLSS的密度、強度、剛度與變形性質(zhì)及受相關(guān)因素的影響。

2 試樣制備及試驗方法

2.1 原料土及試樣制備

原料土取自蘇州市內(nèi)某河道，先將原料土過4.75 mm篩，去除大顆粒雜質(zhì)，然后測得其基本物理指標，見表1，原料土含水量較高，液性指數(shù)IL>1.0，處于流塑狀態(tài)；塑性指數(shù)IP=15.7，該土屬于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，黏粒含量很高，含有大量有機質(zhì)。Cu=5，Cc=1.31，級配較好。

表1 淤泥土的基本物理指標Table 1 Basic physical indices of soft clay

固化劑采用華新廠32.5復(fù)合硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑為動物蛋白類復(fù)配發(fā)泡劑；水為自來水。具體試驗配合方案見表2。其中，考慮ωc和ωe影響時，固定T為28 d，ω為110%；考慮ω影響時，固定T為28 d，ωe為2%；考慮T影響時，固定ω為110%，ωe為2%。

表2 試驗方案Table 2 Test schemes

注： 水泥摻入比ωc(%)=水泥質(zhì)量/原料土干質(zhì)量×100%； 氣泡摻入比ωe(%)=氣泡質(zhì)量/原料土干質(zhì)量×100%；含水量ω(%)=水的質(zhì)量/原料土干質(zhì)量×100%。

根據(jù)配合方案，將各成分進行混合攪拌，形成均勻的拌合物，然后分3層將拌合物裝入直徑3.91 cm、高度8.00 cm的圓柱形模具中，置入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，24 h后脫模，脫模后再放入養(yǎng)護室養(yǎng)護，直至試驗齡期進行試驗。

2.2 試驗方法

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)實施物理力學(xué)試驗，密度采用量積法測試，對經(jīng)過標準養(yǎng)護后的試樣進行稱重及量積，并據(jù)此算出FMLSS的密度。強度試驗采用無側(cè)限抗壓強度試驗儀測試FMLSS的抗壓強度及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。采用標準固結(jié)試驗方法測試FMLSS試樣的壓縮性。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 密度變化

FMLSS作為重塑結(jié)構(gòu)性土體，主要由淤泥土、水泥、水組成，但與一般黏性土不同，由于氣泡的加入，土體內(nèi)部形成分布較為均勻的多孔性結(jié)構(gòu)，其密度必然會有所變化。因此試驗中主要考慮的因素包括水泥摻入比ωc、氣泡摻入比ωe、含水量ω和齡期T。圖1顯示為不同因素對FMLSS密度的影響及相應(yīng)的變化規(guī)律。圖中均取3組平行試驗，對其進行擬合得到FMLSS密度變化曲線。

圖1反映出：

(1) FMLSS密度隨著水泥摻入比的增大而增大，且趨勢接近于線性。在氣泡含量較低時，水泥摻入比對密度的影響較小;但隨著氣泡含量增大后，這種影響明顯增大，隨水泥摻入比的增大，F(xiàn)MLSS密度增長趨勢越明顯，范圍變化越大，這是由于隨著氣泡摻入比的增大，單位體積內(nèi)相應(yīng)微孔體積比增大而固體骨架體積比相應(yīng)減小，而水泥的摻入主要是影響固體骨架的密度，因此在單位體積內(nèi)固體骨架體積減小的情況下，水泥摻入對固體骨架的密度影響更加明顯。

(2) 在固定水泥摻入比不變的情況下，增大氣泡摻入比可以有效地降低FMLSS密度。從試驗結(jié)果來看，密度降低程度可以達到28%左右，并且當氣泡含量在1%～3%范圍內(nèi)時，降低幅度更為明顯;ωe<1%時，降低幅度稍弱;ωe>3%后，密度降低隨著氣泡摻入比的增大呈減緩的趨勢。這種情況與侯天順[13]、姬鳳玲[14]研究的EPS輕質(zhì)土密度呈上凹型降低趨勢不同，主要原因是采用氣泡作為輕量化材料時，試樣制作與養(yǎng)護過程中氣泡漿存在一定的消泡概率和較大的壓縮狀況，因此氣泡摻入比較低時，混合土內(nèi)部不易形成孔隙結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致加入氣泡后混合土密度變化不大。故實際工程中，為達到有效降低FMLSS密度以滿足現(xiàn)場的密度指標的要求，應(yīng)選擇合適的氣泡摻入比。

