凍融循環(huán)對固化淤泥土力學(xué)性質(zhì)的影響

(1. 三峽大學(xué) 特殊土土力學(xué)研究所，湖北 宜昌 443002； 2.中國建筑第二工程局有限公司 深圳分公司，廣東 深圳 518000)

1 研究背景

江河湖海城市溝渠等水域沉積的淤泥，阻礙通航，惡化水質(zhì)，需要定期進行疏浚[1]。疏浚淤泥以堆場形式暴露于大氣中，對周邊水域和土壤造成污染[2-4]，同時占用大量土地資源，提高工程造價[5-7]。淤泥固化技術(shù)(Solidified/stabilized silt)通過水泥等固化劑，將疏浚淤泥轉(zhuǎn)化為工程填料，從而促進疏浚淤泥的大規(guī)模資源化利用，具有保護環(huán)境、節(jié)約工程造價等多重社會經(jīng)濟價值[8-10]。固化淤泥土用于工程填筑，將持續(xù)受到干濕循環(huán)、凍融循環(huán)、酸雨等大氣環(huán)境的周期性作用，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能劣化[11]，限制淤泥固化技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。

凍融循環(huán)的劣化作用[12-14]在宏觀上主要體現(xiàn)為體積收縮、裂隙發(fā)育和強度降低等物理力學(xué)指標(biāo)的衰減，如：齊吉林等[15]研究表明土的初始狀態(tài)、冰晶的生長和凍融過程中產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力導(dǎo)致的有效應(yīng)力增大等方面，結(jié)合凍融作用對正常固結(jié)土的結(jié)構(gòu)強化的分析，提出了凍融作用對超固結(jié)土的結(jié)構(gòu)弱化效應(yīng)。鄭鄖等[16]研究表明：反復(fù)凍融循環(huán)使土粒的顆粒發(fā)生破碎，導(dǎo)致土的液塑限、比表面積均有所增大，并且凍融循環(huán)中水分相變、冰晶生長和水分遷移對土顆粒和孔隙的反作用力是凍融循環(huán)對土結(jié)構(gòu)性影響的根本原因。但是對于淤泥的研究基本停留于常溫下固化后的力學(xué)性質(zhì)[17]，或者燒結(jié)成磚塊后的抗凍性能[18]。對于固化淤泥土經(jīng)凍融循環(huán)后的強度、固結(jié)屈服壓力、黏聚力等還缺少足夠的關(guān)注。

因此，本文在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，模擬固化淤泥土的凍融循環(huán)作用過程，通過無側(cè)限抗壓強度試驗(UCS)、直剪試驗和固結(jié)壓縮試驗等宏觀試驗方法，研究固化淤泥土的強度指標(biāo)和剛度指標(biāo)等變化規(guī)律，重點研究固化淤泥土在凍融循環(huán)作用下的形變特征以及劣化機理。研究成果將揭示凍融循環(huán)下固化淤泥土的劣化機理，為固化淤泥土凍融循環(huán)劣化防治措施的制定提供科學(xué)的思路。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

疏浚淤泥取自湖北省宜昌市某清淤現(xiàn)場。新鮮淤泥呈黑色、流塑狀、泥質(zhì)細膩、含較多有機質(zhì)及動植物殘體殘葉。采用數(shù)顯pH計測試淤泥的酸堿度為pH=7.32～8.10，偏中性。采用重鉻酸鉀氧化法測定有機質(zhì)含量為43.81%。淤泥基本物理指標(biāo)如表1所示。固化劑如普通硅酸鹽水泥和石灰等通過商業(yè)途徑購買獲取，其化學(xué)成分如表2所示。

表1 淤泥基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indicators of sludge

表2 普通硅酸鹽水泥、水泥的化學(xué)成分Table 2 Chemical composition of common Portlandcement and lime

2.2 試樣制備

無側(cè)限抗壓強度試樣為圓柱體(Φ50 mm×100 mm),直剪試驗和壓縮試驗所用試樣均采用環(huán)刀樣(Φ79.8 mm×20 mm)。制樣過程為：①控制淤泥的初始含水率為100%；②在淤泥中按照淤泥濕重質(zhì)量添加15%水泥和5%石灰；③用攪拌機將固化劑與淤泥充分?jǐn)嚢杈鶆?；④拌合均勻的混合土?0 min內(nèi)裝入模具內(nèi)，并通過振動臺振搗以消除其中氣泡，隨后用刮刀將試樣刮平，為防止試樣由于失水導(dǎo)致收縮等變形情況，用保鮮膜將每一個試樣包裹，并且放置恒溫恒濕箱中養(yǎng)護180 d，使其強度充分穩(wěn)定，養(yǎng)護溫度為25 ℃，相對濕度為95%。養(yǎng)護完成后，發(fā)現(xiàn)試樣的含水率均在45%左右。為保持試樣一致，將試樣抽真空飽和，然后將試樣脫濕處理，將初始含水率控制在45%左右。

