含泥量對砂質(zhì)土流態(tài)固化處理效果的影響研究

林泓民，白蘭蘭，彭 劼*，王成俊，李 剛

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 江蘇省 巖土工程技術(shù)工程研究中心，江蘇 南京 210098；3.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019; 4.南京市水利建筑工程檢測中心有限公司，江蘇 南京 210028)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，越來越多的高速公路、鐵路、地鐵等交通項目投入建設(shè)[1-2]，因而產(chǎn)生大量的開挖土方。開挖土的閑置不僅會影響施工現(xiàn)場的進(jìn)度與安全，同時也對城市容貌造成一定程度的損害。傳統(tǒng)棄土的做法存在造價較高、占用土地資源、環(huán)境污染等問題。廢棄開挖土的處理，是南京江北新區(qū)大面積開發(fā)建設(shè)所面臨的重要的實際工程難題之一。南京江北新區(qū)地處長三角地區(qū)，開挖土中有較多粉土質(zhì)細(xì)砂，對其進(jìn)行資源化利用具有一定的緊迫性和重要性。

近年來，將固化劑和高含水率開挖土混合處理的方法逐漸得到應(yīng)用。由于含水率較高，固化劑和開挖土混合后具有較好的流動性，因此稱之為流態(tài)固化土[3-5]。顧歡達(dá)等[6]對水泥、含水率引起待處理淤泥土的工程性質(zhì)變化進(jìn)行了研究，并通過流動性測試和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，得出經(jīng)過流動化處理后的河道淤泥具有一定的強(qiáng)度和剛度，而且處理土的強(qiáng)度可以根據(jù)工程的實際要求進(jìn)行調(diào)整；丁建文等[7]提出了將高含水率疏浚淤泥進(jìn)行流態(tài)固化處理，并進(jìn)行了流動性試驗研究。他們基于影響流動性的兩個重要因素，即初始含水率和固化材料摻量，提出了廣義水灰比的概念，建立了流動值的預(yù)測方法，并對預(yù)測公式進(jìn)行了驗證；黃英豪等[8]分別采用截錐圓模和旋轉(zhuǎn)黏度計研究了兩種淤泥和新攪拌固化淤泥的流動性和黏滯性，推導(dǎo)了屈服應(yīng)力和流動度之間的關(guān)系；陳錫[9]通過研究石粉顆粒特性對水泥砂漿流動性的影響規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，不同顆粒級配的石粉對水泥凈漿和砂漿流動性的影響程度不同，石粉顆粒越小，對漿體流動度、塑性黏度及屈服應(yīng)力的影響越顯著；以上研究大多基于淤泥土的流態(tài)固化處理，關(guān)于砂性開挖土的流態(tài)固化應(yīng)用少見報道。眾所周知，土的粒度成分是影響土體工程性質(zhì)的主要因素之一，其粒徑越小，比表面積也就越大，從而單位重量的吸水率也隨之增加。砂性土中含有一定量的泥，即粒徑小于0.075 mm的細(xì)顆粒，該類細(xì)顆粒的存在，對水泥和土拌合后的效果具有不可忽略的影響。

針對以上問題，本文結(jié)合南京橫江大道工程中的開挖土特性，通過流動度測試、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗對比了含泥量對流態(tài)固化處理效果的影響，研究了該方法在砂性土中應(yīng)用的機(jī)理、效果，對該方法的進(jìn)一步推廣提供新思路、新方法。

1 開挖土特性及處理方法的室內(nèi)試驗

1.1 試驗材料及流態(tài)固化方案

本項目中的開挖土取自于南京橫江大道，其基礎(chǔ)物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示；對于小于0.075 mm的土樣，粒度分析結(jié)果如圖1所示；土樣的粒徑分布圖如圖2所示。

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)中對土工程分類的規(guī)定，初步判定本次試驗土為粉土質(zhì)細(xì)砂。由于該土含泥量較高(15.9%)、膠結(jié)性狀差，既不能直接作為填筑材料，也無法作為細(xì)骨料使用。為了探討將其流態(tài)固化后回收利用的可行性，針對該開挖土，本文研究了含泥量對流態(tài)固化效果的影響。

首先將開挖土烘干敲碎后過篩，使得粒徑小于0.075 mm的細(xì)粒土通過振篩機(jī)分離出來；其次將細(xì)粒土摻入到分離出來的粗粒土中，細(xì)粒土的摻入量為0%、3%、6%、9%、12%。

