新型土體固化劑加固海底淤泥力學(xué)特性研究

李光耀，張 振，葉觀寶，單衛(wèi)良，舒 歡

（1.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系, 上海 200092；2.上海寶粉材料科技有限公司,上海 200000；3.金茂蘇皖企業(yè)管理（天津）有限公司, 江蘇 南京 210003）

將化學(xué)固化劑與土體進行原位或異位攪拌形成固化土可有效改善土體工程性質(zhì)，如提高土體的強度和抗?jié)B性能、減少土體變形[1-2]。迄今為止，水泥仍是最常用的土體固化劑[3-4]。然而，水泥工業(yè)不僅需要消耗大量石灰石和黏土等自然資源，而且生成過程中排放的粉塵和廢氣嚴重影響環(huán)境和健康。因此，研發(fā)新型固化劑以減少或替代水泥一直是研究的熱點，具有重要的工程價值和社會意義。

近年來，眾多學(xué)者將土體固化劑的研發(fā)思路投向了以工業(yè)固廢為主的原料，這是將工業(yè)固廢充分資源化利用的有效途徑[5-6]。方祥位等[7]研究了GT 型土體固化劑在加固土體時的工程性質(zhì)。Sun 等[5]通過混合一定比例的脫硫石膏、鋼渣和爐渣形成一種新型固化劑。王子帥等[8]通過相關(guān)試驗對工業(yè)廢渣協(xié)同水泥加固土體的抗硫酸鹽侵蝕性能進行了研究。張小芳等[9]研究揭示了水泥-礦渣-粉煤灰的固化機理。

GS 固化劑是一種以煉鋼產(chǎn)生的工業(yè)廢渣為主要原料（固廢質(zhì)量分數(shù)達70%以上）、采用碾磨工藝、經(jīng)過材料適應(yīng)性試驗而研制的應(yīng)用于軟土加固的綠色固化材料，并已成功應(yīng)用于工程實踐中[10-11]。葉觀寶等[12]、Ye 等[13]研究了GS 固化劑加固上海第③層、第④層軟土的工程力學(xué)特性，研究表明，在相同摻量和齡期下，GS 固化土的室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度是水泥土的1.3～2.1 倍，現(xiàn)場標(biāo)貫擊數(shù)是水泥土的1.8～2.3 倍。隨著我國海洋強國戰(zhàn)略的實施，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也向海洋進軍。海底淤泥具有特殊的土性特點，其固化研究尚處于起步階段。

本文開展了GS 固化劑加固海底淤泥的應(yīng)用研究。以香港某工程海底淤泥為加固對象，對比分析了GS 固化劑和水泥的摻量、齡期對固化土無側(cè)限抗壓強度的影響，并建立了回歸模型，提出了GS 固化劑加固海底淤泥的強度預(yù)測方法。

1 試驗材料及方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自香港某工程海相沉積土（海底淤泥），現(xiàn)場取土、密封管密封后運輸至實驗室。土樣呈流塑狀態(tài)，含水量高，灰黑色，含有很少量的細砂并夾雜著一些貝殼碎片，有異味。其主要物理力學(xué)和化學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1。試驗采用GS 固化劑和P·O42.5 水泥作為土體固化劑，兩者的主要性能指標(biāo)見表2。

表1 海底淤泥土性指標(biāo)Table 1 Soil properties of submarine soft soil

表2 GS 固化劑與水泥性能指標(biāo)Table 2 Performance indices of GS agent and cement

1.2 試驗方案與試驗步驟

采用無側(cè)限抗壓強度試驗研究固化劑摻量和齡期對固化土加固效果的影響。依據(jù)《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)[14]，一般工程中固化劑的摻量在10%～20%，因此試驗中GS 固化劑和水泥的摻量選擇10%、15%、20%，試驗齡期選擇14，28，56，90 d。參考工程實踐，并通過室內(nèi)流動度試驗，水灰比確定為1.0。