(3) 隨著原料土含水量的增加，F(xiàn)MLSS密度降低。在試驗所用的原料土含水量從100%～130%變化過程中，F(xiàn)MLSS密度與原料土含水量基本上呈線性比例關(guān)系。

(4) 隨著養(yǎng)護齡期的增長，雖然密度值都會發(fā)生改變，但是變化幅度不明顯，水泥摻入比15%，25%，35%時，密度分別在1.29,1.33,1.36 g/cm3附近浮動。水泥含量較低時，試樣在養(yǎng)護28 d之內(nèi)密度呈現(xiàn)降低趨勢，但當水泥摻入比達到35%時，這種趨勢基本不明顯。這有可能是因為試樣養(yǎng)護過程中，水泥含量低的試樣內(nèi)部自由水分子轉(zhuǎn)化為結(jié)合水分子能力較弱，在養(yǎng)護條件不能完全做到密封的情況下，水分子部分丟失，最終使得密度值降低。

3.2 強度發(fā)揮及影響因素

對于FMLSS混合土，影響其強度發(fā)揮的因素較多，根據(jù)其構(gòu)成及配合條件，影響其強度發(fā)揮的主要因素有水泥摻入比、氣泡摻入比、原料土含水量、養(yǎng)護齡期等，具體試驗結(jié)果見圖2。

水泥的固結(jié)作用使得原料土的結(jié)構(gòu)性增強，從而使混合后的水泥土強度比原料土強度要高，即水泥土強度與水泥摻入比具有正相關(guān)性，一般具有線性遞增或者指數(shù)遞增特點[11]。從圖2(a)顯示的試驗與擬合結(jié)果可以看出：①在試驗所用的配合條件下FMLSS強度基本能達到100 kPa以上，達到中等強度以上黏性土的強度指標;②在固定氣泡含量不變時，F(xiàn)MLSS強度隨水泥摻入比的增大而增大。當ωc≤25%時，由水泥產(chǎn)生的固化作用較弱，強度變化較平緩；當ωc>25%時，固化作用增強使得水泥土結(jié)構(gòu)性增強，因此強度增幅變大，這與EPS等輕質(zhì)土結(jié)構(gòu)性增強點為水泥摻入比約為15%不同，可以看出氣泡較其他輕量化材料對混合土的結(jié)構(gòu)削弱作用更為突出。因此隨著氣泡含量的增大，土體內(nèi)部多孔性結(jié)構(gòu)越明顯，單位體積內(nèi)固體骨架體積比越小，從而使得FMLSS強度增幅趨于平緩。

在原料土含水量一定的情況下，土體中摻入氣泡后在混合土中形成孔隙，使得土的膠結(jié)結(jié)構(gòu)體積減小，骨架變?nèi)酰鴼馀荼旧聿痪邆鋸姸?，從而?dǎo)致FMLSS強度降低。主要表現(xiàn)有：隨著氣泡摻入比的增大，F(xiàn)MLSS強度降低；同時在水泥摻入比較大時，氣泡摻入比對強度的影響更加明顯。當固定氣泡摻入比不變的條件下，保持水泥摻入比不變，增大原料土含水量，固結(jié)體的強度下降，且水泥含量越高，下降趨勢越明顯。而含水量較低時，水泥摻入比的變化對強度影響較大。增大含水量時，影響相應(yīng)減弱。這是由于在原料土含水比較低的情況下，有利于水泥土固化效果的發(fā)揮，此時增大水泥摻入比更加有利于提高水泥土的強度從而使得FMLSS強度得以明顯增大。因此，實際工程應(yīng)用時為保證混合土體整體強度，應(yīng)嚴格控制土體內(nèi)部的含水條件。

