大連臨空產(chǎn)業(yè)園淤泥固化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段研究

王浩, 趙杰, 王桂萱, 陳雪峰, 閆瑾

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 大連 116622)

0 引言

隨著中國填海造陸的發(fā)展和港口航道治理的現(xiàn)實(shí)需求,淤泥的資源化利用研究越來越被學(xué)者所重視[1]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)淤泥固化土力學(xué)特性進(jìn)行了大量的研究,Broms等[2]研究了水泥摻量與水泥固化土的強(qiáng)度的關(guān)系。黃英豪等[3]借助于常規(guī)力學(xué)試驗(yàn),通過與重塑土作比較,探討了在不同水泥摻量下,固化土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化情況。程福周等[4]借助于正交試驗(yàn),對(duì)不同的固化劑及外加劑進(jìn)行雙摻或多摻試驗(yàn),研究了不同的摻料和齡期對(duì)固化土的強(qiáng)度的影響。何毅等[5]提出了疏浚泥半固化處理方法,并通過擊實(shí)試驗(yàn)和UCS試驗(yàn)研究了不同水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期與擊實(shí)強(qiáng)度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系。楊小玲等[6]以水泥作為主固化劑,通過添加粉煤灰、減水劑,以及鋁酸鈣和鈣基膨潤土等外摻劑固化淤泥質(zhì)土。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明復(fù)合固化劑的摻入有利于強(qiáng)度提高。陳劍平等[7]研究了大連灣地區(qū)吹填淤泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系,并指出試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為雙曲線關(guān)系。同時(shí)將主應(yīng)力差的漸進(jìn)值去歸一化試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,由此建立大窯灣淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變歸一化方程。上述試驗(yàn)多在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,對(duì)淤泥固化土的工程適用性能評(píng)價(jià)有一定的局限性。國內(nèi)目前已有淤泥固化實(shí)際案例中試研究,黃朝煊[8]通過設(shè)置不同的固化劑配合比和不同現(xiàn)場(chǎng)淤泥堤基礎(chǔ)處理方式,研究淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律及對(duì)機(jī)理進(jìn)行了解釋。路洋等[9]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),通過選用不同的固化材料和控制摻入比,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)填筑地基的承載力與室內(nèi)試驗(yàn)的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。

國外現(xiàn)階段已有較多的實(shí)際工程應(yīng)用案例。例如日本將水泥固化土用在名古屋中部國際機(jī)場(chǎng)造島工程中[10],新加坡在德光島填海造地工程中使用了水泥固化淤泥土作為筑島材料[11],日本在名古屋港第3PI填筑工程使用水泥固化土作為護(hù)岸、筑堤材料[12]。

本文依托大連臨空產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目,該工程填海造地21 km2,建設(shè)過程中產(chǎn)生了大量的淤泥無處安放,同時(shí)填海需要大量的山皮土,周圍已無可開挖的山體。如何把淤泥轉(zhuǎn)化為可使用的回填土成為了解決這一矛盾的主要問題?；谶@一現(xiàn)實(shí)需求,本文開展了大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地淤泥固化的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段研究。通過自主研發(fā)的淤泥固化設(shè)備,在現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地對(duì)淤泥進(jìn)行固化,通過工程鉆探取得試驗(yàn)樣品進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)和UCS試驗(yàn)等一系列試驗(yàn),綜合評(píng)價(jià)淤泥固化土的工程適用性能。并對(duì)大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造陸工程內(nèi)建設(shè)的淤泥地基進(jìn)行數(shù)值模擬分析,驗(yàn)證淤泥固化土處理護(hù)岸地基的可行性。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)用淤泥取自大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造陸納泥區(qū),測(cè)定了試驗(yàn)淤泥用土的常規(guī)物理指標(biāo)見表1。

表1 金州灣淤泥物理性質(zhì)指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)所用固化劑由水泥熟料、高爐礦渣粉、石膏粉按照一定的比例的質(zhì)量比組成,淤泥固化劑配合比如圖1所示,固化劑的密度為1 680 kg/m3。

圖1 淤泥固化劑配合比

在項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用3個(gè)復(fù)合固化劑摻和比例,分別為10%、13%、16%。3種比例均為固化劑干質(zhì)量與現(xiàn)場(chǎng)淤泥置換之后的干質(zhì)量之比,試驗(yàn)用水選用大連灣海水。