將試驗土風(fēng)干、人工搗碎、過5 mm 篩網(wǎng)，使用攪拌棒將過篩后的土粉與指定的固化劑（GS 固化劑或水泥）充分混合，添加所需的水到混合物中并用電動攪拌機快慢交替攪拌10 min 后，將漿液倒入50 mm×50 mm×50 mm 的立方體試件模具中，放在振動臺上振動密實去除氣泡和氣穴，振動密實后的固化土混合料應(yīng)高出試模的上部沿口；試模上部沿口多余的固化土用刮刀刮除并抹平，然后蓋上塑料薄膜。試塊應(yīng)在成型24 h 后利用在試模底部留出的氣孔處使用氣槍拆模，放入養(yǎng)護室（室溫25 °C±1 °C 和濕度大于95%）中養(yǎng)護到所需要的齡期（14，28，56，90 d）。

借助壓式萬能試驗機進行無側(cè)限抗壓強度試驗，采用應(yīng)力控制，以0.15 kN/s 的速度均勻連續(xù)施加荷載。每組6 個試件，取測試強度的算術(shù)平均值作為該組試塊的無側(cè)限抗壓強度值。為便于辨識，試驗組采用C/GSX-Yd 標(biāo)注，其中C 代表水泥，GS 代表GS 固化劑，X 代表摻量，Yd 代表齡期。例如，GS10-14d 即為GS 固化劑摻量10%、齡期14 d 的試驗組。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖1 為不同齡期下固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖1 可知，無論何種固化劑及摻量，海底淤泥固化土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要分為3 個階段：第1 階段，應(yīng)力隨著應(yīng)變線性增長；第2 階段，隨應(yīng)變增加，應(yīng)力的增長速率逐漸減緩，直至應(yīng)力達到峰值（抗壓強度）；第3 階段，應(yīng)力隨應(yīng)變增加迅速降低，并漸趨近于穩(wěn)定值（殘余強度）。同時，在齡期較小時（14，28 d），固化土需應(yīng)變增至4%～5%達到峰值應(yīng)力，且峰值后的殘余階段應(yīng)力下降幅度較小且平緩；隨著齡期的增長，固化效果逐漸顯著，試樣在應(yīng)變2%～3%達到峰值應(yīng)力，且峰值后的殘余階段應(yīng)力大幅快速下降。在相同的固化劑摻量下，隨著齡期增長固化土趨于脆性破壞。從圖中可知，GS 固化土強度明顯高于水泥土。

圖1 不同固化劑摻量下固化土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.1 Stress-strain curves of the stabilized soil in different binder contents

2.2 無側(cè)限抗壓強度

圖2 為固化土無側(cè)限抗壓強度隨齡期和固化劑摻量的變化曲線。由圖2（a）可知，2 種固化土的強度隨齡期增加變化趨勢基本一致，且呈非線性增長。在固化早期，兩者無側(cè)限抗壓強度有著顯著的增加，之后強度增加變緩，但是GS 固化土的強度提高相比于水泥土更加明顯。如圖2（b）所示，GS 固化土的無側(cè)限抗壓強度隨摻量的增加逐漸增大，增長趨勢與水泥土類似，但增長速率更大。

圖2 無側(cè)限抗壓強度變化規(guī)律Fig.2 Changes of the unconfined compressive strength

為進一步分析GS 固化劑的加固效果，計算相同齡期、相同摻量下，GS 固化土與水泥土的無側(cè)限抗壓強度比。從表3 可知，強度提高比在2.03～2.91 之間。通過以上分析表明，GS 固化劑加固海底淤泥的早期強度高、強度增長快，達到相同強度用量更少，其加固效果優(yōu)于水泥。

表3 無側(cè)限抗壓強度提高比Table 3 Improvement ratio of the unconfined compressive strength

2.3 彈性模量

無論是水泥土還是GS 固化土，應(yīng)力-應(yīng)變曲線都表現(xiàn)為非線性，通常取E50，即原點與無側(cè)限抗壓強度的一半的連線斜率評價固化土的彈性模量。已有研究發(fā)現(xiàn)加固土的無側(cè)限抗壓強度qu與彈性模量E50存在線性相關(guān)關(guān)系[15]。如圖3 所示，2 種不同固化劑加固土的數(shù)據(jù)點大體分布在三角區(qū)域內(nèi)，且上、下限范圍如式（1）（2）所示。GS 固化土E50與qu的關(guān)系與水泥土基本一致。