本研究中由于開挖土為粉土質(zhì)細(xì)砂，跟水泥拌和后有離析分層現(xiàn)象，將土、水泥、水混合后放入杯中，土中水析出很明顯，水的析出不利于連續(xù)施工和處理質(zhì)量，因此需要適當(dāng)添加保水劑以防止該現(xiàn)象[10]，本試驗采用了10萬粘度的纖維素醚。

表1 土樣基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Basic physical and mechanical properties of soil samples

圖1 粒度分析結(jié)果Fig.1 Grain size analysis results

圖2 原狀土粒徑分布圖Fig.2 Size distribution map of undisturbed soil

參考原狀土，將混合后的土含水率均設(shè)置為28%。本文中的流態(tài)固化處理添加材料為水泥、水、保水劑。試驗所用的PO42.5水泥的物理性能如表2所示，其摻量與干土的質(zhì)量比分別為12%、14%、16%、18%、20%，除了土中的初始含水外，另外添加了水泥質(zhì)量的2、3倍水。每種含泥量的試樣，均進(jìn)行10組試驗，其材料配比如表3所示，保水劑均為0.1%，含泥量設(shè)置了5組(0%、3%、6%、9%、12%)，因此總的試驗數(shù)為50組。

1.2 室內(nèi)試驗

按照表3的配置方案將原狀土、水泥、水加入攪拌鍋中，隨后用水泥凈漿攪拌機(jī)攪拌，為增加混合樣均勻性，最后用攪拌刀攪拌至均勻，以備流動性測試和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。

表3 各含泥量條件下的流態(tài)固化室內(nèi)試驗配合比方案表Tab.3 Table of proportioning scheme for laboratory test of fluidic solidification under various mud content conditions

1.2.1 流動性測試

處理后的流態(tài)固化土必須具備一定的流動性，目前并無衡量流態(tài)固化土流動性的規(guī)范方法，有人采用混凝土坍落度或砂漿的流動度測試方法，但考慮到流態(tài)固化土的性質(zhì)與混凝土或砂漿差異較大，更多研究采用美國、日本的平板圓筒法[11]。將內(nèi)徑和高度為8 cm的空心亞克力玻璃圓筒澆滿流態(tài)固化土，向上提起圓筒，待其穩(wěn)定后，測量坍塌體在帶刻度光滑平板上形成的最大直徑與最小直徑的平均值，如圖3、圖4(a)所示。

1.2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

上述混合樣在攪拌后1 h內(nèi)，控制干密度一定，倒入模具內(nèi)，底部涂上凡士林，頂部用砝碼進(jìn)行預(yù)壓，制成無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣，如圖4(b)所示。試樣為直徑50 mm、高度100 mm的圓柱樣，制樣后放入恒溫恒濕箱養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度(20±3)℃，相對濕度大于95%，養(yǎng)護(hù)7 d并分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，每個試驗均有3個平行樣，采用南京泰克奧無側(cè)限抗壓儀進(jìn)行測試，荷載精度為±0.5%，加載板的速度為1.5 mm/min，可得到改良后的土體強(qiáng)度平均值。

表2 水泥的物理性能Tab.2 Physical properties of cement

圖3 平板圓筒法示意圖Fig.3 Diagram of flat cylinder method

圖4 試驗示意圖Fig.4 Test diagram

2 試驗結(jié)果

2.1 含泥量對流動性影響

圖5、圖6是上述混合樣的水灰比同為2∶1、3∶1時，不同水泥摻量下五種含泥量的流動度變化情況。總體來看，相同配比下水灰比為2∶1的混合樣與水灰比為3∶1的試樣相比，流動度較低，且不同灰土比的流動度在含泥量為6%附近存在峰值。當(dāng)含泥量從0%增加到6%時，不同灰土比的流動度增加幅度均在10%～20%之間。在實際工程中，若開挖粉砂土流動度偏低不易回填時，可適當(dāng)增加細(xì)顆粒以增加其流動性[12]。

圖5 含泥量-流動度變化(水灰比2∶1)Fig.5 Change of mud content versus fluidity (water cement ratio 2∶1)

圖6 含泥量-流動度變化(水灰比3∶1)Fig.6 Change of mud content versus fluidity (water cement ratio 3∶1)

