濱海淤泥固化土的動模量與阻尼比特性研究

王桂萱，張虎韋，趙 杰

(大連大學 土木工程技術(shù)研究與開發(fā)中心， 遼寧 大連 116622)

近年來，我國開始利用沿海灘涂進行填海造陸的工程拔地而起，如南海島礁機場建設(shè)、大連新機場填海造陸工程、廈門翔安機場等超大規(guī)模建筑。由于海洋淤泥土本身的力學性質(zhì)無法滿足工程要求，這就不得不采用開山石之類的土地資源進行地基處理，從而導(dǎo)致國土資源日益匱乏。所以有必要開發(fā)一種可以代替土地資源作為填海造陸的材料，對淤泥進行固化處理是一種行之有效的處理方法，不僅解決了淤泥廢棄對環(huán)境造成的危害，而且也能將固化后的土料用于道路、堤防、填海造地等工程的回填材料，又能產(chǎn)生新的可再生資源，對于社會可持續(xù)發(fā)展具有重大的意義。

就淤泥固化土技術(shù)方面來講，美、日、英等國外發(fā)達的一些國家在淤泥固化土處理方面的技術(shù)日益成熟。而我國目前處于研究起步階段，大部分研究主要集中于固化土的靜力方面，而對于動力特性方面的研究較少。我國學者對于淤泥固化土的研究也開展了大量的研究工作。吳月龍等[1]學者通過采用充灌模袋筑堤試驗對海洋淤泥土進行了固化處理研究，試驗結(jié)果顯示，摻加水泥使淤泥固結(jié)快，效果更加明顯。周世宗等[2]對通過摻入一定比例的礦渣和粉煤灰對南沙軟土進行固化試驗研究。陳沖等[3]利用工業(yè)廢渣為主要原材料配制而成的新型土體固結(jié)材料-土體固結(jié)粉，研究了土體固結(jié)粉在軟土地基加固中實際工程中的實用性。胡孝彭等[4]對河道疏浚淤泥土處置問題進行了探討。胡孝彭等[5]基于離心機法對淤泥固化的土水特征曲線進行了研究。由于沿海地區(qū)含沙性淤泥土的分布也比較常見，學者李曉玲等[6]對該類土進行了全方位的分析研究，闡述了此類土含水率較小、沙的含量與所研究的沙性淤泥土的物理性質(zhì)有關(guān)系。指出含沙量的多少影響了該類土本身的抗剪能力以及承載力的大小。黏粒含量的多少對淤泥軟土的影響是馮志超等[7]通過室內(nèi)試驗研究發(fā)現(xiàn)的，此類黏土影響著土最重要的兩個物理指標黏聚力和內(nèi)摩擦角的大小。由于淤泥土形成的環(huán)境以及年代的不同，其工程特性也各有不同之處，楊順安等[8-9]進行了相關(guān)問題的研究分析，得出了淤泥形成年代越久遠其穩(wěn)定性越好。研究學者馮曉臘[10]利用電鏡掃描技術(shù)外加室內(nèi)試驗進行了淤泥土的研究與分析，得出構(gòu)成淤泥土的形狀不同其物理力學性質(zhì)也不盡相同，對建設(shè)工程的影響也不相同。在20世紀50年代，大量的外國學者對淤泥固化土的特性開始了探索研究。最早在實驗室內(nèi)對于淤泥固化土做了相關(guān)試驗研究的是Seed等[11-16]著名學者，他們在施加循壞荷載條件下主要對淤泥固化土的變形和強度兩方面進行了研究與分析，在同等情況下國外學者Brown等[17]也進行了類似的試驗研究，通過試驗總結(jié)得出了淤泥固化土在施加循壞荷載條件下的變形過程，以及說明了固化土的變形與加荷的時間間隔有關(guān)，因而探索出了淤泥固化土在動荷載條件下產(chǎn)生塑性應(yīng)變的機理。從上述資料明顯可以看出，我國在淤泥固化土的動力特性研究方面少之又少，因此，通過室內(nèi)試驗對固化土的動力特性進行分析研究是很有必要的。

