養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)水泥固化高含水率淤泥強(qiáng)度的影響

鄭少輝， 于同生， 章榮軍， 鄭俊杰

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 福建省建筑科學(xué)研究院， 福建 福州 350028)

隨著近海工程的迅猛拓展，各種航道的疏浚和拓寬工程等不可避免地產(chǎn)生大量的疏浚棄土[1～3]。大多疏浚棄土是高含水低滲透性的流塑態(tài)淤泥，力學(xué)性質(zhì)差，直接利用價(jià)值不高，其棄置問(wèn)題為高度發(fā)展的沿海城市帶來(lái)了巨大的環(huán)境壓力和經(jīng)濟(jì)代價(jià)。另一方面，沿海高速交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模日益宏大，理想填土資源(砂石材料)日益短缺。面臨這種資源矛盾，一種環(huán)境友好且可持續(xù)發(fā)展的解決思路便是利用水泥固化疏浚淤泥(Cement Stabilized Mud，CSM)來(lái)作為交通基礎(chǔ)設(shè)施路基填料。CSM技術(shù)既能解決疏浚淤泥棄置所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題，又能緩解沿海地區(qū)砂石料資源短缺的問(wèn)題，已經(jīng)在日本、新加坡、韓國(guó)等地的交通設(shè)施建設(shè)中廣泛應(yīng)用[4～7]。

在CSM交通設(shè)施建設(shè)工程中，CSM的澆筑高度往往較大，甚至高達(dá)近30 m[4～6]，因此在上覆CSM自重作用下，下部CSM必將受到較大的有效養(yǎng)護(hù)壓力。在此條件下，隨著時(shí)間推移CSM不僅會(huì)發(fā)生水泥-水-黏土顆?；瘜W(xué)反應(yīng)引起強(qiáng)度增長(zhǎng)，在養(yǎng)護(hù)的同時(shí)(尤其是養(yǎng)護(hù)前期)還必然會(huì)發(fā)生一定的固結(jié)效應(yīng)(CSM含水量很高，孔隙比往往高達(dá)3.5～4.5，所以滲透系數(shù)并不會(huì)非常低)，導(dǎo)致含水量和孔隙率降低。眾所周知，飽和軟黏土的不排水抗剪強(qiáng)度與剪切前的固結(jié)應(yīng)力密切相關(guān)，一般隨著含水量的減小及豎向固結(jié)應(yīng)力的增加而增大[8～12]，可以通過(guò)Mesri法、Ladd法或有效固結(jié)應(yīng)力法等來(lái)估算。但是Mesri法、Ladd法或有效固結(jié)應(yīng)力法等未必適用于CSM，畢竟CSM在本質(zhì)上還是與普通飽和軟黏土存在差異。當(dāng)存在養(yǎng)護(hù)壓力時(shí)，CSM強(qiáng)度增長(zhǎng)是固結(jié)效應(yīng)這一物理過(guò)程與水泥-水-黏土顆?；瘜W(xué)反應(yīng)耦合的結(jié)果，而飽和軟黏土的強(qiáng)度增長(zhǎng)卻只與固結(jié)效應(yīng)有關(guān)。這點(diǎn)區(qū)別意味著養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響與固結(jié)壓力對(duì)普通飽和軟黏土強(qiáng)度的影響可能不盡相同。然而，縱觀既有文獻(xiàn)，致力于研究養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)水泥固化淤泥強(qiáng)度影響的成果甚少，僅Jongpradist等[13,14]簡(jiǎn)單報(bào)道了不同養(yǎng)護(hù)壓力下制備的水泥固化海泥試樣的一維壓縮屈服強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但并未結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)深入分析養(yǎng)護(hù)壓力的影響機(jī)理，只是定性認(rèn)為養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)水泥固化海泥強(qiáng)度的影響與固結(jié)壓力對(duì)普通飽和軟黏土強(qiáng)度的影響類(lèi)似(即孔隙水排出，孔隙比降低，強(qiáng)度升高)。正如前文所述，這種定性的認(rèn)識(shí)未必準(zhǔn)確。

