不同水泥摻量下非飽和固化淤泥力學特性試驗研究

張 啟， 孫 秀 麗， 劉 文 化*， 張 洪 勇， 楊 鋼

( 1.江南大學 環(huán)境與土木工程學院， 江蘇 無錫 214122；2.大連理工大學 建設工程學部， 遼寧 大連 116024 )

0 引 言

近年來，為改善水質，保護環(huán)境和航運暢通，我國開展了大規(guī)模的河道清淤活動，導致大量淤泥堆積[1-3]．淤泥含水率高、力學性質差，難以直接利用．目前，國內外對淤泥大多采用固化劑進行固化處理[4-7]．經(jīng)固化后的淤泥可作為路基、河堤等填土材料資源化利用．

國內外學者對固化淤泥開展了大量研究，成果卓越．Wang等[8]對固化淤泥的長期強度開展研究，發(fā)現(xiàn)水泥/石灰摻量的增加提高了固化土的力學性能，粉煤灰可提高石灰固化沉積土的強度和彈性模量．Li等[9]使用焚燒污泥灰渣固化淤泥，發(fā)現(xiàn)與普通硅酸鹽水泥和石灰等固化劑相比，焚燒污泥灰渣具有強度高、固化速度快、透水性低和環(huán)境污染小等優(yōu)點．黃英豪等[10]從土的結構性角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)水泥固化淤泥是一種典型結構性土，具有明顯屈服應力．王臻華等[11]發(fā)現(xiàn)碳酸氫鈉使水泥固化淤泥處于堿性環(huán)境，促進高鐵酸鉀降解有機質，加速水泥水化．上述研究成果對人們進一步認識固化淤泥力學特征和指導實際工程具有重要意義．

近年來，部分研究者開始關注固化淤泥等固化土的水穩(wěn)定性問題．Kim等[12]通過無側限抗壓強度試驗研究了木質素和粉煤灰固化土的水穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)固化土的水穩(wěn)定性較素土明顯改善，但部分配比下固化土仍存在浸水軟化現(xiàn)象．He等[13]、張俊峰等[14]也發(fā)現(xiàn)浸水濕化后固化淤泥的強度有所降低．上述研究均證實固化土的飽水程度對其力學特性有重要作用．因此，有必要研究固化土的非飽和特性．目前，國內外關于非飽和土的研究主要集中在非膠結結構類重塑土[15-19]；固化土的非飽和特性研究則主要集中在探討浸水飽和對固化土無側限抗壓強度的影響[12-14，20]以及固化土的非飽和滲透特性[21]．固化土的強度和體變隨基質吸力(飽和度)的變化規(guī)律研究則較欠缺．

鑒于此，本文對固化淤泥進行不同基質吸力條件下的三軸固結排水試驗和無側限抗壓試驗研究，以明晰非飽和固化淤泥的體變和強度特征，獲得非飽和固化淤泥強度與水泥摻量和基質吸力之間的定量關系，為非飽和固化淤泥土工構筑物的安全穩(wěn)定性評價提供理論依據(jù)．

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所用淤泥取自無錫太湖，淤泥的基本物理性質指標：含水率70%、相對密度2.66、液限62.4%、塑限27.7%、有機質含量4.4%、塑性指數(shù)34.7．根據(jù)土的分類方法，該淤泥屬高液限黏土．淤泥挖出后，立刻放入桶中靜置，除去上清液后測得其含水率為70%．試驗所用固化劑為32.5#復合硅酸鹽水泥．試驗材料的化學組成成分如表1所示．

表1 試驗材料的化學組成成分

1.2 試驗方案

首先將除去上清液后的淤泥按每立方米100、200、300 kg水泥進行固化．將淤泥和水泥按照上述配比放入攪拌機中攪拌5 min，使其混合均勻后，抽真空30 min以消除混合物中的氣泡．將淤泥、水泥混合物裝入39.1 mm×80 mm模具制備三軸剪切試樣．制樣過程中混合物分層裝入，每放入一層混合物立刻進行振實，以排出氣泡使固化淤泥密實．參照劉文化等[22]、王東星等[4]的方法，將制好的固化淤泥試樣放入密封袋中，再放入溫度(20±1) C°、濕度大于95%的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護．已有研究表明[23]，水泥的水化程度與時間有關，且在90 d后基本穩(wěn)定．為保證同一水泥摻量下不同基質吸力非飽和固化淤泥試樣具有相同的水化程度，避免基質吸力平衡時間對水泥水化產(chǎn)生影響，本文試樣養(yǎng)護時間定為90 d．養(yǎng)護完成后，試驗前先進行抽真空飽和，之后進行不同基質吸力條件下三軸剪切試驗．具體試驗方案見表2．