以大連金州灣海域的海洋淤泥土為研究對象，對淤泥土采用摻入比為8%、10%以及12%三種比例的固化劑進行固化處理，通過動三軸試驗研究其不同摻入比條件下固化土的動力特性，為今后類似工程提供參考。

1 試驗設(shè)備與工作原理

本次試驗所采用的是英國VJ Tech公司的DSC2000多功能動三軸儀。

DSC2000多功能動三軸儀工作原理就是將圓柱形土樣放置在充有無氣水的三軸室內(nèi)的上下活塞之間，靠水壓對試樣施加三軸靜壓力(均等圍壓或偏壓)使土樣固結(jié)，豎向伺服電機施加外力，經(jīng)過下面的活塞施加至試驗土樣，然后在動荷載作用下進行三軸試驗，該動三軸儀只能做10-4～10-2范圍內(nèi)的變形量。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗用料

淤泥固化所采用的固化劑是由水泥熟料、高爐礦渣粉、石膏粉三種材料通過一定的比例混合而成，其強度和穩(wěn)定性均達到合格標準，密度為1 680 kg/m3。試驗所采用的淤泥取自大連金州灣海上機場納泥區(qū)，其有關(guān)物理力學指標見表1。

表1 大連金州灣淤泥土物理力學指標

注：ω為含水率；ρ干為干密度；ρ濕為濕密度；ωL為液限；ωp為塑限；IL為液性指數(shù)；G為比重。

2.2 試驗取樣

在工程現(xiàn)場開挖25 m×25 m×4 m的試驗槽，對三種不同配比(8%、10%、12%)的淤泥固化土進行試驗槽澆筑，將達到28 d齡期的淤泥固化土進行現(xiàn)場取樣送往實驗室采用動三軸儀對其進行動力試驗研究。此次試驗按照國家標準《土工試驗方法標準》[18](GB/T 50123—1999)進行，每種摻入比制作3試樣進行平行試驗。

3 試驗結(jié)果分析

由于篇幅所限，這里以齡期28 d的試樣為研究對象，對不同摻入比為(8%、10%、12%)的固化土在100 kPa、200 kPa和300 kPa的圍壓下分別進行動三軸試驗，研究其固化劑的摻入比以及圍壓對固化土的動剪切模量和阻尼比的影響。

3.1 圍壓對固化土動模量與阻尼比的影響

根據(jù)淤泥固化土試樣的動剪切模量與動應(yīng)變幅值在不同固結(jié)壓力條件下的關(guān)系曲線分析。隨著固結(jié)應(yīng)力的不同，其土樣在三種應(yīng)力作用下的動剪切模量隨著動剪應(yīng)變的增大呈遞減趨勢。當淤泥固化土土樣的應(yīng)變幅值在1×10-3左右時，呈現(xiàn)出土樣動剪模量隨著動剪應(yīng)變的增大而遞減的速率不同，從而得出1×10-3為該土樣應(yīng)變的臨界值，當在臨界值左側(cè)時，固化土試樣的動剪模量隨應(yīng)變的增大減小的速率較慢；當出現(xiàn)在臨界值右側(cè)時，固化土試樣的動剪模量隨著應(yīng)變的增大減小速率加快。

