干濕循環(huán)作用下固化淤泥的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

劉文化，舒俊煒，孫秀麗，華淵，李芳菲

(江南大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院， 江蘇 無(wú)錫 214122)

中國(guó)南方地區(qū)水系發(fā)達(dá)、河道縱橫，近年來(lái)，為保障航道暢通及改善內(nèi)陸河、湖水質(zhì)，開始有計(jì)劃地對(duì)城市湖泊、河流進(jìn)行清淤，產(chǎn)生了大量的疏浚淤泥。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年的淤泥疏浚量在10億m3以上，僅太湖每年的疏浚量就達(dá)到400～600萬(wàn)m3[1]，珠三角地區(qū)的年淤泥疏浚量則達(dá)8×107m3[2]。疏浚淤泥具有含水率高、強(qiáng)度低、受不同程度污染等特點(diǎn)，難以直接利用。淤泥的無(wú)害化處理及資源化利用已成為目前亟待解決的問(wèn)題。

由于淤泥產(chǎn)量的逐年增加以及受城市土地資源日益緊缺的影響，傳統(tǒng)的海洋傾倒和陸地拋填方法受到越來(lái)越多國(guó)家的質(zhì)疑。相反，采用水泥、石灰等固化材料對(duì)淤泥進(jìn)行固化處理的淤泥固化技術(shù)因其成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)而備受推崇。該法已成為目前淤泥處理的主要方法。淤泥固化技術(shù)是一項(xiàng)“變廢為寶”的重要舉措，既解決了淤泥處置占用土地和環(huán)境污染問(wèn)題，也為工程建設(shè)提供了填料。經(jīng)固化處理的淤泥可作為堆場(chǎng)圍堰、垃圾填埋場(chǎng)封頂層、路基等的填土材料進(jìn)行回收利用[3-5]。目前，中國(guó)已在深圳、無(wú)錫、廣州等多地開展了固化淤泥作為回填材料的示范工程，并取得了較好的效果[6-7]。僅太湖地區(qū)就已將180萬(wàn)m3淤泥進(jìn)行固化處理并作為無(wú)錫市科教產(chǎn)業(yè)園的填土材料進(jìn)行回收利用[8]。

研究者們對(duì)固化淤泥進(jìn)行了大量的研究，研究成果主要集中在固化材料[9-11]、固化機(jī)理[12-13]、滲透特性[14]、污染物的穩(wěn)定性[15]等方面。這些研究成果對(duì)固化淤泥技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用起到了積極的推動(dòng)作用。

由于降雨-蒸發(fā)、水位升降等原因，固化淤泥構(gòu)筑的土工結(jié)構(gòu)物在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中不僅受到上覆荷載等機(jī)械因素的影響，干濕循環(huán)等環(huán)境因素也對(duì)固化淤泥的力學(xué)性能和長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變其工程性質(zhì)。因此，如何對(duì)固化淤泥土工結(jié)構(gòu)物的干濕穩(wěn)定性進(jìn)行系統(tǒng)地評(píng)價(jià)是采用固化淤泥構(gòu)筑土工結(jié)構(gòu)物時(shí)需要解決的問(wèn)題。對(duì)此，少數(shù)研究者做了初步的探索，并取得了一些有意義的成果。Yang[16]在研究固化含汞淤泥的干濕耐久性時(shí)發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)導(dǎo)致固化淤泥強(qiáng)度降低，但隨著固化劑摻量的增加，固化淤泥的干濕穩(wěn)定性有所改善。李磊等[17]通過(guò)在室內(nèi)采用烘干-浸水方式模擬干濕循環(huán)過(guò)程，測(cè)定了以膨潤(rùn)土為輔助添加劑的水泥固化淤泥在水分強(qiáng)烈變化條件下的質(zhì)量、體積及強(qiáng)度等參數(shù)，以干濕循環(huán)過(guò)程中試樣的質(zhì)量損失率和試樣是否破壞為依據(jù)，評(píng)價(jià)了固化淤泥在干濕循環(huán)條件下的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，不同水泥和膨潤(rùn)土摻量下的干濕穩(wěn)定性存在較大差異。李亞林等[18]采用相同的干濕循環(huán)方法模擬干濕交替過(guò)程，對(duì)生石灰、粉煤灰和氯化鐵混合固化淤泥的干濕循環(huán)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)后固化淤泥的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均降低20%以上。