1.2 試驗(yàn)段場(chǎng)地

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地選在大連海上臨空產(chǎn)業(yè)園填海造陸工程納泥區(qū)地基處理試驗(yàn)區(qū),在試驗(yàn)區(qū)挖底寬尺寸長×寬為18.0 m×31.3 m，上口尺寸長×寬為26.0 m×39.3 m，邊坡坡度1∶1.5,深度為3.2 m的試驗(yàn)槽,可容納淤泥固化土為2 500 m3,鋪設(shè)土工膜做防滲處理,注入混合比淤泥固化材料,中間使用鋼管及木擋板做格擋,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分為3個(gè)試驗(yàn)區(qū),每個(gè)試驗(yàn)區(qū)分3份,試驗(yàn)槽示意圖如圖2所示。

圖2 淤泥固化土試驗(yàn)槽示意圖

1.3 自主研發(fā)設(shè)備

本次的現(xiàn)場(chǎng)淤泥固化采用自主設(shè)計(jì)的淤泥固化設(shè)備如圖3所示。該設(shè)備具有淤泥自動(dòng)振動(dòng)過濾、自動(dòng)攪拌、自動(dòng)輸送、流量計(jì)量,濕度監(jiān)測(cè)、氣控、固化劑儲(chǔ)存器、固化劑自動(dòng)上料、固化劑自動(dòng)加料、固化劑噴射、淤泥被動(dòng)、自動(dòng)定量供水、電控等系統(tǒng)。通過PLC控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)過濾掉淤泥中的雜質(zhì),儲(chǔ)存淤泥固化劑,自動(dòng)添加適量的固化劑、增加水量、攪拌。

圖3 自主研發(fā)的淤泥固化設(shè)備

該設(shè)備運(yùn)送到淤泥固化場(chǎng)地后即可開展作業(yè),單臺(tái)設(shè)備處理效率在大連海上機(jī)場(chǎng)試驗(yàn)段可達(dá)到60 m3/h,處理成本可控制在80元/m3以內(nèi)。本次試驗(yàn)的固化劑采用水泥、高爐礦渣粉及激活劑等材料配置而成,固化劑添加量在75～95 kg/m3,平均添加量為80 kg/m3。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)流程圖如圖4所示。

圖4 大連海上臨空產(chǎn)業(yè)園淤泥固化中試施工流程圖

1.4.1 現(xiàn)場(chǎng)澆筑淤泥固化土力學(xué)性能室內(nèi)試驗(yàn)

淤泥固化土澆筑完成之后,養(yǎng)護(hù)至一定齡期,在淤泥固化土澆筑的第7、14、28、60、90、180、360 d時(shí)現(xiàn)場(chǎng)采用輕便型鉆機(jī)獲取完整性、均勻性較好的淤泥試樣,在室內(nèi)加工成標(biāo)準(zhǔn)試件,進(jìn)行相應(yīng)UCS試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)。試驗(yàn)均按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[13]進(jìn)行。

1.4.2 淤泥固化土凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)試樣取自現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)28 d之后的淤泥固化土,放置在凍融循環(huán)箱內(nèi)進(jìn)行相關(guān)凍融循環(huán)試驗(yàn)?？紤]到大連的氣候?yàn)榕瘻貛О霛駶櫞箨懶约撅L(fēng)氣候,所以本次試驗(yàn)使用一次氣凍方法,在最低溫度-5 ℃保持12 h,在15～20 ℃的水中融化12 h,24 h為一個(gè)凍融循環(huán)。

1.4.3 淤泥固化土原位平板載荷試驗(yàn)

在淤泥固化現(xiàn)場(chǎng),自然養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí),分別對(duì)1#-③、2#-⑦、3#-⑤試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行進(jìn)行原位平板載荷試驗(yàn),試驗(yàn)按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[14]進(jìn)行,其中載荷板的面積使用0.5 m2的方形承壓板。淤泥固化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)布置及成型后的淤泥固化土如圖5所示。

圖5 大連臨空產(chǎn)業(yè)園淤泥固化現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置及成型后的淤泥固化土

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1.1 固化劑摻入比對(duì)強(qiáng)度的影響

淤泥固化土的強(qiáng)度隨著固化劑摻入比的增加呈現(xiàn)出增長趨勢(shì)如圖6所示。由圖可見，淤泥固化土強(qiáng)度的增長趨勢(shì)并不都是線性增長,在高齡期的時(shí)候,這種非線性更明顯。隨著齡期的延長,各個(gè)摻入比下土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度差值也在逐漸增大。這是因?yàn)殡S著齡期的延長,淤泥和固化劑反應(yīng)產(chǎn)生的產(chǎn)物在逐漸的增加,對(duì)淤泥的固化作用更明顯。

