基質(zhì)吸力對非飽和水泥固化淤泥壓縮性的影響分析

韋 思

(1.廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

近年來，為改善水質(zhì)，保護(hù)水資源，全國開展了大規(guī)模的清淤活動[1]。清理出的淤泥不能直接利用，而大規(guī)模的堆積，又會占用大量土地及污染環(huán)境[2-3]。目前，對于這些淤泥的處理大多采用固化法，固化法由于操作簡單、節(jié)約成本等特點(diǎn)而受到大力推崇。為使固化淤泥能安全地應(yīng)用于實(shí)際工程，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[4-6]。王東星等[7]采用大摻量粉煤灰、水泥和石灰固化劑對淤泥進(jìn)行固化，發(fā)現(xiàn)相對于未固化淤泥，固化淤泥的最優(yōu)含水率降低，而最大干密度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及彈性模量均有所增加，同時(shí)未固化淤泥的耐久性要差于固化土。黃英豪等[8]通過控制單變量法對不同水泥摻量、不同養(yǎng)護(hù)齡期以及不同初始含水率的固化淤泥的壓縮特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，固化后的淤泥壓縮性遠(yuǎn)小于未處理的淤泥，且荷載小于固化淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力時(shí)，其壓縮性非常小。張春雷等[9]研究了初始含水率對水泥固化淤泥效果的影響，發(fā)現(xiàn)初始含水率越大，固化淤泥破壞時(shí)應(yīng)變越大、塑性越大，但粘聚力卻減小。王宏偉等[10]采用活性MgO進(jìn)行固化淤泥，并研究了不同MgO摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期對固化淤泥的影響，發(fā)現(xiàn)隨著MgO摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加，固化淤泥的結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力越大，MgO摻量達(dá)到6%時(shí)，固化淤泥的壓縮性會發(fā)生突變，由高壓縮性土轉(zhuǎn)變成低壓縮性土。

目前，對于非飽和土壓縮特性的研究大多集中在非飽和素土上[11-13]，如葉為民等[14]通過對上海地區(qū)的非飽和軟土進(jìn)行壓縮、回彈試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基質(zhì)吸力越大，軟土的壓縮性越小，且回彈指數(shù)隨著基質(zhì)吸力的增大，先減小后增大。固化淤泥在實(shí)際工程中多處于非飽和狀態(tài)。已有研究表明，固化淤泥的飽水程度對其力學(xué)特性有較大影響。如Kim等[15]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究了木質(zhì)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。而固化淤泥在基質(zhì)吸力作用下的壓縮特性的研究相對較少，使得固化淤泥在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的安全隱患。

因此，本文通過對不同基質(zhì)吸力下的固化淤泥進(jìn)行壓縮試驗(yàn)來探討基質(zhì)吸力對其壓縮特性的影響，為非飽和固化淤泥土工構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定性評價(jià)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]測得淤泥的各項(xiàng)物理指標(biāo)為：比重為2.66、含水率為70%、有機(jī)質(zhì)含量為4.4%、液限為62.4%和塑性為27.7%。根據(jù)土的分類標(biāo)準(zhǔn)，可知該土屬高液限黏土。試驗(yàn)所用水泥為廣西魚峰產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗(yàn)裝置

非飽和固結(jié)試驗(yàn)采用一臺基于WG型單杠桿固結(jié)儀改裝的可進(jìn)行非飽和固結(jié)試驗(yàn)的吸力控制式固結(jié)儀(如圖1所示)，能較好地控制固化淤泥基質(zhì)吸力的大小。該儀器可進(jìn)行非飽和固結(jié)試驗(yàn)以及濕化變形試驗(yàn)。

(a)實(shí)物圖

1.3 試驗(yàn)方案

具體試驗(yàn)方案見表1。

表1 壓縮、回彈試驗(yàn)方案表

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)飽和陶土板

先將非飽和固結(jié)裝置安裝好，在固結(jié)儀底座與刻度管之間、刻度管中注入無氣水，打開閥門先沖刷陶土板底部的氣泡，使無氣水充滿陶土板底部；再關(guān)閉閥門，施加10 kPa反壓使陶土板飽和，需耗時(shí)24 h。當(dāng)陶土板表面先出現(xiàn)小水珠逐漸覆蓋整個(gè)陶土板后有大量水排出時(shí)，說明陶土板飽和完成，卸載反壓后，即可進(jìn)行非飽和土固結(jié)試驗(yàn)。

(2)裝樣

先將養(yǎng)護(hù)90 d的固化淤泥放入飽和器后，放入真空桶中進(jìn)行抽真空2 h，再注入無氣水，關(guān)閉真空泵，靜置12 h使固化淤泥試樣充分飽和。將陶土板表面水擦干凈后，依次放入試樣、濾紙、透水石以及加載帽，最后將底座與壓力室通過密封圈密封，并以螺栓連接。

(3)預(yù)平衡

試樣安裝完成后，通過壓力室頂部氣壓管以及調(diào)壓閥，施加所需基質(zhì)吸力進(jìn)行預(yù)平衡。每天讀取密封透明筒體內(nèi)部的刻度管讀數(shù)，當(dāng)連續(xù)兩天讀數(shù)基本不變時(shí)，說明預(yù)平衡已完成，此過程耗時(shí)約4 d。

(4)固結(jié)試驗(yàn)與回彈試驗(yàn)