表2 試驗方案

1.3 試驗裝置

試驗所用三軸儀為江蘇永昌科教儀器制造有限公司生產(chǎn)的SYLD-30型應力應變控制式非飽和三軸剪切滲透試驗儀(如圖1所示)．該三軸儀可進行不同基質吸力條件下非飽和土的三軸剪切試驗．試驗過程中可測量試樣的軸向應變和體積變化．由于固化淤泥試樣基質吸力平衡時間較長，為減少三軸儀上固化淤泥試樣基質吸力平衡的時間，三軸試驗前將固化淤泥試樣進行基質吸力預平衡，預平衡裝置如圖2所示．固化淤泥試樣在基質吸力預平衡完成后立刻裝入三軸儀中，施加圍壓和基質吸力(與預平衡時一致)進行二次平衡，然后進行?；|吸力條件下的三軸固結排水剪切試驗，剪切速率0.001 mm/min．

圖1 非飽和土三軸儀

圖2 基質吸力預平衡裝置

2 試驗結果與分析

2.1 固化淤泥的土-水特征曲線(SWCC)

3種水泥摻量固化淤泥的土-水特征曲線如圖3所示．由圖3可以看出，不同水泥摻量條件下固化淤泥的土-水特征曲線表現(xiàn)形式不盡相同．3種水泥摻量情況下固化淤泥的飽和度Sr在基質吸力達到進氣值之前均未發(fā)生明顯變化，在達到進氣值后隨基質吸力增大飽和度開始下降．然而水泥摻量不同，飽和度隨基質吸力的變化速率各不相同，水泥摻量越大變化速率越小，低水泥摻量固化淤泥的土-水特征曲線位于高水泥摻量固化淤泥土-水特征曲線的下方．上述現(xiàn)象可能與不同水泥摻量條件下固化淤泥的孔隙分布有關．毛細公式如下：

R=2Tscosθ/s

(1)

式中：R為孔隙半徑，Ts為表面張力，θ為固-液接觸角，s為基質吸力．由式(1)可知試樣孔隙半徑越大排水所對應的基質吸力越小．在施加相同基質吸力的情況下，大孔隙排水所需的基質吸力小于小孔隙的，因此大孔隙排水優(yōu)先于小孔隙．圖4所示為不同水泥摻量條件下固化淤泥的SEM圖，可以看出低水泥摻量固化淤泥試樣顆粒排布較為松散，孔隙分布以大孔隙為主；隨著水泥摻量的提高，相同的養(yǎng)護齡期下，固化淤泥試樣中的水化產(chǎn)物增多，高水泥摻量固化淤泥試樣顆粒排布較為緊密，多表現(xiàn)為小孔隙．根據(jù)式(1)所示毛細公式，基質吸力作用下低水泥摻量固化淤泥大孔隙中的孔隙水優(yōu)先排出，飽和度逐漸下降；而高水泥摻量固化淤泥小孔隙中的孔隙水則應在更高的基質吸力下才能排出．因此，飽和度下降速率呈現(xiàn)出水泥摻量越高速率越小趨勢．

圖3 不同水泥摻量條件下固化淤泥的土-水特征曲線

Fig.3 Soil-water characteristic curves of solidified silt with different cement contents

