固化淤泥土壓縮特性分析

王 波 張麗雅 李 健

(中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100048)

1 前 言

我國沿海地區(qū)分布著面積廣闊的淤泥質(zhì)海岸，約占據(jù)著1/4的海岸線，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，沿海地區(qū)的水利工程、圍海造田、港口及航道建設(shè)工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目越來越多，從而產(chǎn)生了大量淤泥。以往對淤泥進行的拋填廢棄需要大量的耕地來堆放和存儲，吹填與疏浚還產(chǎn)生了大片的淤泥地基[1-3]，環(huán)境污染和耕地浪費問題日益嚴重。因此如何安全高效地利用這類海相淤泥軟土地基成為研究重點。

在軟土地基上修建堤壩，其穩(wěn)定和沉降控制是工程建設(shè)中必然面臨的兩大問題，需要系統(tǒng)探討地基變形和穩(wěn)定的問題。海相淤泥除了具有一般軟土含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、受豎向荷載后沉降變形大、沉降持續(xù)時間長等特點外，還具有變形量大、壓縮穩(wěn)定所需時間長、側(cè)向變形較大的特點[4]，其變形參數(shù)對筑壩工程有很大影響，如影響一些南方地區(qū)長距離輸水管線等敏感工程的穩(wěn)定性[5]。

壓縮特性對淤泥地基的工程特性有重要影響，土體壓縮后滲透性減小，土體內(nèi)的土顆粒間有效應(yīng)力不斷改變，最終使強度發(fā)生變化；壓縮導(dǎo)致堤壩地基不均勻沉降，也直接影響著上部結(jié)構(gòu)使用安全和運行安全，因此系統(tǒng)研究固化淤泥的壓縮特性具有重要意義。

常用的固化劑主要有水泥、石灰等[6]，發(fā)生反應(yīng)過程中，使淤泥流態(tài)變成流塑態(tài)[7]，其中，水泥有利于提高固化淤泥的早期強度，石灰有利于降低固化淤泥的含水率[8]。固化劑類別和摻量對淤泥的固化效果有重要影響。國內(nèi)現(xiàn)有淤泥固化的報道多集中在固化材料對固化淤泥強度的影響等方面，國外的研究多關(guān)注固化淤泥的壓縮屈服特性[9]及壓縮特性的評價[10,11]等方面，而對于高含水率沉積淤泥壓縮特性的系統(tǒng)研究報道不多。

本文以唐山南堡典型濱海沉積淤泥為研究對象，開展了不同固化劑種類及摻量的室內(nèi)壓縮試驗，對比分析了水泥、石灰及粉煤灰等固化劑在單摻情況下的固化效果，探討固化強度及其影響因素，為提高淤泥固化效果積累研究經(jīng)驗。

2 試驗方案設(shè)計

2.1 試驗材料

本次試驗采用取自唐山市南堡開發(fā)區(qū)南堡五支隊南側(cè)濱海平原的典型原狀濱海沉積淤泥，取樣地點位于東經(jīng)118°8′2″、北緯39°10′11″，原狀淤泥取樣現(xiàn)場情況如圖1所示。

圖1 淤泥取樣現(xiàn)場情況

固化劑選用粉煤灰、水泥、生石灰等3種材料，其中粉煤灰取自北京石景山熱電廠的龍口灰場；水泥為河北燕新建材集團有限公司生產(chǎn)的“鉆牌”32.5級復(fù)合硅酸鹽水泥；生石灰粉購于北京建材市場；吸水樹脂為宜興市可信的化工有限公司生產(chǎn)的SAP高分子吸水性樹脂。

唐山南堡濱海沉積淤泥屬于典型海相土，是一種以粉質(zhì)黏土為主的結(jié)構(gòu)性軟土，呈暗黃黑色，烘干后泛白，且在土中夾雜了微量的貝殼及樹葉等有機質(zhì)，其顆分曲線如圖2所示。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL 237—1999)對該淤泥的基本物理性質(zhì)進行了測試，實測淤泥試樣的各項物理性質(zhì)指標(biāo)見表1。可以看出，原狀淤泥的天然密度為1.56g/cm3，含水率為69.21%，遠大于液限26.82%。