通常，CSM交通設(shè)施建設(shè)工程的填筑體積異常龐大，每單位體積的材料浪費(fèi)最終都會(huì)給整個(gè)工程帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，這就意味著CSM配合比的確定必須盡可能準(zhǔn)確。因此有必要進(jìn)一步開(kāi)展有針對(duì)性的研究工作，明確養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響規(guī)律。鑒于此，本文將基于室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)(Uniaxialan Compressive Test，UCT)，測(cè)試不同養(yǎng)護(hù)壓力條件下CSM的單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，分析養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響規(guī)律，探討采用養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot和有效孔隙比est作為基本指標(biāo)來(lái)描述養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度影響的適用性，并嘗試分析養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)理。

1 海泥性質(zhì)及試驗(yàn)方法

本文所涉及的試驗(yàn)包括CSM試樣的UCT試驗(yàn)及基本土性指標(biāo)(包括養(yǎng)護(hù)后試樣含水率wt、養(yǎng)護(hù)后試樣容重γt、養(yǎng)護(hù)后試樣比重Gst等)的測(cè)定試驗(yàn)。

試驗(yàn)所用海泥的基本物理性質(zhì)詳見(jiàn)表1。水泥采用高爐礦渣硅酸鹽水泥(Portland Blast-furnace Cement，PBFC)，礦渣含量為65%。試驗(yàn)用水為海水，含鹽量約為3%。

表1 試驗(yàn)用土樣物理性質(zhì)指標(biāo)

UCT試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的配合比及其養(yǎng)護(hù)壓力詳見(jiàn)表2。水泥摻量Aw(定義為水泥-水-海泥混合物中水泥與土顆粒(不包括水泥)的質(zhì)量百分比)分別為8.5%，11.5%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間T0為7 d。在養(yǎng)護(hù)壓力為0條件下，共考慮了5種不同的初始含水率W(定義為水泥-水-海泥混合物中孔隙水與土顆粒(不包括水泥)的質(zhì)量百分比)，目的是為了揭示無(wú)養(yǎng)護(hù)壓力條件下CSM強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot之間的定量關(guān)系(基準(zhǔn)曲線)。此外，對(duì)于幾種高含水率情況，施加的養(yǎng)護(hù)壓力pc分別為20，40，60，80 kPa，目的是為了辨別在有養(yǎng)護(hù)壓力條件下CSM強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot之間的關(guān)系是否還與基準(zhǔn)曲線吻合，從而判斷養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響與固結(jié)壓力對(duì)普通飽和軟黏土強(qiáng)度的影響機(jī)理是否相同。

表2 UCT試驗(yàn)工況

CSM試樣的準(zhǔn)備流程和細(xì)節(jié)詳見(jiàn)文獻(xiàn)[15,16]。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)述如下：(1)將制備的CSM試樣分層注入定制的固結(jié)管內(nèi)(見(jiàn)圖1)，用敲擊法驅(qū)出內(nèi)部氣泡，直至達(dá)到預(yù)設(shè)高度；(2)對(duì)已經(jīng)成型的試樣在豎向施加預(yù)設(shè)荷載，加載方式如圖1所示；(3)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(20±3℃，濕度>95%)養(yǎng)護(hù)7 d；(4)卸荷，輕輕頂出固結(jié)管內(nèi)的CSM試樣，進(jìn)行UCT試樣制備(包括兩端切平、稱(chēng)重、測(cè)量直徑和高度等)，UCT試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是φ50 mm×100 mm；(5)進(jìn)行UCT試驗(yàn)，測(cè)得單軸抗壓強(qiáng)度；(6)從已經(jīng)破壞的UCT試樣中取出部分測(cè)定養(yǎng)護(hù)后試樣含水率wt、養(yǎng)護(hù)后試樣比重Gst等。整個(gè)UCT試驗(yàn)及養(yǎng)護(hù)后基本土性指標(biāo)測(cè)定試驗(yàn)都嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程進(jìn)行。