預(yù)平衡完成后即可進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)以及回彈試驗(yàn)。試驗(yàn)中維持氣壓管中的氣壓不變，所加荷載依次為25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、800 kPa、1 600 kPa、3 200 kPa，每隔24 h沉降基本穩(wěn)定后加下一級荷載，并在加下一級荷載前讀取百分表讀數(shù)。同時(shí)，每隔8～10 h沖刷一次陶土板下積聚的氣泡，當(dāng)荷載加至3 200 kPa時(shí)，再進(jìn)行回彈試驗(yàn)。回彈試驗(yàn)荷載變化分別為3 200 kPa、1 600 kPa、800 kPa、400 kPa、300 kPa、200 kPa、100 kPa、50 kPa。

(5)結(jié)束試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)束后，先卸下砝碼和氣壓，拆除土樣，清洗非飽和固結(jié)儀與密封透明筒體。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

由圖2可知，固化淤泥的屈服應(yīng)力隨著基質(zhì)吸力的增大先增大后不變。造成上述現(xiàn)象的原因主要是基質(zhì)吸力越大，其增強(qiáng)土骨架的效果越明顯。而固化淤泥在200 kPa基質(zhì)吸力下已經(jīng)達(dá)到殘余含水率，基質(zhì)吸力對土骨架的增強(qiáng)作用并不明顯，當(dāng)基質(zhì)吸力增大時(shí)，固化淤泥的屈服應(yīng)力并未發(fā)生明顯變化。

圖2 不同基質(zhì)吸力作用下的非飽和固化淤泥的屈服應(yīng)力柱狀圖

圖3為固化淤泥在不同基質(zhì)吸力下的a-p擬合曲線。由圖3可知，固化淤泥的壓縮系數(shù)a隨著固結(jié)壓力的增大，先增大后減小，這可能與孔隙的結(jié)構(gòu)有關(guān)。100 kg/m3水泥摻量的固化淤泥，由于水泥摻量較低，生成的水化產(chǎn)物較少，孔隙中有較多的大孔隙，這部分大孔隙在一定固結(jié)壓力下會發(fā)生較大壓縮。當(dāng)這部分大孔隙被壓縮后，固化淤泥的孔隙則以小孔隙為主，且隨著孔隙慢慢被壓縮使固化淤泥的壓縮性越來越小，從而導(dǎo)致上述現(xiàn)象。

圖3 水泥摻量為100 kg/m3的固化淤泥在不同基質(zhì)吸力下的a-p擬合曲線圖

對不同基質(zhì)吸力下固化淤泥的a-p曲線進(jìn)行相關(guān)擬合，擬合公式為：

(1)

式中：

a——壓縮系數(shù)；

p——固結(jié)壓力；

b0、b1、b2、b3——擬合參數(shù)。

表2為擬合曲線的擬合參數(shù)。由圖3、表2可知，本次擬合具有較高相關(guān)度，相關(guān)公式能較好反映壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力變化的趨勢。

表2 固化淤泥的a-p曲線的擬合參數(shù)表

由圖4可知，固化淤泥的壓縮指數(shù)、回彈指數(shù)隨基質(zhì)吸力的增大而減小。造成這種現(xiàn)象的原因主要是基質(zhì)吸力可增強(qiáng)固化淤泥的土骨架，且在未達(dá)到固化淤泥殘余含水率之前，基質(zhì)吸力越大，增強(qiáng)效果越明顯，固化淤泥的壓縮性越小。水泥摻量為100 kg/m3的固化淤泥，由于水泥摻量較低，結(jié)構(gòu)性較弱，在固結(jié)壓力作用下，產(chǎn)生了較大的壓縮變形，儲存了較大的彈性勢能，卸除固結(jié)壓力后，土骨架產(chǎn)生的回彈量較大，且基質(zhì)吸力越大，固化淤泥的土骨架越強(qiáng)；在固結(jié)壓力下發(fā)生的壓縮越小，儲存的彈性勢能越小，卸除壓力后，土骨架回彈量越小，回彈指數(shù)越小(文中所求的壓縮指數(shù)為e-lgp曲線屈服后的斜率)。

圖4 基質(zhì)吸力對固化淤泥壓縮指數(shù)和回彈指數(shù)的影響曲線圖

3 結(jié)語

文章以固化后的淤泥為研究對象，對不同基質(zhì)吸力的固化淤泥進(jìn)行非飽和固結(jié)試驗(yàn)，探討了基質(zhì)吸力對固化淤泥壓縮特性的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1)固化淤泥的壓縮性與基質(zhì)吸力有關(guān)?；|(zhì)吸力越大，固化淤泥的壓縮性越小。

(2)水泥摻量為100 kg/m3的固化淤泥在不同基質(zhì)吸力下的Δe-p曲線主要分為四個(gè)階段，分別為上升階段、下降階段、再上升階段及再下降階段。前兩個(gè)階段主要與大孔隙被壓縮有關(guān)，后兩個(gè)階段與中小孔隙被壓縮有關(guān)。

(3)固化淤泥的屈服應(yīng)力與基質(zhì)吸力有關(guān)?；|(zhì)吸力增大，固化淤泥的屈服應(yīng)力均增大。固化淤泥的壓縮系數(shù)隨固結(jié)壓力的增大，先增大后減小，且壓縮系數(shù)與固結(jié)壓力之間有較好的擬合關(guān)系。