上述關(guān)于固化淤泥干濕穩(wěn)定性的研究中，研究者多采用烘干的方式(溫度高于20 ℃)模擬干燥過(guò)程，通過(guò)對(duì)比干濕循環(huán)試樣和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)(溫度為20 ℃)試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等試驗(yàn)結(jié)果，評(píng)價(jià)固化淤泥的干濕穩(wěn)定性。大量試驗(yàn)表明，水泥、石灰等固化材料的水化反應(yīng)與溫度密切相關(guān)[19-20]，而水化產(chǎn)物是保證固化淤泥工程性質(zhì)的重要條件。僅通過(guò)干濕循環(huán)試樣和標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，難以分離干濕循環(huán)過(guò)程中溫度的影響，不能有效地反映固化淤泥的干濕穩(wěn)定性。鑒于此，本文以水泥為固化劑對(duì)太湖疏浚淤泥進(jìn)行固化處理，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)試樣、控制試樣和干濕循環(huán)試樣的抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，研究水分強(qiáng)烈變化條件下水泥固化疏浚淤泥的力學(xué)特性變化規(guī)律，探討干濕循環(huán)的影響機(jī)理，為系統(tǒng)評(píng)價(jià)固化淤泥的干濕穩(wěn)定性提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的淤泥為太湖疏浚淤泥，淤泥的物理力學(xué)特性指標(biāo)如表1所示。根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)，該淤泥屬高液限黏土，其主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO。底泥挖出后，立即放入預(yù)備的塑料桶中靜置，除去上清液后，其含水率為80%。試驗(yàn)所用固化劑為宜興市盛佳水泥廠生產(chǎn)的32.5復(fù)合硅酸鹽水泥。

表1 試驗(yàn)用淤泥的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical properties of testing used sludge

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣制備

取除去上清液的疏浚淤泥，按每立方米淤泥(含水率80%)中水泥添加量100、150、200 kg 3個(gè)配比，配制淤泥、水泥混合物，攪拌10 min后抽真空30 min，以消除混合物中的氣泡。而后，將淤泥、水泥混合物裝入61.8 mm×20 mm的環(huán)刀中，制備環(huán)刀試樣。裝樣過(guò)程中不斷振動(dòng)模具，以排除氣泡使試樣密實(shí)。之后，將制備好的試樣放入恒溫恒濕箱(溫度20±2 ℃，濕度大于95%)中，養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行抽真空飽和，制備飽和固化淤泥試樣備用?；静襟E如圖1所示。

圖1 固化淤泥試樣制備流程Fig.1 Procedures for preparation of solidified sludge

2.2 試驗(yàn)方案

按照上述制樣流程，將每一種水泥摻量制成72個(gè)標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后，將其中12個(gè)試樣取出，抽真空飽和后，參照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)[21]，在豎向壓力50、100、200、400 kPa條件下進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，剪切速率1.0 mm/min；剩下的60個(gè)試樣分成5組，每組12個(gè)樣(每種工況3個(gè)平行試樣)，第1組作為基準(zhǔn)試樣(在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下繼續(xù)養(yǎng)護(hù))，第2、第3、第4組作為干濕樣，抽真空飽和后，在60 ℃(參考ASTM D4843-1988[22])條件下烘干8 h，之后再在20±2 ℃條件下進(jìn)行抽真空飽和16 h，以此作為一次干濕循環(huán)。第2、第3、第4組擬定的干濕循環(huán)次數(shù)為4、8、12次。完成預(yù)定次數(shù)干濕循環(huán)試驗(yàn)后立即參照SL 237-1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[21]進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)。在第2、第3、第4組試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)期間，第5組試樣則每天在溫度60±2 ℃，濕度大于95%的條件下養(yǎng)護(hù)8 h，在溫度20±2 ℃，濕度大于95%條件下養(yǎng)護(hù)16 h，以作為控制試樣(養(yǎng)護(hù)溫度與干濕循環(huán)試樣一致)。當(dāng)?shù)?組試樣(12次干濕循環(huán))的固結(jié)快剪試驗(yàn)完成后，取第1組的基準(zhǔn)試樣和第5組的控制試樣，分別在50、100、200、400 kPa條件下進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)。上述固結(jié)快剪的剪切速率均為1.0 mm/min。以3個(gè)平行試樣的平均值為最終試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比分析不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下固化淤泥的抗剪強(qiáng)度特性。干濕循環(huán)試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 干濕循環(huán)試驗(yàn)方案Table 2 Testing program for drying/wetting