圖1 UCT試樣制備與養(yǎng)護(hù)裝置

特別需要說(shuō)明的是，為確保UCT試樣實(shí)際所受的養(yǎng)護(hù)壓力與目標(biāo)養(yǎng)護(hù)壓力相同，試驗(yàn)中采取了特殊的措施來(lái)盡可能降低CSM與固結(jié)管之間的摩阻力。前期試驗(yàn)證明，若僅在CSM與固結(jié)管之間涂抹一層潤(rùn)滑劑，養(yǎng)護(hù)7 d后試樣脫模時(shí)仍需要施加一定的頂推力，表明CSM與固結(jié)管之間的摩阻力并不能忽略不計(jì)。因此，本次試驗(yàn)中嘗試了在CSM與固結(jié)管之間鋪設(shè)一層塑料薄膜、且塑料薄膜內(nèi)外均涂上潤(rùn)滑劑的方式，如圖1所示。結(jié)果表明效果十分明顯，在養(yǎng)護(hù)結(jié)束后揭開(kāi)密封蓋進(jìn)行脫模時(shí)，CSM試樣均能夠自行滑出，CSM與固結(jié)管之間的摩阻力可忽略不計(jì)。

另外，為了減小和控制試驗(yàn)操作誤差，對(duì)于表2所列出的每一種試驗(yàn)工況，均制備三個(gè)重復(fù)試樣，并測(cè)得了三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文所報(bào)道的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為三個(gè)重復(fù)試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同養(yǎng)護(hù)壓力下CSM無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2給出了不同含水率不同養(yǎng)護(hù)壓力條件下試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。由圖可知：當(dāng)養(yǎng)護(hù)壓力為0時(shí)，CSM強(qiáng)度隨著初始含水率W增加呈指數(shù)函數(shù)形式降低，這種變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[17～19]中的試驗(yàn)結(jié)果是一致的。究其原因，在本試驗(yàn)所涵蓋的初始含水量變化范圍內(nèi)，CSM在整個(gè)養(yǎng)護(hù)期間均處于飽和狀態(tài)，隨著初始含水率W增大，CSM中的孔隙比逐漸增大，CSM顆粒簇團(tuán)之間的相互作用減弱，從而導(dǎo)致無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。單從這一點(diǎn)上看，與含水量對(duì)重塑飽和軟黏土強(qiáng)度的影響規(guī)律十分相似。

圖2 不同工況下CSM試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

同時(shí)，圖2還表明：對(duì)于某一給定的初始含水率W而言，CSM無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)壓力的增加明顯增大。以初始含水率W=180%的情況為例，當(dāng)養(yǎng)護(hù)壓力從0增加到80 kPa后，CSM無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度從68 kPa增大至361 kPa，增大幅度超過(guò)430%。如此大的增大幅度固然與養(yǎng)護(hù)壓力作用下CSM試樣的排水固結(jié)效應(yīng)(即孔隙比降低，相當(dāng)于有效初始含水量降低)有關(guān)，但是否能夠完全歸結(jié)于排水固結(jié)效應(yīng)仍然存疑。

2.2 既有評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)用于描述pc影響適應(yīng)性分析

為了解答上述疑問(wèn)，還需要進(jìn)一步探究CSM強(qiáng)度與物理指標(biāo)(尤其是養(yǎng)護(hù)后物理指標(biāo))之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。文獻(xiàn)[17～19]提出了一系列養(yǎng)護(hù)前物理指標(biāo)(諸如水泥摻量、初始含水率、水灰比、灰土比等)來(lái)描述水泥固化黏土的強(qiáng)度。很顯然，這些養(yǎng)護(hù)前指標(biāo)不能計(jì)入養(yǎng)護(hù)壓力的排水固結(jié)效應(yīng)(即孔隙水排出有效含水率降低)，因此不適用于描述養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響規(guī)律。除了養(yǎng)護(hù)前物理指標(biāo)之外，Lorenzo等[20,21]還分別提出了養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot和有效孔隙比est(養(yǎng)護(hù)后)的概念。直觀上講，養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot和有效孔隙比est可以在一定程度上反映養(yǎng)護(hù)壓力的排水固結(jié)效應(yīng)，因此或許可以用來(lái)描述養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響。下面結(jié)合本文和相關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析采用養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot和有效孔隙比est來(lái)描述養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度影響的適應(yīng)性。

2.2.1養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot

依據(jù)Lorenzo等[20]的定義，eot的計(jì)算公式為：

(1)