圖6 淤泥固化土的強(qiáng)度增長規(guī)律曲線

隨著固化劑摻入比的增加,同一齡期的淤泥固化土的強(qiáng)度也不同,且在固化劑摻入比從10%提升到13%的強(qiáng)度增長速度明顯低于固化劑摻入比從13%提升到16%的。在7 d的時(shí)候,固化劑摻入比從10%變化為13%時(shí),其強(qiáng)度從0.106 0 MPa提高到0.134 6 MPa,提高了26.9%。固化劑摻入比從13%提高到16%時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度從0.134 6 MPa提高到0.219 4 MPa,提高了63%。到360 d的時(shí)候,不同固化劑摻入比下的強(qiáng)度分別提高了25%、47.5%。

2.1.2 齡期對(duì)淤泥固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

如圖7所示,在不同固化劑摻入比下,其強(qiáng)度增長曲線隨著齡期的增長而呈現(xiàn)相似的對(duì)數(shù)函數(shù)類型。對(duì)淤泥固化土的長期強(qiáng)度增長規(guī)律進(jìn)行擬合,擬合公式為

圖7 淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu隨著齡期的增長曲線

qD=kilnD+mi，

(1)

式中：ki和mi都是與本文固化劑摻入比相關(guān)的系數(shù)；D為齡期d,qD為齡期為D的淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。淤泥固化土長期強(qiáng)度擬合系數(shù)見表2。

表2 淤泥固化土長期強(qiáng)度擬合系數(shù)

對(duì)比分析3種固化劑摻入比下固化土強(qiáng)度增長曲線發(fā)現(xiàn):在90 d之前,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)出線性特征,90 d之后,其增長速率下降,但仍能增長一定的強(qiáng)度。

固化劑摻入比在16%時(shí),其qD的增長規(guī)律和固化劑摻入比在10%和13%時(shí)有較大的差距,對(duì)比圖6,可以看出在齡期為28 d淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比同齡期的摻入比為10%、13%，分別高出73.58%、40.45%,在 360 d的齡期時(shí)分別高出84.42%、47.50%,隨著齡期的增長,不同的固化劑摻量下的qu的差距仍在擴(kuò)大。ki隨著固化劑摻入比的增加在逐漸增大,但增長速度在固化劑摻入比從13%提高到16%明顯大于從10%到13%的。

為了能預(yù)測(cè)淤泥固土的長期強(qiáng)度,對(duì)本次試驗(yàn)的淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度使用28 d的強(qiáng)度作歸一化處理,并對(duì)處理結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合如圖8所示,相關(guān)公式為

圖8 淤泥固化土的qD/q28與齡期的關(guān)系

(2)

2.2 淤泥固化土的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律

取28 d齡期的淤泥固化土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),固化劑摻入比W1、W2、W3分別為10%、13%、16%，其應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律如圖9所示。

(a)W1=10%

從圖9可以看出,隨著固化劑的摻量的增加,淤泥固化土的應(yīng)力應(yīng)變曲線先是呈現(xiàn)出應(yīng)力應(yīng)變硬化現(xiàn)象如圖9(a)所示,而后又表現(xiàn)出應(yīng)力應(yīng)變軟化現(xiàn)象如圖9(b)、9(c)所示。

圖9(a)所示的淤泥固化摻量在10%,該曲線可分為2個(gè)階段:第1個(gè)階段從起始點(diǎn)到到達(dá)峰值,隨著應(yīng)變的增大,主應(yīng)力差(σ1-σ3)也在增大,第2個(gè)階段主應(yīng)力差并沒有隨著淤泥固化土應(yīng)變?cè)龃蠖龃?而是保持基本不變的狀態(tài),展示出淤泥固化土的塑性流動(dòng)性質(zhì)。