在固化劑摻入比相同，動剪應(yīng)變值不變的條件下，淤泥固化土的動剪切模量隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大。在固化劑摻入比為10%、12%兩種情況下，發(fā)現(xiàn)固化土樣的動剪模量隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而遞增趨勢在減小的現(xiàn)象。這種情況發(fā)生的原因在于，當固化劑含量較少時，與淤泥土發(fā)生物理、化學反應(yīng)生成的膠凝物質(zhì)相應(yīng)的減少，因此對固化土顆粒間的孔隙填充也就減小，使得固化土在外荷載作用下的壓縮性增強，所以固結(jié)應(yīng)力對于固化土動剪模量的影響不可忽視。固化劑摻入比為8%的淤泥固化土試樣的相關(guān)曲線就符合所描述的這一規(guī)律。隨著固化劑摻入比的增大，試樣的強度也隨之增加，在外荷載作用下壓縮性越小，從而使得固化土本身的結(jié)構(gòu)性越強。當固化劑的摻入量為10%、12%時，固化劑與淤泥土發(fā)生充分的物理、化學反應(yīng)，生成的膠凝物質(zhì)增多，使得固化土顆粒間孔隙被生成物所填充，提高了固化土本身的結(jié)構(gòu)性能，因此，固結(jié)應(yīng)力的增大對于固化劑摻入量較大的固化土的動剪切模量的影響較小。

根據(jù)不同固結(jié)應(yīng)力阻尼比與應(yīng)變關(guān)系可以得出，淤泥固化土的阻尼比與固化土動剪應(yīng)變值呈正相關(guān)關(guān)系。隨著剪應(yīng)變區(qū)間內(nèi)的不同，固化土動阻尼比的增大速率也不相同。當試驗土樣的應(yīng)變幅值小于其臨界應(yīng)變幅值時，在不同固結(jié)應(yīng)力作用下淤泥固化土試樣的阻尼比隨著應(yīng)變幅值增大而增大的幅度降低；當淤泥固化土的動剪應(yīng)變超過某一個臨界值時，土體試樣的阻尼比隨著動剪應(yīng)變的增大而遞增的速率明顯不同，顯示這一臨界值也是在γd=1×10-3左右。不難發(fā)現(xiàn)固化土試樣的阻尼比在固結(jié)應(yīng)力逐漸增大情況下有稍微降低的現(xiàn)象。

3.2 摻入比對動模量與阻尼比的影響

依據(jù)不同摻入比固化土的動剪切模量與動剪應(yīng)變幅值關(guān)系可以看出，在動剪應(yīng)變幅增大的情況下淤泥固化土試樣的動剪切模量呈減小的趨勢。在動剪應(yīng)變值相同的情況下，雖然固化土的動剪模量隨著固化劑摻入比的增大而增大，但是隨著動剪應(yīng)變值的增大，這種呈現(xiàn)出動模量隨摻入比增大而增大的現(xiàn)象逐漸在削弱。

通過不同摻入下阻尼比與動剪應(yīng)變幅值關(guān)系曲線表明，不同固化劑摻入比下淤泥固化土試樣的阻尼比隨動剪應(yīng)變幅值的變化規(guī)律與上面描述基本相符，此處不再說明。當動剪應(yīng)變值相同時，其固化土試樣的阻尼比隨著固化劑摻入比的增大而增大的趨勢并不明顯，但是不難發(fā)現(xiàn)，當固化劑的摻入比逐漸增大時，固化土的阻尼比有稍微降低的現(xiàn)象。

4 動剪切模量比和阻尼比擬合

對通過動三軸試驗得出的不同摻入比、不同圍壓條件下淤泥固化土的試驗數(shù)據(jù)進行歸一化處理，這樣做的目的是為了減少試驗數(shù)據(jù)的離散性。本章節(jié)僅整理了齡期為28 d固化土試樣的試驗數(shù)據(jù)，對8%、10%、12%三種摻入比的固化土在不同圍壓(100 kPa、200 kPa、300 kPa)作用下的動剪切模量比和阻尼比與動剪應(yīng)變之間的關(guān)系進行分析。

已有大量試驗分析表明，土表現(xiàn)出動應(yīng)力與應(yīng)變之間變化關(guān)系可用Hardin-Drnevich[19-21]模型描述：

(1)

由此可得動割線剪切模量：

(2)

同時還可得到歸一化后的無量綱表達式：

(3)

式中：τd為動剪應(yīng)力；γd為動剪應(yīng)變；γr=a/b為參考剪應(yīng)變；a,b為擬合參數(shù)。一般情況下，1/b=τult為極限抗剪強度，1/a=Gdmax是最大的動剪切模量，Gd為與γd對應(yīng)的動剪切模量。