圖3 彈性模量與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系Fig.3 Relationship between the elastic modulus and unconfined compressive strength

水泥土：

GS 固化土：

3 力學(xué)性能預(yù)測方法

3.1 方法的建立

已有文獻及經(jīng)驗公式表明[16-17]，2 個不同條件下的水泥土無側(cè)限抗壓強度之比與其齡期之比和摻量之比呈冪函數(shù)的關(guān)系：

式中：qu—無側(cè)限抗壓強度；

aw—固化劑摻量；

T—齡期，下標(biāo)1 和2 表示2 種條件；

α，β—待確定的參數(shù)。

由前文可知，GS 固化土和水泥土的無側(cè)限抗壓強度曲線關(guān)系變化趨勢一致，本文通過對式（3）取兩邊的自然對數(shù)轉(zhuǎn)換為線性函數(shù)等式之后，使用線性擬合確定參數(shù)α和β分別為1.08 和0.40，相關(guān)系數(shù)為0.96。圖4 為線性擬合結(jié)果。

圖4 無側(cè)限抗壓強度的數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.4 Fitting results of the unconfined compressive strength

為在實際工程中便于設(shè)計使用，將式（2）轉(zhuǎn)換為圖5 所示的設(shè)計圖表。當(dāng)已知某特定摻量和齡期的GS 固化土無側(cè)限抗壓強度時，可根據(jù)以下步驟快速預(yù)測任一摻量和齡期的GS 固化土無側(cè)限抗壓強度：

圖5 設(shè)計圖表Fig.5 Design chart

步驟1：從實驗室試驗或先前的研究中獲得GS 固化劑摻量為aw2、齡期為T2的GS 固化土的qu2。

步驟2：根據(jù)設(shè)計要求，確定考查齡期T1，初步確定GS 固化土的設(shè)計摻量aw1。

步驟3：計算aw1/aw2和T1/T2。

步驟4：借助設(shè)計圖表（圖5），計算qu1。

步驟5：如不滿足設(shè)計的強度要求，改變固化劑摻量，重復(fù)步驟2～4。

3.2 方法的驗證與應(yīng)用

由圖6 可知，預(yù)測的無側(cè)限抗壓強度與試驗值均在45°線附近，說明式（3）的預(yù)測結(jié)果具有較好的可靠性。

圖6 計算結(jié)果與實測結(jié)果對比Fig.6 Comparison of the predicted and measured values

根據(jù)試驗結(jié)果，已知齡期14d、摻量15%的GS 固化土無側(cè)限抗壓強度qu2為2.41 MPa。如采用設(shè)計圖法預(yù)測齡期為56d、摻量為15%的GS 固化土無側(cè)限抗壓強度qu1，通過設(shè)計圖可以得到qu1為4.25 MPa。將aw1=15%、aw1=15%、T1=56 d、T2=14 d、qu1=2.41 MPa代入式（3）中，計算得到qu1為4.20 MPa。因此，借助設(shè)計圖可快速地確定GS 固化土的無側(cè)限抗壓強度。

4 結(jié)論

（1）GS 固化土表現(xiàn)為應(yīng)變軟化規(guī)律。固化土無側(cè)限抗壓強度隨齡期增加，增長速率逐漸減小，隨摻量增加強度呈線性增加。相同齡期和摻量下，GS 固化土與水泥土的無側(cè)限抗壓強度比在2.03～2.91。

（2）加固土的無側(cè)限抗壓強度qu與彈性模量E50存在線性相關(guān)關(guān)系，GS 固化土E50與qu的關(guān)系與水泥土基本一致。

（3）通過建立回歸模型提出了GS 固化劑加固海底淤泥的強度預(yù)測方法，并繪制了設(shè)計圖，通過與試驗數(shù)據(jù)對比驗證了方法的可靠性。借助設(shè)計圖可快速地確定GS 固化土的無側(cè)限抗壓強度。