注：試樣編號(hào)采用“S-X-Y-Z”形式表示，其中“S”代表試樣，“X”為水泥摻量，“Y” 為養(yǎng)護(hù)溫度，“Z” 為干濕循環(huán)次數(shù)(其中“B”代表基準(zhǔn)試樣，“C”代表控制試樣)；表內(nèi)“空白”代表無(wú)此項(xiàng)數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 固化淤泥的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律

圖2所示為水泥摻量100 kg/m3條件下經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后固化淤泥的剪應(yīng)力-剪切位移曲線?？梢钥闯?，不同干濕循環(huán)次數(shù)條件下的固化淤泥試樣均呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特性，隨著剪切位移的增加，剪應(yīng)力逐漸增長(zhǎng)。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，相同豎向壓力條件下，剪切初始階段的斜率逐漸減小，說(shuō)明干濕循環(huán)導(dǎo)致固化淤泥的抗剪強(qiáng)度降低。

圖2 干濕循環(huán)作用下水泥摻量100 kg/m3固化淤泥的剪應(yīng)力與剪切位移曲線Fig.2 Shear stress-shear deformation relationship of solidified dredged sludge with cement content of 100 kg/m3 subjected to different drying/wetting

水泥摻量150、200 kg/m3條件下，固化淤泥的剪應(yīng)力-剪切位移曲線如圖3、圖4所示。從圖3、圖4可以看出，豎向壓力50 kPa條件下，水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣均呈現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征。豎向壓力100 kPa作用下，干濕循環(huán)后固化淤泥試樣均表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征，而標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的試樣表現(xiàn)為應(yīng)變硬化。豎向壓力200 kPa作用下，水泥摻量150 kg/m3固化淤泥試樣均表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征；水泥摻量200 kg/m3固化淤泥試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，在豎向壓力200 kPa條件下，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征，經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后，則表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征。豎向壓力400 kPa條件下，水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣干濕循環(huán)前后均呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化特征。由以上分析可知，經(jīng)歷干濕循環(huán)后，水泥摻量150、200 kg/m3試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線有從應(yīng)變硬化向應(yīng)變軟化轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。這可能與干濕循環(huán)過(guò)程引起的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力增長(zhǎng)有關(guān)，詳見3.4節(jié)討論。

水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)后，剪應(yīng)力-剪切位移曲線位于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d條件下固化淤泥試樣的上方，說(shuō)明干濕循環(huán)后固化淤泥的抗剪強(qiáng)度不降反增。這與水泥摻量100 kg/m3試樣截然不同。干濕循環(huán)前后固化淤泥的抗剪強(qiáng)度變化與干濕循環(huán)引起的裂縫發(fā)展以及干燥過(guò)程中水泥水化反應(yīng)有關(guān)，關(guān)于這部分的討論將在3.4節(jié)進(jìn)行。