在試驗采用配合條件下，對養(yǎng)護齡期達到7,14,28,60,90 d的試樣進行抗壓強度試驗，所得試驗結(jié)果如圖2(d)所示。隨著養(yǎng)護齡期的增長，F(xiàn)MLSS的強度隨之增大，但與初期強度增長趨勢相比較，隨著養(yǎng)護齡期的增大，F(xiàn)MLSS的強度增長趨勢逐漸減緩；水泥摻入比越大，齡期對強度的影響越明顯；28 d無側(cè)限抗壓強度能達到90 d的80%左右?；旌贤翉姸扰c齡期關(guān)系模型主要存在線性模型和雙曲線模型2種，經(jīng)過試驗數(shù)據(jù)的擬合，見圖2(d)虛線所示，結(jié)果表明FMLSS強度與齡期關(guān)系更接近于后者，即

(1)

式中:qu為無側(cè)限抗壓強度(kPa)；T為齡期(d)；a，b為參數(shù)，根據(jù)試驗測定，見表3，可以發(fā)現(xiàn)隨著水泥含量的增大，擬合系數(shù)值會出現(xiàn)非線性降低，而非定值。

表3 強度隨齡期變化參數(shù)擬合值Table 3 Values of parameter fitting for the relation between strength and curing age

3.3 雙因素作用下FMLSS密度與強度的定量化研究

上述結(jié)果主要針對水泥摻入比、氣泡摻入比、含水量和齡期等單因素作用下FMLSS密度及強度變化進行分析，隨著各變量變化，二者主要呈現(xiàn)的變化模式通?？梢圆捎镁€性函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)或雙曲線函數(shù)等模型進行擬合，從而定量獲得各變量某一具體數(shù)值下的密度值和強度值[13]。當考慮因素較多時，這種針對每個變量進行試驗結(jié)果分析的做法，往往使工作變得繁雜，同時擬合模型的選取通常憑借直觀印象和自身經(jīng)驗，使得最終獲得的結(jié)果并不統(tǒng)一。

因此，在分析單因素作用的基礎(chǔ)上，采用雙因素分析方法，將多因素交叉效應(yīng)納入分析范圍，對FMLSS密度及強度影響進行定量化研究，其通用模型為雙因素響應(yīng)面分析模型，即

f(x1,x2)=a+bx1+cx2+lx1x2+mx12+nx22。

(2)

式中：f(x1,x2)為雙因素作用下目標變量，文中選定為FMLSS密度及強度；(x1,x2)為不同影響因素組合，依據(jù)試驗結(jié)果可選為(ωc,ωe)，(ωc,ω)2種組合；a，b，c，l，m，n為模型參數(shù)。

通過既有數(shù)據(jù)處理，密度與強度隨2種組合變化模型中各擬合參數(shù)值見表4。表中數(shù)據(jù)反映出(ωc,ωe)和(ωc,ω)的交叉作用對河道淤泥氣泡混合土的密度和強度影響是不可忽略的，如配比ω=110%,ωc=25%,ωe=2%時密度為1.324 g/cm3，按照多因素分析獲得交叉作用(ωc，ωe)的影響分量為0.044 g/cm3，占總量的3.32%。而這種影響在單因素分析方法當中是不能定量反映出的。

表4 密度(強度)與(ωc,ωe),(ωc,ω)關(guān)系擬合參數(shù)Table 4 Fitting parameters of the relationships of density and strength vs. (ωc,ωe) and (ωc,ω)

通過雙因素響應(yīng)面分析模型分析多因素對FMLSS密度及強度影響時，可以將模型類型統(tǒng)一，同時能夠滿足較高的擬合優(yōu)度。根據(jù)擬合優(yōu)度的變化可以看出，模型參數(shù)的最終確定與試驗樣本數(shù)量相關(guān)，因此為了獲得更接近于實際的密度與強度值，需要通過后期加大試驗樣本容量來提高模型的精準性。但這種方法可以為FMLSS具體配方公式提供一種新的途徑，在采用FMLSS作為施工用土時，可以方便準確地通過上述模型來進行定量化計算，從而獲得滿足要求的各成分含量。

3.4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及特性

考察材料在載荷過程中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系是考察材料性質(zhì)的主要途徑，也是進一步作為材料參數(shù)進行計算分析的基本依據(jù)。同樣，F(xiàn)MLSS的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系受水泥摻入比、氣泡摻入比、原料土含水量等因素的影響，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 水泥摻入比、氣泡摻入比、含水量與養(yǎng)護齡期對 FMLSS應(yīng)力-應(yīng)變曲線的影響Fig.3 Effects of cement content, air foam content, water content and curing age on the stress-strain curves of FMLSS