2.3 試驗過程

2.3.1 凍融循環(huán)模擬

將養(yǎng)護完成的試樣放入可程式高低溫試驗箱，設(shè)置程序為-24 ℃冷凍24 h，然后在25 ℃融化24 h，至此1個干凍融循環(huán)過程完成；依據(jù)試驗方案，對養(yǎng)護完成的試樣，分別進行0，3，6，12，18次凍融循環(huán)。

2.3.2 宏觀試驗方法

根據(jù)規(guī)范《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB T50123—1999)，進行固化淤泥土試樣的無側(cè)限抗壓強度試驗(UCS)、固結(jié)壓縮試驗和直剪試驗。

圖1 固化淤泥土凍融循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Stress-strain curves of solidified silt afterfreeze-thaw cycles

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 凍融循環(huán)對固化淤泥土形變特征的影響

圖1是固化淤泥土經(jīng)過凍融循環(huán)后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，0DR表示無凍融循環(huán)，1DR表示1次凍融循環(huán)，以此類推。由圖1可知，0DR，3DR的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在到達峰值前均有一個波動的階段，并且經(jīng)過較長的變形時間，應(yīng)力才明顯的開始下降；而6DR，12DR，18DR的應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本是達到峰值后立刻下降。所以0～6次凍融循環(huán)為塑性破壞，6～18次凍融循環(huán)為脆性破壞。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其破壞應(yīng)力也越來越小，但是破壞應(yīng)變在經(jīng)0～6次循環(huán)時逐漸減小，經(jīng)6～12次循環(huán)時，逐漸增大，說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其相對變形先減小后變大。這是因為經(jīng)0～6次循環(huán)時，由于結(jié)構(gòu)的破壞，固化淤泥土內(nèi)小顆粒逐漸增多，可以填補一些微小的裂隙，使結(jié)構(gòu)變得相對有韌性，相對變形逐漸變??；隨著凍融循環(huán)的次數(shù)越來越多，其結(jié)構(gòu)破壞更為明顯，所以相對變形也越來越大。

圖1的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中應(yīng)力峰值對應(yīng)的是無側(cè)限抗壓強度，0，3，6，12，18次凍融循環(huán)后試樣的無側(cè)限抗壓強度依次為868.7，835.6，783.56，694.2，586 kPa，由此可以看出經(jīng)過凍融循環(huán)后，淤泥固化土的強度有明顯的下降。

3.2 凍融循環(huán)對淤泥固化土抗剪強度的影響

圖2是固化淤泥土在抗剪強度試驗時不同凍融循環(huán)次數(shù)下剪切強度-法向應(yīng)力曲線。結(jié)果表明：在同一凍融循環(huán)次數(shù)下，固化土抗剪強度隨著法向應(yīng)力的增大均有大幅度的增大，法向應(yīng)力從100 kPa增大到400 kPa時，土樣的抗剪強度增大了近2.1倍；其次，從0次凍融到18次凍融循環(huán)完成，固化淤泥土的抗剪強度平均衰減近30.5%左右，說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，固化淤泥土的剪應(yīng)力變小。

圖2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下剪切強度曲線Fig.2 Curves of shear strength at differentfreezing-thawing cycles

圖3 含水率、內(nèi)摩擦角、黏聚力隨凍融循環(huán)變化曲線Fig.3 Curves of moisture content, internal friction angle,and cohesive force with freeze-thaw cycle

圖3(a)是固化淤泥土經(jīng)凍融循環(huán)后含水率的變化曲線，從圖中可看出凍融循環(huán)使試樣的含水率逐漸降低，雖然試樣用保鮮袋密封，仍然會有少許水分散失。圖3(b)是固化淤泥土經(jīng)凍融循環(huán)后黏聚力與內(nèi)摩擦角的變化曲線，可明顯看出隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力逐漸變小，0～3次時下降速度較快，3～12次逐漸減慢，12次后下降幅度驟增；與黏聚力相同，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加內(nèi)摩擦角逐漸變小。

隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加，含水率減小，黏聚力也越來越小。結(jié)合陳敬虞等[19]、龍玉民[20]的研究，分析造成這種結(jié)果的主要原因為：

(1)在進行凍融循環(huán)的過程中，土層溫度降低到負(fù)溫時，土中自由水結(jié)成冰晶體，隨著溫度繼續(xù)下降，弱結(jié)合水最外層開始凍結(jié)，結(jié)合水的膜厚度變薄，導(dǎo)致土粒產(chǎn)生了剩余分子引力，使水膜變薄，這樣未凍結(jié)區(qū)弱結(jié)合水向這里遷移，然后再凍結(jié)，如此惡性循環(huán)導(dǎo)致冰晶不斷擴大至隆脹，最終會使土體內(nèi)部的裂縫越來越大，越來越多，自由水會在融化階段從這些裂縫、孔隙滲出，導(dǎo)致含水率降低，并且整體結(jié)構(gòu)越來越松散，削弱結(jié)合水膜對土粒的粘結(jié)作用，使黏聚力減小。