從圖2～圖4還可以發(fā)現(xiàn)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化淤泥抗剪強(qiáng)度變化總體呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，干濕循環(huán)對(duì)固化淤泥剪應(yīng)力-剪切位移曲線的影響主要發(fā)生在前8次干濕循環(huán)，而后逐漸趨于穩(wěn)定?？紤]到文章篇幅，僅取豎向壓力50 kPa條件下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行具體說(shuō)明。水泥摻量100 kg/m3試樣在干濕循環(huán)0、4、8、12次時(shí)的抗剪強(qiáng)度(根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》[21]，應(yīng)變軟化曲線取峰值剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度，應(yīng)變硬化曲線則取剪切位移等于4 mm對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力為抗剪強(qiáng)度)分別為7.0、6.5、6.0、5.7 kPa，干濕循環(huán)4、8、12次時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別為干濕循環(huán)0次時(shí)的0.93、0.86、0.81倍。水泥摻量150 kg/m3試樣在干濕循環(huán)0、4、8、12次時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別為13.4、16.8、18.1、18.4 kPa，干濕循環(huán)4、8、12次時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別為干濕循環(huán)0次時(shí)的1.25、1.35、1.37倍。對(duì)于水泥摻量200 kg/m3的試樣，干濕循環(huán)0、4、8、12次時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別為14.4、31.8、31.9、30.9 kPa，干濕循環(huán)4、8、12次時(shí)的抗剪強(qiáng)度分別為干濕循環(huán)0次時(shí)的2.21、2.22、2.14倍。顯而易見，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化淤泥的抗剪強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3 干濕循環(huán)作用下水泥摻量150 kg/m3固化淤泥的剪應(yīng)力與剪切位移曲線Fig.3 Shear stress-shear deformation relationship of solidified dredged sludge with cement content of 150 kg/m3 subjected to different drying/wetting

圖4 干濕循環(huán)作用下水泥摻量200 kg/m3固化淤泥的剪應(yīng)力與剪切位移曲線Fig.4 Shear stress-shear deformation relationship of solidified dredged sludge with cement content of 200 kg/m3 subjected to different drying/wetting

3.2 固化淤泥強(qiáng)度變化機(jī)理分析

為探討干濕循環(huán)對(duì)固化淤泥試樣力學(xué)特性的影響，設(shè)置基準(zhǔn)試樣和控制試樣，通過(guò)對(duì)比基準(zhǔn)試樣、控制試樣和干濕循環(huán)試樣的直剪試驗(yàn)結(jié)果，分析水分強(qiáng)烈變化條件下水泥固化疏浚淤泥的力學(xué)特性變化機(jī)理。

表3所示為不同養(yǎng)護(hù)條件和干濕循環(huán)條件下固化淤泥試樣的抗剪強(qiáng)度。通過(guò)對(duì)比基準(zhǔn)試樣和控制試樣發(fā)現(xiàn)，相同水泥摻量、豎向壓力和養(yǎng)護(hù)齡期條件下，控制試樣的抗剪強(qiáng)度大于基準(zhǔn)試樣。這主要是因?yàn)榭刂圃嚇泳哂休^高的養(yǎng)護(hù)溫度，與基準(zhǔn)試樣相比生成了較多的水化產(chǎn)物，抗剪強(qiáng)度提高。這一結(jié)果也說(shuō)明干濕循環(huán)試樣在干燥過(guò)程中受到的烘干溫度(與控制試樣的養(yǎng)護(hù)溫度一致)會(huì)促進(jìn)水泥的水化，在相同齡期條件下，生成了更多的水化產(chǎn)物，水化產(chǎn)物的增加增強(qiáng)了土顆粒之間的粘結(jié)，使得固化淤泥試樣具有較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度增大。

表3 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Test results of shear strength

注：τfb為基準(zhǔn)試樣的抗剪強(qiáng)度；τfc為控制試樣的抗剪強(qiáng)度；τf為干濕循環(huán)12次試樣的抗剪強(qiáng)度。

圖5 干濕循環(huán)12次后不同水泥摻量固化淤泥試樣裂縫發(fā)展情況Fig.5 Development of cracks on the surface of solidified sludge with different cement contents after subjected to 12 times drying/wetting