3.4.1 水泥摻入比的影響

根據(jù)圖3(a)可以看出：

(1) 固定氣泡摻入比為2%條件下，隨著水泥含量的減小，加載初期應(yīng)力-應(yīng)變曲線的直線段范圍減小，即材料的彈性范圍減小，試樣的破壞應(yīng)變增大。這主要取決于作為骨架的水泥土的剛度性質(zhì)，水泥含量越低，相應(yīng)水泥土的剛度降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于理想彈塑性狀態(tài)。

(2) 水泥含量增高時，試樣的峰值強度、剛度與彈性范圍增大，對應(yīng)的破壞應(yīng)變減小，脆性破壞特性越明顯。這是因為氣泡含量一定時，隨著水泥含量的增加，水泥水化反應(yīng)生成物增多，水泥水化生成物與土顆粒之間的離子交換吸附及硬化凝結(jié)反應(yīng)增強，從而使FMLSS內(nèi)部膠結(jié)結(jié)構(gòu)的強度提高，增強了土骨架的強度與剛度。因此，作為固化材料水泥的摻入量是影響FMLSS力學(xué)性質(zhì)的主要因素。

3.4.2 氣泡摻入比的影響

由于氣泡的摻入，氣泡對土體內(nèi)部的部分固體骨架進行了置換，導(dǎo)致土體內(nèi)部直接承受荷載的固體骨架體積減小，F(xiàn)MLSS承受荷載能力降低。

圖3(b)試驗結(jié)果顯示：

(1) 氣泡在試樣土中形成的孔隙本身不參與荷載的分配，施加的外荷載主要由水泥土所構(gòu)成的固體骨架承擔。在外荷載逐漸增大的過程中，孔隙體積被壓縮，固體骨架之間相互靠近，在固體骨架破壞之前土體呈現(xiàn)應(yīng)變硬化特征。隨著氣泡含量的增加，體積縮小過程將延長，應(yīng)變硬化持續(xù)過程延長。

(2) 隨著氣泡摻入比的增大，破壞峰值強度減小，破壞應(yīng)變增大，呈塑性破壞特征。實際工程中，摻入氣泡含量應(yīng)根據(jù)目標強度與剛度要求，結(jié)合密度指標要求進行設(shè)定。

3.4.3 含水量的影響

圖3(c)所示為原料土含水量對FMLSS應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的影響。試驗結(jié)果表明隨著原料土含水量的增加,FMLSS峰值強度降低，塑性變形更加明顯。在土中水分增加的情況下，由于水泥結(jié)合水分子能力有限，生成物與土顆粒之間的自由水分子量增加，固體顆粒間的膠結(jié)能力降低，使得固體骨架強度下降而使得FMLSS呈塑性性質(zhì)。

3.4.4 養(yǎng)護齡期的影響

圖3(d)所示為養(yǎng)護齡期對FMLSS應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的影響。試驗結(jié)果表明：隨著養(yǎng)護齡期的增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值強度增大，但可明顯看出應(yīng)變初期的應(yīng)力增大趨勢更加明顯，破壞應(yīng)變減小，土體呈現(xiàn)脆性破壞特性。在養(yǎng)護齡期較短的情況下，土體內(nèi)部作為固化劑的水泥與土顆粒之間的水解、水化反應(yīng)不足，連鎖的膠結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)育不完善[14]，因此試樣的強度不高。隨著養(yǎng)護齡期的增大，水泥顆粒的水解、水化反應(yīng)逐漸充分，水化物增多，試樣中生成的連鎖膠結(jié)結(jié)構(gòu)增多，因此試樣的強度隨之增大，試樣的脆性破壞特性越明顯。因此，F(xiàn)MLSS與一般化學(xué)固化材料類似，其強度與剛度將隨時間存在一個長期增長的過程。

3.5 變形特性

為了進一步探究FMLSS的變形特性，選用變形模量為考察指標，定義變形模量為

(3)