2.2 含泥量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

圖7、圖8是混合樣的水灰比同為2∶1時，不同水泥摻量下5種含泥量的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化情況?？傮w來看，相同配比下水灰比為2∶1的混合樣與水灰比為3∶1的試樣相比，強(qiáng)度較高，且不同灰土比的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在含泥量區(qū)間內(nèi)先增加后減小。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在相同含泥量下隨著灰土比增大而增大，其中水泥水化的產(chǎn)物對7 d強(qiáng)度貢獻(xiàn)很大[13]。當(dāng)含泥量從0%增加到6%時，不同灰土比的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加幅度均在20%～40%之間。在實際工程中，若想提高回填粉質(zhì)砂土強(qiáng)度，可適當(dāng)增加細(xì)顆粒，提高其工程性質(zhì)。

圖7 含泥量-無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化(水灰比2∶1)Fig.7 Mud content versus unconfined compressive strength change (water cement ratio 2∶1)

2.3 基于響應(yīng)面法的影響因素分析

響應(yīng)面法是一種能夠同時考慮多因素尋求最優(yōu)響應(yīng)值的研究方法。它不僅可以建立影響因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，還可考察不同影響因素之間的交互作用規(guī)律[14-17]。本文以水灰比為2∶1時，含泥量和灰土比分別對流動度、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響為例，建立其關(guān)系模型。

2.3.1 試驗結(jié)果與分析

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項式回歸擬合，二次回歸方程如下，其各項的方差分析結(jié)果見表4，其中有效位數(shù)若一致數(shù)字較冗雜，表內(nèi)空格是該數(shù)據(jù)不存在。

由方差分析可知，模型1的P值<0.000 1，模型是顯著的；回歸模型相關(guān)系數(shù)R2為0.954 1；模型2的P值<0.000 1，模型是顯著的；回歸模型相關(guān)系數(shù)R2為0.947 2。對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，獲得多元二次回歸方程模型。

Y=-84.325 71+7.763 33×A+1 959.928 57×B-

2.083 33×AB-0.694 444×A2-

1 285.714 29×B2

(1)

Z=-124.04+24.741 9×A+4 024.285 71×B-

21.833 33×AB-2.074 60×A2-

8 107.142 86×B2

(2)

式中A—含泥量，%；B—灰土比 ，Y—流動度，mm；Z—無側(cè)限抗壓度，kPa。

2.3.2 響應(yīng)曲面分析

對模型中交互效應(yīng)達(dá)到顯著水平的一組因子進(jìn)行分析，可得到含泥量和灰土比對流態(tài)固化土流動度影響的響應(yīng)面圖(二次回歸擬合圖)及等高線圖。由圖9可知，當(dāng)細(xì)顆粒摻量為0%～6%時，隨著含泥量A的增加，流動度Y增大；隨著細(xì)顆粒摻量的增加，流動度降低，即在摻泥量為6%時，流動度存在最大值。在五種水泥含量中，當(dāng)摻泥量較低時，混合樣的流動度會有小幅的上升，這主要是因為0.075 mm的細(xì)顆粒可填補砂土與水泥之間的級配空隙，提高混合樣的密實度，釋放出部分顆粒間包裹的水分，增加自由水量，因此對混合樣的流動度有一定的提升作用；而當(dāng)摻泥量較高時，由于外摻泥的存在可增大混合樣中砂顆粒的總表面積[18]，此時混合樣的流動度會有所降低。

圖9 含泥量對流動度的影響曲面圖(水灰比2∶1)Fig.9 Surface diagram of influence of mud content on fluidity (water-cement ratio 2∶1)

表4 方差分析表Tab.4 Table of variance analysis

相同方法可得到含泥量和灰土比對流態(tài)固化土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的響應(yīng)面圖及等高線圖。由圖10可知，隨著細(xì)顆粒摻量的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先上升后下降，同樣在摻泥量為6%時達(dá)到峰值。在適量加入細(xì)顆粒的時候，細(xì)顆粒可填充混合樣孔隙，密實度增加，提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。但過多細(xì)顆粒的加入，使得混合樣的級配不合理，粗顆粒的含量相對減少，骨架作用減弱[19]，從而導(dǎo)致混合樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降。

圖10 含泥量對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響曲面圖(水灰比2∶1)Fig.10 Surface diagram of influence of mud content on unconfined compressive strength (water-cement ratio 2∶1)

3 結(jié)論

1)在水灰比、灰土比相同的情況下，流動度隨著含泥量的增加，先上升后下降，且摻泥量為6%時達(dá)到峰值。

2)在水灰比、灰土比相同的情況下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著含泥量的增加，先上升后下降，且達(dá)到最大值時含泥量為6%。

3)當(dāng)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和流動度過低時，低含泥量土可以通過適當(dāng)加入細(xì)顆粒來提升強(qiáng)度和流動性。