從表3還可以看出，干濕循環(huán)試樣的抗剪強(qiáng)度小于控制試樣，說(shuō)明干濕循環(huán)過(guò)程中固化淤泥試樣的抗剪強(qiáng)度變化不僅受烘干溫度引起水泥水化產(chǎn)物增加的影響，還受其他因素的作用。事實(shí)上，固化淤泥試樣在干燥過(guò)程中，由于試樣表面與熱空氣接觸使得試樣表面的脫濕速率高于試樣內(nèi)部，試樣內(nèi)外部形成含水率梯度，導(dǎo)致試樣表面受拉而內(nèi)部受壓，當(dāng)試樣表面的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫便隨之產(chǎn)生[23]。圖5所示為干濕循環(huán)12次后，不同水泥摻量條件下固化淤泥試樣的裂縫發(fā)展情況。可以看出，隨著水泥摻量的增加，試樣表面裂縫發(fā)展越不明顯。這主要是因?yàn)樗鄵搅吭酱?，膠結(jié)強(qiáng)度越高，較大的膠結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)了顆粒間的粘結(jié)力，提高了試樣抵抗拉應(yīng)力的能力，干濕循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫越少。干濕循環(huán)過(guò)程中，裂縫的產(chǎn)生降低了顆粒之間的粘結(jié)，破壞了土體結(jié)構(gòu)，抗剪強(qiáng)度降低。

圖6所示為不同水泥摻量條件下基準(zhǔn)試樣、控制試樣和干濕循環(huán)試樣的SEM圖像?？梢钥闯?，對(duì)于同一養(yǎng)護(hù)(或干濕循環(huán))條件的試樣，隨著水泥摻量的增加，顆粒排列趨于緊密，水化產(chǎn)物含量增加，抗剪強(qiáng)度和抵抗拉應(yīng)力的能力增加。對(duì)比同一水泥摻量條件下基準(zhǔn)試樣、控制試樣和干濕循環(huán)試樣的SEM圖像發(fā)現(xiàn)，控制試樣和干濕循環(huán)試樣相對(duì)于基準(zhǔn)試樣生成了較多纖維狀的C—S—H凝膠類水化產(chǎn)物(S-200-60-C最為顯著)。這也從微觀層面上證實(shí)了養(yǎng)護(hù)溫度越高，水化產(chǎn)物越多，固化體內(nèi)部的孔隙進(jìn)一步被填充，抗剪強(qiáng)度越高的結(jié)論。

圖6 固化淤泥的SEM

由以上討論可知，干濕循環(huán)過(guò)程中烘干溫度引起的水化產(chǎn)物增加和裂縫的發(fā)展對(duì)固化淤泥的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生截然相反的影響，即水化產(chǎn)物的增加引起固化淤泥強(qiáng)度增大，而裂縫的發(fā)展則使得固化淤泥的抗剪強(qiáng)度降低，干濕循環(huán)對(duì)固化淤泥力學(xué)特性的最終影響取決于上述兩方面所占的權(quán)重。

3.3 烘干溫度和裂縫開展對(duì)固化淤泥抗剪強(qiáng)度影響的權(quán)重分析

烘干過(guò)程中水化產(chǎn)物的增加與水泥的摻量有關(guān)，水泥摻量越高，烘干溫度引起的水泥水化反應(yīng)越顯著，反之則水化反應(yīng)不明顯。為定量分析烘干溫度引起的水化產(chǎn)物增加對(duì)固化淤泥抗剪強(qiáng)度的影響，定義烘干溫度引起的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率為

ξ=(τfc-τfb)/τfb×100%

(1)

式中：ξ為溫度引起的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率；τfc為控制試樣的抗剪強(qiáng)度；τfb為基準(zhǔn)試樣的抗剪強(qiáng)度。考慮到文章篇幅，僅取豎向壓力50 kPa條件下不同水泥摻量基準(zhǔn)試樣與控制試樣的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析(表4)。由表4可以看出，水泥摻量越高，高溫養(yǎng)護(hù)后，試樣的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率越大，說(shuō)明水泥摻量越高，烘干溫度引起的水泥水化反應(yīng)越明顯，抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)越顯著。