式中：wt為養(yǎng)護(hù)后試樣含水率；Gst為養(yǎng)護(hù)后土顆粒比重；γt為養(yǎng)護(hù)后試樣容重；γw為水的容重。需要說(shuō)明的是，由于CSM試樣含水量很高(高于液限)，并且整個(gè)養(yǎng)護(hù)過(guò)程都是在水下進(jìn)行，養(yǎng)護(hù)前后CSM基本上都處于飽和狀態(tài)，因此eot與wt存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，即指標(biāo)eot的影響能夠直接反應(yīng)指標(biāo)wt的影響。Lorenzo提出CSM的強(qiáng)度qu與養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot之間滿足下列關(guān)系式：

qu=ApaeB(eot/Aw)

(2)

式中：A，B為無(wú)量綱擬合常數(shù)；pa為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強(qiáng)。很顯然，式(2)表明CSM的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu與eot/Aw應(yīng)該存在一一對(duì)應(yīng)的指數(shù)關(guān)系。但實(shí)際上，本文所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不支撐這一論點(diǎn)。如圖3a所示，在某一給定的養(yǎng)護(hù)壓力條件下qu與eot/Aw確實(shí)存在一一對(duì)應(yīng)的指數(shù)關(guān)系。但是對(duì)于不同的養(yǎng)護(hù)壓力，qu-eot/Aw關(guān)系曲線并不重合，養(yǎng)護(hù)壓力越高，qu-eot/Aw關(guān)系曲線的位置明顯越高。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)壓力工況下強(qiáng)度指標(biāo)與eot /Aw關(guān)系曲線

由此可見(jiàn)，即使對(duì)于某一給定的Aw，CSM的強(qiáng)度也不僅僅只是與養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot有關(guān)，因此養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響不能僅僅通過(guò)單一參數(shù)——養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot來(lái)進(jìn)行表征。

2.2.2有效孔隙比est

Jongpradist等[21]綜合考慮了含水率和水泥劑量等對(duì)CSM強(qiáng)度特性的影響，認(rèn)為初始含水率W對(duì)CSM強(qiáng)度的影響并不僅僅只是通過(guò)養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot的大小來(lái)體現(xiàn)，還具有一定的附加效應(yīng)，并提出了有效孔隙比的概念，其計(jì)算公式如下：

est=Wln(eot/Aw)

(3)

Jongpradist等[21]認(rèn)為CSM強(qiáng)度只與有效孔隙比est有關(guān)，即：

q′=AeBest

(4)

下面進(jìn)一步判斷采用有效孔隙比est來(lái)描述養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度影響的適應(yīng)性。將圖3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理，不難得出CSM強(qiáng)度指標(biāo)與有效孔隙比est之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖可知，式(4)能夠很好擬合給定養(yǎng)護(hù)壓力條件下任一類(lèi)CSM的強(qiáng)度，表3給出了各類(lèi)試樣在不同養(yǎng)護(hù)壓力條件下的擬合常數(shù)A，B的值。顯然，對(duì)于不同的養(yǎng)護(hù)壓力，擬合常數(shù)A，B的取值相差非常明顯，即不同養(yǎng)護(hù)壓力工況下的q′-est曲線不能采用同一函數(shù)進(jìn)行描述。由此可見(jiàn)，單一參數(shù)——有效孔隙比est也不能合理地表征養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響。

圖4 不同養(yǎng)護(hù)壓力條件下下強(qiáng)度指標(biāo)與est關(guān)系曲線

表3 各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的擬合常數(shù)A和B的取值

綜上所述，不同養(yǎng)護(hù)壓力條件下CSM強(qiáng)度與eot或est的關(guān)系均無(wú)法用同一函數(shù)曲線來(lái)進(jìn)行描述，即僅僅采用單一參數(shù)eot或est無(wú)法合理地表征養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的綜合影響。

3 pc對(duì)CSM強(qiáng)度影響機(jī)理初探

前面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)充分表明，對(duì)于同樣配合比條件下的CSM試樣，養(yǎng)護(hù)壓力pc升高，養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot或有效孔隙比est減小，同時(shí)CSM強(qiáng)度明顯增大。但更重要的是，對(duì)于不同的養(yǎng)護(hù)壓力pc，q′-eot/Aw或q′-est關(guān)系曲線并不重合，養(yǎng)護(hù)壓力pc越高，q′-eot/Aw或q′-est關(guān)系曲線的位置明顯越高。這就意味著隨著養(yǎng)護(hù)壓力pc升高，CSM強(qiáng)度增長(zhǎng)的相對(duì)速率明顯高于養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot或有效孔隙比est減小的相對(duì)速率。因此可以證實(shí)養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響規(guī)律的確與固結(jié)壓力對(duì)普通飽和軟黏土強(qiáng)度的影響規(guī)律不同?；谂潘探Y(jié)條件下飽和軟黏土強(qiáng)度理論，并結(jié)合CSM中水泥-水-黏土顆?；瘜W(xué)反應(yīng)機(jī)理，可推測(cè)養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)理主要包括以下兩個(gè)方面：