圖9(b)、9(c)曲線可分為3個(gè)階段:第1個(gè)階段為起始點(diǎn)到達(dá)峰值點(diǎn),主應(yīng)力差隨著應(yīng)變的增大而出現(xiàn)快速上升趨勢(shì),其中在圍壓較高時(shí)主應(yīng)力差初始階段增幅較緩,隨后增幅較陡,峰值點(diǎn)(σ1-σ3)f隨著圍壓的增大而增大。如圖9(b)所示在σ3=300 kPa比σ3=200 kPa和σ3=100 kPa分別高出16%和33%,且隨著圍壓的逐步增大,其峰值處的應(yīng)變也在增大。第2個(gè)階段為主應(yīng)力差到達(dá)峰值點(diǎn)之后,曲線緩慢下降到殘余強(qiáng)度點(diǎn)階段。該階段明顯的特征是應(yīng)變?cè)谠黾?但主應(yīng)力差在減小。第3個(gè)階段為殘余強(qiáng)度變形階段,在該階段主應(yīng)力差隨著應(yīng)變有小幅度的減小,但總體上保持平穩(wěn)。在該階段可以看出在較高的圍壓下淤泥固化土有較高的殘余變形強(qiáng)度。與淤泥固化劑摻入比在13%相比,淤泥固化土在固化劑摻入比為10%的時(shí)候,主應(yīng)力差值整體較低,這是因?yàn)楣袒瘎┲兴鄵饺肓窟^少,固化劑摻入量在淤泥固化土強(qiáng)度增長的閾值附近,即仍然處于水泥固化土強(qiáng)度增長的非活性區(qū),在淤泥中生成的膠結(jié)物并不能把淤泥中的土顆粒有效的連接在一起,但少量的顆粒會(huì)被連接在一起,表現(xiàn)出一定的強(qiáng)度[15]。

隨著固化劑摻入比從10%到13%的提高,相同圍壓下淤泥固化土的主應(yīng)力差峰值差值((σ1-σ2)f)d分別提升了174%、188%、202%。與固化劑摻量在13%相比,固化劑摻量在16%時(shí),同一圍壓下淤泥固化土的((σ1-σ3)f)d分別提升了45%、38%、23%,這與固化劑摻量從10%提高到13%時(shí)相比,((σ1-σ3)f)d增幅降緩。這與固化劑摻量有關(guān),在固化劑摻量進(jìn)入活性范圍內(nèi),土顆粒與固化劑反應(yīng)充分進(jìn)行,膠結(jié)物質(zhì)增多,在一定的圍壓作用下,雖然土顆粒之間的孔隙被擠壓,部分土顆粒重新排列；但由于淤泥固化土顆粒抱團(tuán)存在,膠結(jié)物質(zhì)結(jié)構(gòu)改變困難,因此淤泥固化土的((σ1-σ3)f)d有所提高。

如圖9(b)、9(c)所示,淤泥固化土的主應(yīng)力差峰值跟圍壓是正相關(guān)。為了考察不同圍壓下主應(yīng)力差值的變化情況,將9(b)中圍壓為100、200、300 kPa下的主應(yīng)力差值峰值通過線性擬合在一起,擬合曲線如下圖10所示,其中R2=0.995 3,即淤泥固化土的主應(yīng)力差峰值是呈線性增長的。

圖10 主應(yīng)力差峰值隨淤泥固化土圍壓變化

如圖9(b)所示,在圍壓逐漸增大的過程中,淤泥固化土的主應(yīng)力差值也在逐漸增大,這是因?yàn)樵谝欢ǖ膰鷫合?淤泥固化土的空隙被壓縮的同時(shí),土顆粒原有的連接結(jié)構(gòu)和由固化劑摻入生成的膠結(jié)結(jié)構(gòu)都受到破壞,即淤泥固化土的結(jié)構(gòu)得到重塑,使得淤泥固化土顆粒排列更為緊密,淤泥固化土結(jié)構(gòu)更為密實(shí),相應(yīng)的強(qiáng)度得到提高,在高圍壓下這一過程更為顯著。

對(duì)比圖9(a)、圖9(b)、圖9(c),在固化劑摻量在10%到16%的范圍內(nèi),淤泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線先是呈現(xiàn)出應(yīng)變硬化,然后發(fā)展成為了應(yīng)變軟化,這與文獻(xiàn)[16]采用鎂質(zhì)水泥外加一些水玻璃、熟料、硅灰外加劑組成的固化劑固化淤泥的應(yīng)力-應(yīng)變規(guī)律是一致的。

2.3 淤泥固化土黏聚力和內(nèi)摩擦角

淤泥固化土的黏聚力(c)和內(nèi)摩擦角(φ)主要受固化劑摻入比的影響。28 d齡期的固化土的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 固化劑摻入比對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響

由圖11可知,隨著固化劑摻入比的增加,c呈現(xiàn)線性增長,對(duì)c隨著固化劑摻入比增加的變化曲線進(jìn)行了簡單分析,其擬合公式為

c=7.1Wi-31.76,

(3)