(a) 水泥摻量100 kg/m3

(b) 水泥摻量200 kg/m3

(c) 水泥摻量300 kg/m3

2.2 固化淤泥的強度和體變特性

圖5所示為水泥摻量100 kg/m3試樣在不同基質吸力條件下的三軸剪切試驗結果．由圖可知，不同凈圍壓下，固化淤泥試樣應力-應變曲線皆表現(xiàn)為應變硬化，剪切過程中均表現(xiàn)為體縮；基質吸力越大，抗剪強度越大，試樣體縮越小，不同凈圍壓下試樣體變基本相同．需要指出，凈圍壓300 kPa時，不同基質吸力條件下試樣應力-應變曲線幾乎重合，這可能與固結過程中試樣孔隙變化引起的孔隙水存在形式轉變有關，為了便于理解給出某一基質吸力條件下不同孔徑分布時孔隙水分布概念模型，如圖6所示．水泥的摻入使得固化淤泥具有一定的結構強度，低凈圍壓作用下試樣存在一定數(shù)量的大孔隙，某一基質吸力條件下大孔隙當中的水被排出，孔隙水以彎液面形式存在于土顆粒接觸點位置(如圖6(a)所示)．隨著凈圍壓增大，試樣中的大孔隙逐漸被壓密并轉化為小孔隙甚至消失，與低凈圍壓情況相比，相同基質吸力條件下該部分小孔隙中的水無法排出，以體積水的形式存在于孔隙當中(如圖6(b)所示)．隨著凈圍壓的增大，孔隙壓密更加明顯，相同基質吸力條件下孔隙中的水逐漸由毛細彎液面向體積水轉化，彎液面數(shù)量逐漸減少．而Wheeler等[24]的研究表明相同基質吸力條件下基質吸力的強度貢獻取決于受彎液面影響的土顆粒接觸點的個數(shù)，受彎液面影響的土顆粒接觸點的個數(shù)越少，強度貢獻越?。虼?，隨著凈圍壓增大，基質吸力的強度貢獻逐漸減?。?/p>

(a) 凈圍壓100 kPa

(b) 凈圍壓200 kPa

(c) 凈圍壓300 kPa

(a) 壓密前

(b) 壓密后

水泥摻量200、300 kg/m3試樣在不同基質吸力條件下的三軸剪切試驗結果如圖7、圖8所示．由圖可知，固化淤泥在3種凈圍壓條件下的應力-應變曲線均表現(xiàn)為應變軟化，隨著凈圍壓的增大軟化趨勢逐漸減弱；抗剪強度隨基質吸力和凈圍壓的增大而增大．水泥摻量200 kg/m3固化淤泥在3種凈圍壓條件下剪切時，試樣均表現(xiàn)為體縮．體縮量隨凈圍壓增大而增大，隨基質吸力增大而減?。鄵搅?00 kg/m3固化淤泥，在凈圍壓為100 kPa時，試樣先體縮后體脹，凈圍壓大于等于200 kPa時，試樣體變表現(xiàn)為體縮．

不同水泥摻量條件下固化淤泥試樣的應力-應變曲線形式及體變規(guī)律可能與試樣的結構屈服應力有關．圖9所示為不同水泥摻量下非飽和固化淤泥的屈服應力．從圖中可以看出，當試樣的水泥摻量和基質吸力增大時，結構屈服應力也隨之增大．對于水泥摻量為100 kg/m3的固化淤泥試樣，當試樣在本文所采用的凈圍壓下剪切時，試樣處于正常固結或弱超固結狀態(tài)，表現(xiàn)為應變硬化和剪縮特征．對于水泥摻量為200、300 kg/m3的固化淤泥試樣，本文所采用的凈圍壓均小于試樣的結構屈服應力，固化淤泥試樣處于超固結狀態(tài)，應力-應變曲線皆表現(xiàn)為應變軟化．水泥摻量越高，試樣的結構屈服應力越大，相同凈圍壓條件下試樣的超固結性越大，應變軟化趨勢越明顯．水泥摻量300 kg/m3固化淤泥試樣在100 kPa凈圍壓條件下剪切時試樣處于強超固結狀態(tài)，表現(xiàn)出先減縮后剪脹趨勢；隨著凈圍壓增加，超固結比逐漸減小，應變軟化趨勢和剪脹趨勢逐漸減弱．

(a) 凈圍壓100 kPa

(b) 凈圍壓200 kPa

(c) 凈圍壓300 kPa

(a) 凈圍壓100 kPa

(b) 凈圍壓200 kPa

(c) 凈圍壓300 kPa

圖9 不同水泥摻量下非飽和固化淤泥屈服應力

2.3 固化淤泥的無側限抗壓強度及抗剪強度與無側限抗壓強度的關系

圖10所示為不同水泥摻量條件下固化淤泥的無側限抗壓強度．由圖可知，水泥摻量100 kg/m3固化淤泥的無側限抗壓強度隨基質吸力的增大而增大，但基質吸力200、300 kPa條件下的無側限抗壓強度相差不大．這是因為水泥摻量100 kg/m3固化淤泥試樣在基質吸力大于200 kPa時，其含水率接近殘余含水率(如圖3所示)，基質吸力的進一步增大對強度提升并不明顯．而水泥摻量為200、300 kg/m3的固化淤泥在基質吸力300 kPa時并未達到殘余含水率，因此，在本文試驗所用基質吸力范圍內，隨著基質吸力的增大無側限抗壓強度不斷增大．