(1)擠壓排水作用。對(duì)于高含水率CSM而言，孔隙比較大，滲透系數(shù)并非很小。試樣固結(jié)過(guò)程中存在的養(yǎng)護(hù)壓力將逐漸擠壓黏土顆粒簇團(tuán)骨架結(jié)構(gòu)，使孔隙水逐漸排出，并促使試樣的孔隙比減小。這相當(dāng)于降低了試樣的有效初始含水率，從而使CSM的強(qiáng)度增加。該作用機(jī)理與固結(jié)壓力對(duì)普通飽和軟黏土強(qiáng)度的影響機(jī)理是基本相同的。

(2)“自鎖”效應(yīng)。黏土顆粒粒徑較小，粒間吸引力使得顆粒相互聚集，膠結(jié)形成具有一定結(jié)構(gòu)性的黏土顆粒簇團(tuán)骨架，如圖5a所示。試樣養(yǎng)護(hù)過(guò)程中存在的養(yǎng)護(hù)壓力，使得黏土顆粒簇團(tuán)骨架被擠壓，顆粒間的孔隙減小，此時(shí)水泥-水-黏土顆粒間的化學(xué)反應(yīng)尚未結(jié)束，如圖5b所示。隨著試樣水泥-水-黏土顆粒間的化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)產(chǎn)物——膠結(jié)性物質(zhì)逐漸向黏土顆粒簇團(tuán)之間的孔隙聚集，并在顆粒簇團(tuán)間形成有一定強(qiáng)度的“鏈接”，如圖5c所示。而到養(yǎng)護(hù)完成后，養(yǎng)護(hù)壓力撤銷(xiāo)，顆粒簇團(tuán)間的作用力使化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物——膠結(jié)“鏈條”拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力，以保持顆粒簇團(tuán)的平衡(如圖5d所示)。本文將這種拉應(yīng)力定義為“自應(yīng)力”(ΔP)，將這種效應(yīng)定義為“自鎖”效應(yīng)。顯然，在進(jìn)行UCT試驗(yàn)或一維壓縮試驗(yàn)過(guò)程中，所施加的試驗(yàn)荷載必須首先克服“自應(yīng)力”，然后才能進(jìn)一步發(fā)揮材料強(qiáng)度。因此，“自鎖”效應(yīng)的存在可以明顯提高CSM的抗壓強(qiáng)度。而這種“自鎖”效應(yīng)是不能通過(guò)養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot或有效孔隙比est來(lái)體現(xiàn)的，這也是eot和est均無(wú)法定量描述養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度影響的原因。

圖5 CSM中“自鎖”效應(yīng)

4 不同養(yǎng)護(hù)壓力下CSM的強(qiáng)度模型

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)充分證明有效孔隙比est也不能合理地描述養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響，因此，建立CSM在不同養(yǎng)護(hù)壓力下的強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)需要引入變量pc。

由于不同養(yǎng)護(hù)壓力下的qu-est曲線互不相同且不受混合比例的影響，在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭幸胱兞縫c對(duì)指出不同養(yǎng)護(hù)壓力下qu-est曲線的相互關(guān)系有著重要作用。為了更方便地找出不同養(yǎng)護(hù)壓力pc下qu-est曲線的相互關(guān)系，將不同水泥摻量條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)繪至圖6a所示的ln(qu)-est坐標(biāo)系中。曲線擬合結(jié)果表明，不同養(yǎng)護(hù)壓力下的ln(qu)-est曲線都符合以下線性函數(shù)：

ln(qu)=ln(A)+Best

(5)