式中：E50為變形模量;σmax為峰值應(yīng)力；ε1/2為σmax/2時所對應(yīng)的應(yīng)變(%)。同樣，主要考察諸如水泥摻入比、氣泡摻入比、原料土含水量及養(yǎng)護齡期等因素對FMLSS變形性質(zhì)的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 水泥摻入比、氣泡摻入比、含水量與養(yǎng)護齡期對 FMLSS變形模量的影響Fig.4 Effects of cement content, air foam content, water content and curing age on deformation modulus of FMLSS

圖4(a)、圖4(b)顯示為水泥摻入比與氣泡摻入比對變形模量的影響，由圖示結(jié)果可以看出，F(xiàn)MLSS的變形隨水泥摻入比的增大而增大，而隨氣泡摻入比的增加而降低。即表示FMLSS抵抗變形的能力隨水泥摻入比的增大而增大，隨氣泡摻入比的增大而減小，其變化趨勢基本呈線性比例關(guān)系。

圖4(c)顯示為原料土含水量對變形模量的影響，隨原料土含水量的增大，F(xiàn)MLSS的變形模量呈降低趨勢，而且在原料土含水量相對比較低的情況下，含水量變化對FMLSS變形模量的影響更加明顯。另外，由于水泥固化反應(yīng)主要與土中水有關(guān)，在水泥摻入量比較高的情況下，含水量的變化對水泥固化反應(yīng)過程影響也較大，因而在水泥摻量比較高的情況下，含水量的變化對FMLSS的變形模量影響較大。

變形模量隨養(yǎng)護齡期的變化如圖4(d)所示，與強度與養(yǎng)護齡期的相關(guān)關(guān)系類似，變形模量與齡期呈非線性關(guān)系，可以用雙曲線進行擬合。進一步分析變形模量和強度的相關(guān)關(guān)系，可以得出FMLSS變形模量和強度存在乘冪增長關(guān)系，即

(4)

擬合結(jié)果見圖5，這與文獻[10]中氣泡混合土變形模量與強度呈線性增長關(guān)系存在較大不同。

圖5 FMLSS變形模量與抗壓強度關(guān)系Fig.5 Relationship between deformation modulus and compressive strength of FMLSS

3.6 壓縮特性

對齡期為28 d的FMLSS試樣進行標準固結(jié)試驗，測得e-p壓縮試驗曲線如圖6所示。

圖6 水泥摻入比、氣泡摻入比與含水量對FMLSS 壓縮變形的影響Fig.6 Effects of cement content, air foam content and water content on compressive deformation of FMLSS

由圖6可以看出隨著水泥摻入比的增加，壓縮變形明顯降低。在水泥含量較低時，e-p曲線基本呈線性比例關(guān)系，說明FMLSS的強度與剛度比較低的情況下，土體的變形會隨壓力的增加持續(xù)增大而出現(xiàn)比較大的壓縮變形。但當水泥含量較高時，e-p曲線呈非線性，隨壓力增加壓縮變形呈收斂趨勢。結(jié)合圖3(a)顯示的FMLSS應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，當水泥摻入比較低時，F(xiàn)MLSS在荷載作用下塑性變形比較明顯。水泥摻入比的增大能夠有效地提高固化土體土骨架的強度與剛度，提高水泥摻入比能夠促進塑性破壞向脆性破壞的變化，從而降低土體壓縮變形。另外，由于水泥水解、水化作用，其生成物能夠填充部分孔隙，水泥含量越高，填充物質(zhì)越多，膠接結(jié)構(gòu)越密集,因此水泥摻入比增大能夠減小FMLSS壓縮變形。

氣泡含量越大，F(xiàn)MLSS的壓縮性越大，主要是由于土體中加入氣泡后形成多孔性結(jié)構(gòu)，氣泡摻入比越大，土體內(nèi)部微孔分布越密集，引起土體壓縮性明顯增大。但是氣泡含量對于試樣最終的壓縮變形影響不顯著。

在原料土含水量較高時，混合土內(nèi)部孔隙較多，自由水分子更易被排出，F(xiàn)MLSS顯示出比較大的壓縮性。隨著原料土的含水量降低，混合土中自由水分子減少，固體顆粒間距離減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密，壓縮性明顯減小，壓縮變形變緩。