表1 唐山南堡濱海淤泥基本物理性質(zhì)

2.2 試驗設(shè)備

試驗采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的WG型三聯(lián)單杠桿固結(jié)儀，固結(jié)容器主要有環(huán)刀、護環(huán)、透水板、加壓上蓋和量表架、加壓設(shè)備、百分表、調(diào)土刀、鋼絲鋸、天平及秒表等，測力環(huán)百分表采用德國麥思德高精度數(shù)顯千分表。設(shè)備如圖3所示。

圖3 WG型三聯(lián)單杠桿固結(jié)儀

2.3 試樣制備

固化試樣制備步驟如下：

a.將固化劑和淤泥試樣按試驗設(shè)計中相應(yīng)比例混合后在容器中用調(diào)土刀混合攪拌均勻，攪拌時間10min。

b.制備試樣前用環(huán)刀在其內(nèi)壁涂上一薄層凡士林，便于壓縮試驗中順利脫模。

c.在高度大于25mm的盤子上分兩層均勻攤鋪拌和物。

d.在每層均勻拌和后，在拌和物上，緩慢豎直壓入環(huán)刀。

e.用塑料薄膜覆蓋裝有試樣的盤子，并將盤子放入養(yǎng)護室養(yǎng)護。

f.靜置24h后，用刀將壓縮試驗試樣取出，削去環(huán)刀外側(cè)及兩端的固化土后，繼續(xù)放入干凈盤中在養(yǎng)護室中養(yǎng)護至相應(yīng)齡期。

制備完成后的試樣尺寸內(nèi)徑為61.8mm，高度為20mm。按加入水泥(A、B組)、生石灰(C組)、粉煤灰(D組)及對照組將試樣分為四組，各組養(yǎng)護齡期均設(shè)置為7d，見表2，保濕缸中固化淤泥養(yǎng)護情況見圖4。

表2 不同固化劑及摻比試樣分組

圖4 固化淤泥養(yǎng)護

2.4 試驗方法

為了系統(tǒng)對比摻入水泥、生石灰、粉煤灰后固化淤泥壓縮特性的改變情況，合理確定固化劑種類、摻比及組合類型就顯得尤為重要。從經(jīng)濟合理和工程效果角度出發(fā)，依據(jù)相關(guān)文獻經(jīng)驗[12-24]，將水泥、生石灰及粉煤灰的摻比分別選為10%和20%、6%、20%，并與未固化淤泥進行對比，開展了唐山濱海沉積淤泥7d齡期的固化壓縮試驗。淤泥固化試驗中摻比ξ計算公式如下：

(1)

式中mc0——摻入固化劑的質(zhì)量，kg；

ms0——被加固淤泥的濕質(zhì)量，kg。

為對比固化劑組合對固化強度的影響，試驗設(shè)計中分別考慮單摻組合。將7d齡期、相應(yīng)配比和固化劑摻量下的壓縮試驗平行試樣，在其測完密度后，按照《土工試驗規(guī)程》完成試驗，每次試驗都進行三個平行試驗。試樣在各級壓力下的固結(jié)時間為1h，固結(jié)壓力依次取12.5kPa、25kPa、50kPa、100kPa、200kPa、400kPa、800kPa、1600kPa。

3 結(jié)果分析

壓縮系數(shù)與壓縮模量是評價土體壓縮性的重要指標(biāo)，因此本文通過分析固化淤泥土的壓縮系數(shù)與壓縮模量來探討不同固化劑對其壓縮特性的影響。固化淤泥各組試樣的壓縮試驗結(jié)果見表3。

表3 固化淤泥壓縮試驗結(jié)果

(2)