由擬合結(jié)果可以看出不同養(yǎng)護(hù)壓力下的線性擬合線在ln(qu)軸上的截距(即ln(A)的值)幾乎完全相同。因此，在建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜁r(shí)可以減少參數(shù)，擬合參數(shù)A在后續(xù)曲線擬合時(shí)可以設(shè)為一個(gè)常量。曲線擬合步驟如下：(1)給A設(shè)定一初始值(推薦設(shè)定A=minqu)；(2)利用式(5)和擬合參數(shù)A的賦值，用Microsoft Excel內(nèi)置的求解器確定參數(shù)B在平方誤差和SSEt最小時(shí)的值；(3)計(jì)算不同養(yǎng)護(hù)壓力下所有qu的平方誤差和SSEt，注意B在不同養(yǎng)護(hù)壓力下的值不同；(4)將A的賦值等增量增長(zhǎng)，重復(fù)步驟(2)和(3)；(5)將得到的SSEt和前步驟中的SSEt相比較；(6)若新求得SSEt減小，重復(fù)步驟(4)和 (5)；(7)選取使最小的參數(shù)A，B值作為理想的擬合常數(shù)。圖6a為遵循以上擬合方法所得擬合曲線和擬合參數(shù)。圖6b顯示了擬合參數(shù)B對(duì)養(yǎng)護(hù)壓力pc的依賴性。如前所述，擬合參數(shù)B幾乎是隨著養(yǎng)護(hù)壓力pc的增長(zhǎng)呈線性增長(zhǎng)，即擬合參數(shù)B可以表示為：

圖6 不同養(yǎng)護(hù)壓力下qu-est曲線的擬合結(jié)果

B=mpc+n

(6)

式中：m，n為擬合參數(shù)(本文中m= 3.03×10-3，n= -0.43)。式(5)可以改寫(xiě)為：

qu=Aexp[(mpc+n)est]

(7)

式(7)為符合不同養(yǎng)護(hù)壓力下CSM強(qiáng)度特性的模型，包括3個(gè)擬合參數(shù)：A，m和n。注意式(7)僅適用于特定單位的擬合參數(shù)，即qu和pc的單位為kPa。

盡管實(shí)際工程中est很難事先確定，但式(7)所給出的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系仍然具有重要的工程意義。如前所述，隨著養(yǎng)護(hù)壓力pc升高，CSM強(qiáng)度增長(zhǎng)的相對(duì)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于養(yǎng)護(hù)后有效孔隙比est減小的相對(duì)速率，即“自鎖”效應(yīng)對(duì)CSM強(qiáng)度的影響要比擠壓排水作用對(duì)CSM強(qiáng)度的影響顯著得多。這意味著在實(shí)際工程中，可以偏于安全地忽略擠壓排水作用的影響，將實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(pc=0)下具有相同配合比的CSM試樣的est代入式(7)，來(lái)估算實(shí)際養(yǎng)護(hù)條件(pc≠0)下CSM的強(qiáng)度，進(jìn)而可以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)CSM配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié) 論

本文基于室內(nèi)試驗(yàn)，研究了養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度特性的影響規(guī)律，并初步探討了養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)理，得到的主要結(jié)論如下：

(1)CSM強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)壓力的增加而明顯增加，隨初始含水率W、養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot或有效孔隙比est的增加而減小。

(2)在某一給定的養(yǎng)護(hù)壓力條件下CSM強(qiáng)度q′與eot/Aw或est確實(shí)存在一一對(duì)應(yīng)的指數(shù)關(guān)系。但對(duì)于不同的養(yǎng)護(hù)壓力pc，q′-eot/Aw或q′-est關(guān)系曲線并不重合，養(yǎng)護(hù)壓力pc越高，q′-eot/Aw或q′-est關(guān)系曲線的位置明顯越高。

(3)養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度影響的內(nèi)在機(jī)理主要包括顆粒的擠壓排水作用和顆粒簇間的“自鎖”效應(yīng)。前者與固結(jié)壓力對(duì)普通飽和軟黏土強(qiáng)度的影響機(jī)理是基本相同的，而后者卻不能通過(guò)養(yǎng)護(hù)后孔隙比eot或有效孔隙比est來(lái)體現(xiàn)，因此不能采用eot和est來(lái)定量描述養(yǎng)護(hù)壓力對(duì)CSM強(qiáng)度的影響規(guī)律。