前已述及，干濕循環(huán)對(duì)固化淤泥抗剪強(qiáng)度的影響受烘干溫度引起的水化產(chǎn)物增加和裂縫發(fā)展的共同作用。因此，通過(guò)綜合對(duì)比干濕循環(huán)試樣、基準(zhǔn)試樣以及控制試樣的抗剪強(qiáng)度，可將干濕循環(huán)過(guò)程中溫度的影響以及裂縫的影響進(jìn)行分離。以干濕循環(huán)試樣的抗剪強(qiáng)度變化為基礎(chǔ)，分離出干濕循環(huán)過(guò)程中溫度的影響即可獲得裂縫對(duì)固化淤泥試樣的影響。為此，定義裂縫引起的抗剪強(qiáng)度衰減率為

η=(τf-τfb)/τfb×100%-ξ(2)

式中：η為裂縫引起的抗剪強(qiáng)度衰減率；τf為干濕循環(huán)試樣的抗剪強(qiáng)度。從表4可以看出，3種水泥摻量固化淤泥試樣在干濕循環(huán)過(guò)程中裂縫引起的抗剪強(qiáng)度衰減率隨水泥摻量的增加逐漸減小。這一結(jié)果也證實(shí)了水泥摻量越大，試樣的膠結(jié)強(qiáng)度越高，抗拉強(qiáng)度越大，干濕循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫越少，干濕循環(huán)過(guò)程中裂縫引起的抗剪強(qiáng)度衰減越小。

表4 豎向壓力50 kPa條件下基準(zhǔn)試樣與控制試樣的抗剪強(qiáng)度對(duì)比Table 4 Shear strength of the based specimen and the controlling specimen under vertical stress of 50 kPa

注：τfb為基準(zhǔn)試樣的抗剪強(qiáng)度；τfc為控制試樣的抗剪強(qiáng)度；τf為干濕循環(huán)12次試樣的抗剪強(qiáng)度。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果的討論

相對(duì)于天然結(jié)構(gòu)性土而言，固化土稱之為人造結(jié)構(gòu)性土，其壓縮屈服應(yīng)力即為結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。根據(jù)Butterfid[24]采用的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)法可確定干濕循環(huán)前后固化淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力。水泥摻量100、150、200 kg/m3固化淤泥試樣在干濕循環(huán)0次時(shí)的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力分別為62.2、85.7、104.0 kPa；干濕循環(huán)12次后的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力分別為26.3、165.7、271.7 kPa?？梢钥闯?，水泥摻量100 kg/m3固化淤泥試樣干濕循環(huán)后結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力降低，而水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣干濕循環(huán)后結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力增大。這與直剪試驗(yàn)結(jié)果的變化趨勢(shì)相一致。

干濕循環(huán)前后固化淤泥剪應(yīng)力-剪切位移曲線形式的轉(zhuǎn)變與干濕循環(huán)過(guò)程中引起的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力變化有關(guān)。對(duì)于水泥摻量100 kg/m3的固化試樣，由于試樣在干濕循環(huán)前后的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力均小于或接近50 kPa，因此，試樣剪切時(shí)均屬于正常固結(jié)土，應(yīng)力-應(yīng)變曲線均為應(yīng)變硬化特征。水泥摻量150 kg/m3固化淤泥試樣在干濕循環(huán)0次時(shí)，結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力大于50 kPa而小于100 kPa，因此，在豎向壓力50 kPa條件下剪切時(shí)為超固結(jié)土，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征；而在豎向壓力大于等于100 kPa時(shí)為正常固結(jié)土，表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征。干濕循環(huán)后結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力大于100 kPa而小于200 kPa，因此在豎向壓力小于等于100 kPa條件下剪切時(shí)為超固結(jié)土，表現(xiàn)為應(yīng)變軟化特征；而在豎向壓力大于等于200 kPa時(shí)表現(xiàn)為應(yīng)變硬化特征。同理，對(duì)于水泥摻量200 kg/m3的固化淤泥試樣，干濕循環(huán)0次時(shí)，在豎向壓力小于100 kPa時(shí)表現(xiàn)為超固結(jié)土，屬應(yīng)變軟化特征，大于等于100 kPa時(shí)為正常固結(jié)土，呈應(yīng)變硬化特征；干濕循環(huán)后，在豎向壓力50、100、200 kPa下剪切時(shí)表現(xiàn)為超固結(jié)土，屬應(yīng)變軟化特征，豎向壓力400 kPa時(shí)為正常固結(jié)土，呈應(yīng)變硬化特征。