圖1、圖2為不同摻入比、不同圍壓作用下，淤泥固化土的剪切模量比和阻尼比與剪應(yīng)變幅值的關(guān)系曲線。

圖1 不同配比淤泥固化土的G/Gmax-γ和D-γ擬合曲線

從圖1中的G/Gmax-γ曲線可知：

(1) 在固結(jié)應(yīng)力相等的條件下，固化土的動剪模量隨著固化劑摻入比的增大，衰退曲線也就越高，但是隨著動剪應(yīng)變值γ的增大，衰退的速率減慢。而阻尼比隨著動剪應(yīng)變值γ的增大而增大，但是隨著固化劑摻入比的增大，阻尼比相應(yīng)的減小。

(2) 當固化土的剪應(yīng)變γ<10-3時，不同摻入比條件下固化土的動剪模量近似一條直線，衰減趨勢并不明顯，阻尼比的增大較為緩慢。當剪應(yīng)變γ>10-3時，不同摻入比對固化土的動剪模量和阻尼比影響很大，動剪模量的衰減曲線分布的范圍逐漸變大，衰減速率增大，而阻尼比的增大速率也變快。

圖2 不同圍壓下淤泥固化土的G/Gmax-γ和D-γ擬合曲線

由圖2不同圍壓下淤泥固化土的G/Gmax-γ和D-γ擬合曲線可得出：

(1) 在動剪應(yīng)變幅值不變的條件下，固化土的動剪切模量比隨著圍壓的增大而增大；原因是隨著圍壓的增大，固化土試樣內(nèi)部的土顆粒之間接觸更加密實，孔隙含量減少，固化土試樣的相對密度逐漸增大，這使得土顆粒之間的咬合力和膠結(jié)力隨之增大，同時固化土試樣本身的剛度也得到了提高，因此，淤泥固化土的動模量隨著圍壓的增大而增大。

(2) 淤泥固化土的動剪模量和阻尼比隨著動剪應(yīng)變幅值變化的趨勢與圖1結(jié)論敘述類似，此處不再贅述。

(3) 就淤泥固化土的阻尼比而言，隨著圍壓的增大，阻尼比減小。原因是圍壓的增大使得固化土顆粒結(jié)構(gòu)之間的孔隙變少，密實度增加，由于固化土在動荷載的作用下以波的形式進行能量傳播，所以固化土的密實程度為波的傳遞提供了多條路徑，使得傳播速度增大，此時固化土試樣內(nèi)部能量的耗散較小，這也就代表了能量損耗的參數(shù)阻尼比相應(yīng)也會減小。

5 結(jié) 論

采用動三軸試驗儀器，研究了不同摻入比、不同圍壓作用對淤泥固化土在大應(yīng)變下動剪模量和阻尼比的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 固化土的動剪模量隨著動剪應(yīng)變幅值的增大衰減速率增大，阻尼比隨著應(yīng)變值的增大而增大。這說明了固化土的彈性變形逐漸減小，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷與塑性變形在增大。當固化土的動應(yīng)變幅值γd<10-3時，動剪模量的減小速率變緩，阻尼比的增大速率減慢；當固化土的動應(yīng)變幅值γd>10-3時，動剪模量的衰減速率加快，阻尼比的曲線增長速度明顯變大。

(2) 當動剪應(yīng)變幅值相同時，固化土的動模量隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大。但是當固化劑摻入比為10%以及12%時，固化土的動模量隨著固結(jié)應(yīng)力的增大而增大的現(xiàn)象在減弱。當固化劑的摻入比大于10%時，其結(jié)構(gòu)內(nèi)部的孔隙減少，因此壓縮性降低。所以固結(jié)應(yīng)力對固化土動模量的影響在減弱。

(3) 在動剪應(yīng)變幅值相同，固化劑摻入比相同的條件下，固化土的動剪切模量比隨著圍壓的增大而增大；阻尼比隨著圍壓的增大而減小。