圖11為無側限抗壓強度與水泥摻量和基質吸力之間關系圖．圖中曲面的擬合公式為

圖10 不同水泥摻量條件下固化淤泥的無側限抗壓強度

Fig.10 Unconfined compressive strength of solidified silt with different cement contents

圖11 無側限抗壓強度與水泥摻量和基質吸力關系

Fig.11 Relationship between unconfined compressive strength, cement contents and matric suctions

qu=c+0.01c2-0.167s+0.004 9cs

(2)

式中：qu為固化淤泥的無側限抗壓強度，c為水泥摻量，s為基質吸力．該公式能夠較好地擬合固化淤泥試樣在非飽和條件下的無側限抗壓強度試驗數(shù)據(jù)，擬合優(yōu)度R2=0.991．該公式可為預測不同水泥摻量條件下非飽和固化淤泥的無側限抗壓強度提供參考．

圖12(a)所示為不同水泥摻量和不同基質吸力的固化淤泥在100 kPa凈圍壓條件下的抗剪強度與無側限抗壓強度之間的關系曲線．從圖中可以看出，固化淤泥的抗剪強度和無側限抗壓強度之間具有較好的線性關系，線性擬合優(yōu)度R2=0.965．圖12(b)、(c)分別為不同水泥摻量和不同基質吸力的固化淤泥在200、300 kPa凈圍壓條件下抗剪強度和無側限抗壓強度之間的關系曲線．由圖可知，200、300 kPa凈圍壓條件下固化淤泥的抗剪強度和無側限抗壓強度之間也存在較好的線性關系，擬合優(yōu)度分別為R2=0.985、R2=0.986．對比3種凈圍壓條件下固化淤泥的抗剪強度和無側限抗壓強度之間的關系曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著凈圍壓的增大，擬合曲線在豎軸上的截距逐漸增大，而曲線的斜率則在0.76～0.91波動．上述現(xiàn)象可能與凈圍壓對固化淤泥的側向約束有關，凈圍壓越大，側向約束越強，抗剪強度越高．

(a) 凈圍壓100 kPa

(b) 凈圍壓200 kPa

(c) 凈圍壓300 kPa

3 結 論

(1)固化淤泥的土-水特征曲線在基質吸力小于進氣值時飽和度變化并不明顯；但基質吸力大于進氣值時，固化淤泥的飽和度隨基質吸力的增大而逐漸降低，水泥摻量越大，飽和度隨基質吸力增大而降低的速率越?。退鄵搅抗袒倌嗟耐?水特征曲線位于高水泥摻量固化淤泥土-水特征曲線的下方．

(2)水泥摻量100 kg/m3固化淤泥的應力-應變曲線均表現(xiàn)為應變硬化，凈圍壓越大，抗剪強度越高；隨著凈圍壓的增大，基質吸力對強度的貢獻逐漸減小，凈圍壓為300 kPa時，試樣應力-應變曲線趨于重合．

(3)水泥摻量200、300 kg/m3固化淤泥的應力-應變曲線均表現(xiàn)為應變軟化，凈圍壓和基質吸力越大，抗剪強度越高．水泥摻量200 kg/m3固化淤泥在3種凈圍壓條件下均表現(xiàn)為體縮．水泥摻量300 kg/m3固化淤泥在100 kPa凈圍壓條件下剪切時，試樣表現(xiàn)為先體縮后體脹；凈圍壓為200、300 kPa時，試樣均表現(xiàn)為體縮．

(4)水泥摻量100 kg/m3固化淤泥的無側限抗壓強度隨基質吸力增大先增大后趨于穩(wěn)定；水泥摻量200、300 kg/m3固化淤泥的無側限抗壓強度隨基質吸力增大而不斷增大．無側限抗壓強度與水泥摻量和基質吸力有關．

(5)不同水泥摻量和基質吸力條件下固化淤泥的抗剪強度與無側限抗壓強度之間存在較好的線性關系．