式中：c為黏聚力；Wi為固化劑摻入比。

黏聚力在淤泥固化土中的增長曲線主要受到水泥的水化產(chǎn)物的影響,隨著淤泥固化劑的摻入量的增多,水泥熟料、高爐礦渣粉、石膏粉和淤泥的相互作用越明顯,產(chǎn)生的水化產(chǎn)物越多,土體的整體性越強(qiáng),反映到抗剪強(qiáng)度參數(shù)上就是固化土的黏聚力越大。

與c所不同是φ隨固化劑摻入比的變化卻呈現(xiàn)出非線性的增長。由圖11可以看出φ的增速隨著固化劑摻入比的提高在降低,其中固化劑從10%提升到13%的φ提高了2.13倍,但是從固化劑摻入比13%提升到16%,φ提高了23%,增速降低了89.2%。φ在淤泥固化土中主要來源于固化土顆粒的咬合作用,在淤泥固化土的強(qiáng)度增長閾值附近,淤泥固化土顆粒并沒有聚攏在一起,土顆粒本身沒有形成較高的強(qiáng)度。隨著固化劑摻入比的增加,相關(guān)產(chǎn)物增多,淤泥原土顆粒被聚攏在一起,形成固化的小顆粒團(tuán)體,且小顆粒本身的強(qiáng)度也隨著齡期增長也得到增強(qiáng),固化土顆粒間的咬合作用得到明顯增強(qiáng)。從固化劑摻入比13%提高到16%時(shí),水化產(chǎn)物進(jìn)一步增多,水化產(chǎn)物吸引周圍土顆粒的半徑進(jìn)一步增大,顆粒自身的強(qiáng)度也在提高,但增長幅度有所下降,所以固化土的黏聚力雖有所增長但增長速度明顯的變慢。

2.4 淤泥固化土的質(zhì)量損失率

為了進(jìn)一步研究淤泥固化土的凍融穩(wěn)定性,本文取28 d齡期的淤泥固化土,研究在凍融循環(huán)箱內(nèi)冷凍循環(huán)200次之后淤泥固化土的質(zhì)量損失率,試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 質(zhì)量損失率和固化劑摻入比關(guān)系曲線

由圖12可知,淤泥固化土的質(zhì)量損失率隨著固化劑摻入比的增加而降低。在固化劑摻入比在13%時(shí),固化土的質(zhì)量損失率隨著取土深度的增加而降低,當(dāng)固化劑摻入比達(dá)到16%時(shí),淤泥固化土深度對(duì)其質(zhì)量損失率的影響較小。同時(shí),從圖中可以看出在取土深度在0.5～0.7 m的淤泥固化土的質(zhì)量損失率和摻入比接近線性關(guān)系,但是在取土深度在1.0～1.2、1.2～1.4 m中卻呈現(xiàn)出了非線性關(guān)系。

淤泥固化土之所以會(huì)出現(xiàn)一定的質(zhì)量損失率,是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過程中,凍脹力對(duì)淤泥固化土的顆粒聯(lián)結(jié)具有破壞作用。隨著復(fù)合固化劑的增加,淤泥土中的顆粒聯(lián)結(jié)就會(huì)越多,顆粒聯(lián)結(jié)作用也會(huì)增強(qiáng),凍脹力對(duì)顆粒聯(lián)結(jié)的破壞作用得到削弱,淤泥固化土的凍融穩(wěn)定性就越好,即質(zhì)量損失率也越低。固化劑摻入比增加到16%時(shí),淤泥固化土的顆粒膠結(jié)作用達(dá)到一定數(shù)量,試驗(yàn)槽中淤泥固化土不同取土深度下的質(zhì)量損失率趨于一致。