(2)土顆粒之間不僅存在結(jié)合水膜的粘結(jié)作用，還存在范德華力，即分子力。分子力是土顆粒之間的互相吸引力，距離越小，排列越緊密，則吸引力越大。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)的裂隙越來越多，土顆粒之間的間距增大，分子力減小，黏聚力從而減小。

(3)固化淤泥土的黏聚力與其中的水化硅酸鈣(CSH)膠結(jié)物是密不可分的。CSH膠結(jié)物主要是水泥、石灰經(jīng)水化反應(yīng)、火山灰反應(yīng)后形成的產(chǎn)物，將土顆粒粘結(jié)在一起。但是隨著干濕循環(huán)的次數(shù)增加，CSH膠體中的水經(jīng)過結(jié)晶—融化—蒸發(fā)的過程，使膠體從內(nèi)部發(fā)生破壞，減少了膠體的數(shù)量，削弱了膠結(jié)的作用，從而使固化淤泥土的黏聚力降低。

隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，含水率減小，內(nèi)摩擦角也越來越小。造成這種結(jié)果的主要原因為：隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，試樣內(nèi)的裂隙越來越多，孔隙越來越大。在剪切過程中固化淤泥土發(fā)生相對移動，由于咬合作用，土顆粒需要拔出并越過相鄰的土顆粒，而試樣內(nèi)部的裂痕與孔隙越來越大，為土體的移動提供了足夠的空間，使土粒移動時所受到的阻力減小，即咬合摩擦力減小，所以內(nèi)摩擦角減小。

3.3 凍融循環(huán)對固化土壓縮特性的影響

通過壓縮試驗得到固化淤泥土的e-p曲線，如圖4所示。結(jié)果表明：凍融循環(huán)對固化土孔隙比的影響較大，在固結(jié)壓力為0 kPa時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙比越來越小，這主要是因為自由水從孔隙和裂隙中滲出，使試樣收縮；在壓縮過程中，0～6次凍融循環(huán)的e-p曲線隨著壓力的增加，孔隙比下降幅度并不大，而6次凍融循環(huán)后，隨著壓力的增加，孔隙比下降幅度明顯增大。

圖4 固化淤泥土e-p曲線Fig.4 Curves of void ratio versus pressure

圖5為固化淤泥土的ln(1+e)-p關(guān)系曲線。結(jié)果表明:當(dāng)試驗荷載小于固化土屈服壓力時，固化土的壓縮變形主要以固化土內(nèi)部的宏觀大孔隙的擠壓及大顆粒間孔隙壓縮為主，固化淤泥土的壓縮變形量不大，壓縮曲線較為平緩；隨著試驗荷載逐漸增大，試驗荷載大于固化土的前期固結(jié)壓力，凍融循環(huán)破壞了固化土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低了固化土顆粒間的膠結(jié)連結(jié)，產(chǎn)生損傷性破壞，致使顆粒重新緊密排列，固化土間的顆粒變得更加致密。因此，變形量與前一階段相比增大很多，壓縮曲線斜率變大，即固化淤泥土在結(jié)構(gòu)屈服前后的工程力學(xué)性質(zhì)差異很大，一旦屈服，壓縮系數(shù)驟增，極易產(chǎn)生突然破壞；壓縮屈服壓力隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在6次凍融循環(huán)達到最大。由此可見，固化淤泥土的抗壓縮性能不是由其密實程度決定，而是由其內(nèi)固化骨架的完整程度決定的。

圖5 固化淤泥土典型壓縮曲線Fig.5 Typical compression curves of solidified silt

4 結(jié) 論

(1)凍融循環(huán)作用對固化淤泥土力學(xué)性能的影響，主要體現(xiàn)為固化淤泥土由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，強度降低，?nèi)摩擦角和黏聚力減小，從而導(dǎo)致在工程運用中其承載能力下降、土體強度降低，極易發(fā)生突然性破壞。

(2)凍融循環(huán)作用對固化淤泥土力學(xué)性能的影響，主要體現(xiàn)為固化淤泥土孔隙比降低，壓縮屈服壓力減小，從而導(dǎo)致在工程運用中極易出現(xiàn)地基或路面沉降現(xiàn)象。

(3)固化淤泥土在經(jīng)過6次凍融循環(huán)后各項力學(xué)指標(biāo)突變，下降更為迅速，內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本損壞，認(rèn)為6次凍融循環(huán)為其承受極限。