式中av——壓縮系數(shù)，MPa-1；

p1、p2——固結(jié)壓力，kPa；

e1、e2——不同固結(jié)壓力下的孔隙比。

壓縮模量是基于土體線彈性模量而得到的一個指標(biāo)，即在無側(cè)向膨脹條件下，試樣垂直壓力增量與垂直應(yīng)變增量的比值，與壓縮系數(shù)間存在換算關(guān)系，見式(3)。與壓縮系數(shù)相同，通常也采用對應(yīng)于p1=100kPa、p2=200kPa時的Es值作為試樣的壓縮模量。

(3)

式中Es——壓縮模量，MPa；

s1、s2——單位沉降量，mm/m；

e0——試樣的天然孔隙比。

根據(jù)壓縮模量，土體劃分為高壓縮性(Es≤5MPa)、中壓縮性(5MPa15MPa)三類。

神經(jīng)內(nèi)外科臨床教學(xué)本身存在很多難點和重點。對于有一定基礎(chǔ)的進修醫(yī)師來說，臨床病例教學(xué)采用簡單的面授課并不能收到特別良好的效果。此外，由于人數(shù)較少，也不適于大班教學(xué)。通過帶教醫(yī)師引導(dǎo)性提出問題后，讓進修醫(yī)師作為教學(xué)中的主角，搜集資料、制作課件、共同探討的基于問題的學(xué)習(xí)（problem based learning，PBL）模式，在功能神經(jīng)外科病例教學(xué)中可發(fā)揮較大作用[5]。臨床醫(yī)學(xué)針對的是單個的患者和具體的疾病，治療疾病的過程就是發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的過程。而PBL最早就開始在醫(yī)學(xué)教學(xué)中開展，因此基于問題的學(xué)習(xí)比較適合在功能神經(jīng)外科臨床病例教學(xué)中使用[5-6]。

3.1 單摻水泥對固化淤泥壓縮性的影響

將水泥與淤泥拌和后，水泥礦物會與水分發(fā)生水解和水化反應(yīng)，通過生成水化硅酸鈣和氫氧化鈣來提高固化強度。由表3可知，對照組淤泥養(yǎng)護齡期為7d的情況下，壓縮系數(shù)為0.54MPa-1，壓縮模量為3.70MPa。而同等條件下在摻入10%和20%水泥后，試樣的壓縮系數(shù)分別降低為0.27MPa-1和0.20MPa-1，壓縮模量分別提高至7.78MPa和12.91MPa。由試驗結(jié)果并結(jié)合圖5可以看出，單摻水泥的淤泥試樣的壓縮系數(shù)比未固化試樣分別降低50.00%、70.37%，固化淤泥的壓縮性得到顯著降低，且隨著水泥摻比的增加而降低；而其壓縮模量分別提高了110.27%、248.92%，固化淤泥的抗壓強度有了明顯提高，且隨著水泥摻比的增加而增加。

圖5 對照組和單摻水泥試樣的e-p曲線對比

上述結(jié)果證明在實際工程中可適當(dāng)提高水泥摻比來改善土體的壓縮特性。

3.2 單摻生石灰對固化淤泥壓縮性的影響

將石灰與淤泥拌和后，二者主要通過發(fā)生離子交換反應(yīng)、結(jié)晶反應(yīng)、碳酸化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)等化學(xué)和物理化學(xué)反應(yīng)達到固化效果。由表3可以看出，在養(yǎng)護齡期為7d的情況下，單摻6%生石灰的淤泥試樣的壓縮系數(shù)為0.17MPa-1，壓縮模量為11.94MPa。由試驗結(jié)果并結(jié)合圖6可以看出，單摻生石灰的淤泥試樣的壓縮系數(shù)比未固化試樣降低了68.52%，固化淤泥的壓縮性同樣得到顯著降低；而其壓縮模量提高了222.70%，固化淤泥的抗壓強度也明顯增強。

圖6 對照組和單摻6%生石灰試樣的e-p曲線對比

上述試驗結(jié)果說明單摻少量生石灰可以較大程度地改善土體的壓縮特性，且在實際應(yīng)用中可以適當(dāng)增加攪拌悶料時間，使生石灰和淤泥顆粒充分反應(yīng)來達到相應(yīng)的固化強度要求。