2.5 淤泥固化土荷載與沉降

由如圖13可知,在28 d齡期時(shí),1#-③和2#-⑦填筑坑的平板載荷P-S曲線出現(xiàn)較為明顯的折線段,而3#-⑤填筑坑的P-S曲線規(guī)律屬于緩變型,P-S曲線有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載值為承載力特征值[14],可知fa,1#-③=220 kPa,fa,2#-⑦=250 kPa；3#-⑤填筑坑的P-S曲線上的無明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),可參考相對(duì)沉降控制法,取s/b=0.01-0.015(s為沉降量,b為承壓板的寬度)對(duì)應(yīng)的載荷為該地基承載力特征值[14],即取沉降值在7 mm時(shí)的載荷值為承載力特征值,則fa,3#-⑤=290 kPa,且小于最大荷載量的1/2(600 kPa)。由圖13和圖14可知,隨著固化劑摻量的增加,在相同載荷的作用下,各試驗(yàn)區(qū)的沉降值也在減小,但是能明顯看出,固化劑摻量在16%時(shí),沉降值最小,說明較高摻入比的復(fù)合固化劑能明顯改善淤泥地基的承載力。固化劑摻量越多,淤泥固化土反應(yīng)越充分,土顆粒聯(lián)結(jié)也就越多,生成的土骨架也就越穩(wěn)定,因此承載力特征值越高。目前國內(nèi)對(duì)淤泥固化土的地基承載力預(yù)測(cè)公式的研究相對(duì)匱乏,這是因?yàn)槟壳坝倌喙袒恋墓袒瘎┎牧喜煌?得出的經(jīng)驗(yàn)公式也不盡相同[17-18]。為了方便應(yīng)用于工程參考,這里使用線性關(guān)系擬合淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與地基承載力特征值,可以得到fak=0.437 6quk+130.51(R2=0.985)。

圖13 各填筑坑28 d的平板載荷試驗(yàn)P-S曲線

圖14 各填筑坑28 d的平板載荷試驗(yàn)lg P-S曲線

3 具體工程應(yīng)用分析

以大連臨空產(chǎn)業(yè)園東護(hù)岸為背景,研究淤泥固化土在工程中的應(yīng)用。該護(hù)岸截面如圖15所示。固化土的材料參數(shù)取自本文試驗(yàn)中的淤泥固化土,其他材料的參數(shù)取自該項(xiàng)目巖土工程勘察報(bào)告。本次數(shù)值模擬對(duì)比分析了原淤泥地基、爆炸擠淤地基和固化劑回填地基的穩(wěn)定性,其中固化劑地基使用摻入比為13%的淤泥固化土。邊坡的安全性系數(shù)采用Bishop方法得出,其公式為

圖15 東護(hù)岸的某截面

(4)

由于護(hù)岸結(jié)構(gòu)為永久護(hù)岸,因此當(dāng)?shù)貓?chǎng)址地震設(shè)防烈度為7度,地震加速度峰值選取0.15 g[19]。

具體的巖土力學(xué)參數(shù)見表3,參數(shù)來源于大連臨空產(chǎn)業(yè)園填海造地工程地質(zhì)勘察報(bào)告。

表3 巖土力學(xué)參數(shù)

3種不同地基處理方式下邊坡滑弧位置如圖16所示,邊坡安全系數(shù)見表4。由圖16可以看出,與未處理地基相比,經(jīng)過爆炸擠淤和固化土處理之后的邊坡滑弧的范圍更小。同時(shí)在安全系數(shù)上,由表4可知經(jīng)過淤泥固化土換填之后的地基上邊坡的安全系數(shù)是介于未處理和爆炸擠淤中間,表明使用固化劑摻量為13%的淤泥固化土即可滿足地基穩(wěn)定性要求；但由于地基處理范圍較小,因此建議實(shí)際工程中,在保證經(jīng)濟(jì)性的前提下可以適當(dāng)?shù)臄U(kuò)大地基處理范圍。

(a)原淤泥地基

表4 不同處理方式下安全系數(shù)

4 結(jié)論

本文在大連臨空產(chǎn)業(yè)園開展了淤泥固化土試驗(yàn)段研究,總結(jié)了淤泥固化土的強(qiáng)度增長規(guī)律,并將其應(yīng)用到大連臨空產(chǎn)業(yè)園的地基穩(wěn)定性分析中,得到結(jié)論如下:

① 在齡期為28 d時(shí),固化劑摻量為16%的淤泥固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比同齡期的摻入比為10%、13%分別高出73.58%、40.45%。隨著齡期的增長,其各個(gè)固化劑摻入比下的固化土的強(qiáng)度差值也在逐漸增大。

② 固化劑摻入比在10%時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變硬化型。隨著固化劑摻入比的增加,逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變軟化。隨著圍壓的增大,主應(yīng)力差峰值逐步增大,相應(yīng)的應(yīng)變也在增大。

③ 隨著復(fù)合固化劑摻入比從10%提高到16%,內(nèi)摩擦角從3.8°增大到14.7°,黏聚力從39.3 kPa增大到81.9 kPa。

④ 通過對(duì)地基的數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn),使用固化劑摻量13%的固化土處理地基可以滿足地基穩(wěn)定性要求,為國內(nèi)淤泥土的資源化利用提供了參考。