通過(guò)對(duì)比烘干溫度引起的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)率ξ和裂縫引起的抗剪強(qiáng)度衰減率η，即可評(píng)價(jià)干濕循環(huán)對(duì)固化淤泥試樣抗剪強(qiáng)度的最終影響。對(duì)于水泥摻量100 kg/m3的固化淤泥試樣，雖然溫度的提高促進(jìn)了水泥的水化，但由于水泥含量較低，烘干溫度引起的水泥水化產(chǎn)量增加較少(如圖6所示)，抗剪強(qiáng)度提升較少；同時(shí)，由于水泥含量較低，顆粒間具有較小的粘結(jié)力，僅能承受較小的拉應(yīng)力，干燥過(guò)程中形成的試樣內(nèi)外含水率梯度使得試樣表面會(huì)出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，從而在干濕循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生了較多的裂縫(如圖5(a)所示)，試樣的抗剪強(qiáng)度降低較多，導(dǎo)致裂縫的影響大于烘干溫度的作用，最終固化淤泥試樣的抗剪強(qiáng)度降低。而對(duì)于水泥摻量150、200 kg/m3的固化淤泥試樣，由于水泥含量較高，使得烘干溫度引起的水泥水化產(chǎn)物增長(zhǎng)較多(如圖6所示)，膠結(jié)強(qiáng)度顯著提升，抗剪強(qiáng)度明顯增大；同時(shí)，較大的膠結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)了顆粒間的粘結(jié)力，提高了試樣抵抗拉應(yīng)力的能力，干濕循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫較少(如圖5(b)、圖5(c)所示)，抗剪強(qiáng)度降低不明顯，最終導(dǎo)致干濕循環(huán)過(guò)程中烘干溫度的影響大于裂縫的影響，因此，干濕循環(huán)后，固化淤泥試樣的抗剪強(qiáng)度增大。根據(jù)以上的討論分析，對(duì)于太湖疏浚淤泥而言，當(dāng)水泥摻量大于150 kg/m3時(shí)，可不考慮干濕循環(huán)對(duì)固化淤泥抗剪強(qiáng)度的劣化作用；而水泥摻量小于100 kg/m3時(shí)，干濕循環(huán)對(duì)固化淤泥抗剪強(qiáng)度的劣化作用應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視。

4 結(jié)論

1)干濕循環(huán)過(guò)程中，固化淤泥力學(xué)特性變化與水泥摻量有關(guān)。對(duì)于水泥摻量100 kg/m3的固化淤泥試樣，干濕循環(huán)后試樣的抗剪強(qiáng)度降低，而水泥摻量150、200 kg/m3固化淤泥試樣經(jīng)歷干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度增大。

2)干濕循環(huán)條件下，固化淤泥的力學(xué)特性受干濕循環(huán)過(guò)程中烘干溫度引起的水化產(chǎn)物增加和裂縫發(fā)展的共同影響，最終的表現(xiàn)取決于這兩方面所占的比重。

3)在評(píng)價(jià)干濕循環(huán)對(duì)水泥固化疏浚淤泥力學(xué)特性的影響時(shí)，應(yīng)盡量采用與現(xiàn)場(chǎng)相一致的干濕循環(huán)條件(如干燥溫度)，以獲得能夠反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)實(shí)際工程提供可靠指導(dǎo)。

4)干濕循環(huán)試驗(yàn)均是在無(wú)上覆荷載條件下進(jìn)行，這與實(shí)際情況可能存在一定差異。上覆荷載和干濕循環(huán)耦合作用下固化淤泥力學(xué)特性的變化規(guī)律還有待深入研究。此外，干濕循環(huán)條件下，水泥固化淤泥中水化產(chǎn)物的量化分析也有待深入研究。