3.3 單摻粉煤灰對固化淤泥壓縮性的影響

將粉煤灰與淤泥拌和后，由于粉煤灰具有較大的比表面積，使其具有一定的吸附能力，且粉煤灰中含有的化學(xué)物質(zhì)可使淤泥中的分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而起到固化作用[25]。表3中在養(yǎng)護齡期為7d的情況下，單摻20%粉煤灰的淤泥試樣的壓縮系數(shù)為0.43MPa-1，壓縮模量為4.62MPa。由試驗結(jié)果并結(jié)合圖7可以看出，單摻粉煤灰的淤泥試樣的壓縮系數(shù)比未固化試樣降低了20.37%，固化淤泥的壓縮性有一定程度的降低；而其壓縮模量提高了24.86%，固化淤泥的抗壓強度也有小幅增加。

圖7 對照組和單摻20%粉煤灰試樣的e-p曲線對比

上述試驗結(jié)果說明單摻適量的粉煤灰可在一定程度上改善土體的壓縮特性，但固化效果有限，在實際應(yīng)用中可以適當(dāng)增加粉煤灰的摻入比例以增加固化效果。

3.4 不同固化劑固化效果對比

將淤泥摻入上述固化劑進行固化后，其壓縮系數(shù)均顯示了不同程度的降低，其中20%水泥摻比的試樣降幅最大，相反20%粉煤灰摻比的試樣降幅最??；其壓縮模量有了不同程度的提升，其中20%水泥摻比的試樣增加248.92%，達到最大增幅，而20%粉煤灰摻比的試樣固化效果最弱。如圖8、圖9所示。

圖8 固化淤泥試樣壓縮系數(shù)降低幅度對比

圖9 固化淤泥試樣壓縮模量增加幅度對比

結(jié)果表明：未固化唐山南堡濱海沉積淤泥為高壓縮性土。以20%水泥作為固化劑固化該淤泥試樣的效果最優(yōu)，固化后其壓縮特性得到顯著改善，成為中壓縮性土。且以少量生石灰作為固化劑的淤泥試樣同樣可得到良好的固化效果，使其變?yōu)橹袎嚎s性土。而粉煤灰雖可一定程度改善淤泥的壓縮特性，但其效果有限。

若以實際工程應(yīng)用而言，大面積采用水泥、生石灰等材料固化海相淤泥，可能會造成高成本、環(huán)境污染等影響，而粉煤灰固化具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，因此對于淤泥等軟土的固化需要根據(jù)實際情況進行統(tǒng)籌考慮。

4 結(jié) 論

a.固化后的唐山南堡濱海沉積淤泥的壓縮特性都得到改善，但不同固化劑對固化淤泥壓縮特性影響的差異較為明顯，其中單摻20%水泥的固化效果最好，7d齡期固化后壓縮系數(shù)降低70.37%，壓縮模量增加248.92%，由高壓縮性土變成中壓縮性土，而單摻粉煤灰的固化效果較差。

b.固化壓縮指標(biāo)的降低，隨水泥不同量摻比的變化存在差異，采用高含水率水泥來固化淤泥可在短期內(nèi)產(chǎn)生明顯的固化效果，可取得更好的工程效果。

c.單摻生石灰對于淤泥抗剪強度指標(biāo)的提高主要在養(yǎng)護后期，因此采用單摻生石灰固化淤泥可適當(dāng)增加悶料時間以使生石灰和淤泥顆粒反應(yīng)充分。

d.在實際工程中，對于淤泥等軟土的固化需要根據(jù)實際情況結(jié)合成本、環(huán)保及固化效果等因素進行統(tǒng)籌考慮。

e.該成果對我國東部沿海地區(qū)，尤其是長三角及深圳等近海城市類似淤泥質(zhì)軟土地基的工程特性改良有一定的借鑒意義。