通過對固結(jié)壓力為100 kPa和200 kPa時不同配比的孔隙比進行研究，獲得對應(yīng)的壓縮系數(shù)α1-2與壓縮模量Es，見表5。

表5 壓縮系數(shù)與壓縮模量Table 5 Values of coefficient of compressibility and modulus of compressibility

壓縮系數(shù)與壓縮模量的計算結(jié)果表明：水泥摻入比與含水量是影響FMLSS壓縮性的主要因素，氣泡摻入比增大雖然能明顯增加混合土內(nèi)部的孔隙比，但是對壓縮性的影響卻并不明顯；FMLSS基本屬于中低壓縮性土范圍，作為多孔性材料在降低自身質(zhì)量的同時，還能夠滿足實際工程對于用土壓縮性的要求。

4 結(jié) 論

(1) 水泥摻入比、氣泡摻入比與含水量對FMLSS的物理力學(xué)特性影響較大。隨著水泥摻入比的增大，F(xiàn)MLSS的密度、強度及變形模量增大；反之減小。隨著氣泡摻入比或含水量的增大，F(xiàn)MLSS的密度、強度及變形模量減??；反之增大。同時研究表明，不同因素間的交叉作用對FMLSS的物理力學(xué)特性亦產(chǎn)生較大影響。

(2) FMLSS強度與剛度的發(fā)揮隨時間有一個明顯的增長過程，前期增長快，后期變緩。28 d強度、剛度能夠作為指導(dǎo)設(shè)計與施工的技術(shù)指標。同時強度、剛度隨時間呈良好的雙曲線關(guān)系，模型中參數(shù)的確定需要考慮水泥含量的影響，后期仍需進行深入探究?？箟簭姸扰c變形模量之間接近乘冪關(guān)系。

(3) FMLSS表現(xiàn)出良好的輕質(zhì)高強度特性，通過對其各成分添加量的調(diào)整，F(xiàn)MLSS密度可以在1.05～1.55 g/cm3之間變化，強度基本可以達到100 kPa。同時通過多因素分析方法為FMLSS配方公式研究提供了新的途徑，在實際使用過程中能夠按照技術(shù)要求確定各成分含量進行施工，適用性強、使用范圍廣。

(4) FMLSS土體屬于中低壓縮性土，且隨著荷載的增加，壓縮變形變化平穩(wěn)，有利于減小土體變形量及不均勻變化，在一些對土體沉降與變形有較高要求的工程中具備良好的應(yīng)用前景。

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(編輯：黃 玲)

Engineering Properties of Foamed Mixture LightweightSoil Using River Sludge

LUO Shun-cheng1，GU Huan-da1，CHEN Dong-qing2

(1.Department of Civil Engineering，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou 215011，China;2.Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co. Ltd.，Suzhou 215134，China)

Foamed mixture lightweight soil using river sludge(FMLSS) as a new engineering material of light weight and high strength is applied widely in engineering. By using physical and mechanical test methods on density, strength and consolidation, the physical and mechanical characteristics of FMLSS are analyzed in the presence of different cement contents, air foam contents, water contents and curing ages. Results show that the density, strength and deformation of FMLSS are mainly affected by cement content, air foam content and water content, and the influence of interaction among different factors cannot be ignored. In addition, the strength and stiffness of FMLSS are also affected by curing age, with which displaying a good hyperbolic relationship. Under external load, FMLSS shows good resistance to deformation. The study indicates that FMLSS has good engineering applicability and application prospect.

foamed mixture lightweight soil using river sludge; physical and mechanical characteristics；cement content；air foam content；curing age；interactive function

2015-12-14；

2016-01-08

國家自然科學(xué)基金項目(51378327)

駱順成(1989-),男,江蘇南京人,助理工程師，碩士,主要從事軟土地基處理及技術(shù)應(yīng)用方面的研究工作，(電話)18896550586(電子信箱)18896550586@163.com。

顧歡達(1958-),男,江蘇無錫人,教授,博士,從事軟土地基處理技術(shù)及原理方面的工作,(電話)0512-68786743(電子信箱)ghdgx@163.com。

10.11988/ckyyb.20151061

TU411

A

1001-5485(2017)02-0132-07

2017,34(2):132-138