疏浚淤泥流动固化土的三轴剪切试验研究

丁建文 洪振舜 刘松玉

(东南大学交通学院，南京210096)(东南大学岩土工程研究所，南京210096)

为了改善河流湖泊的水质、保证河道正常的输水能力和内陆航道的畅通，我国每年均要进行大规模的河湖清淤工程，从而产生大量的疏浚淤泥.固化方法是目前国内外处理疏浚淤泥常用的一种方法，但对于高含水率疏浚淤泥进行固化处理时，一般需要进行含水率降低的预处理，从而导致施工成本高、效率低.针对我国绞吸式疏浚施工产生的疏浚淤泥含水率很高的特点，为了达到高效处理疏浚淤泥的目的，提出了流动固化方法［1］.疏浚淤泥流动固化处理的目的是将其作为土工材料进行使用，作为工程用土必须考虑其力学特性.土的强度和变形历来是岩土工程中最为关心的两大问题［2-3］，本文通过三轴固结不排水试验对疏浚淤泥流动固化土的抗剪强度进行了研究.

1 三轴试验方案

1.1 试验方案设计

本文三轴试验的研究对象是疏浚淤泥流动固化土［1］，在满足流动固化施工的前提下，考虑到固化土的强度和工程经济性，三轴剪切试验方案如表1所示，共计6组配比.配比3.0W+C200+P50表示淤泥初始含水率为3.0倍液限(液限为66.1%)、水泥掺量为200 kg/m3、专用固化材料［1］掺量为水泥质量的50%，其余配比以此类推.

表1 三轴剪切试验方案

1.2 试验方法及仪器

试验制样模具为专门订做的圆柱形铜质模具，模具内径3.91 cm、高8 cm.制样前在模具内壁均匀涂一层薄机油，以方便脱模.共分3层装入，每层经振动排出气泡，并将表面刮平.一般静置24 h后脱模，脱模后的试样用塑料袋密封后立即放入温度为(20±2)℃、湿度为95%以上的养护室进行养护，到设定龄期时(28，240 d)进行三轴剪切试验.制成的三轴试样(φ3.91 cm×8 cm)如图1所示.

试验方法为固结不排水试验(CU试验).试验前先将试样进行饱和处理，采用抽气饱和与反压饱和2种方法相结合.先对试样进行抽气饱和，抽气时间6 h以上，然后在水中静置12 h以上;抽气饱和结束后进行上样，开始固结前在压力室内再对试样进行反压饱和，反压力为100～200 kPa，以使试样充分饱和;等压固结后再进行不排水剪切，剪切速率为0.073 mm/min;并在不排水剪切过程中进行孔隙水压力(U)测试.试验采用SJ-1A型三轴压缩仪(南京电力自动化设备总厂)，如图2所示.

图1 三轴试样

图2 固化土三轴剪切试验

2 三轴试验结果及分析

由图3可知，随着围压增加，固化土的偏应力峰值显著增加，表明围压的存在有利于提高固化土的强度;同时其破坏应变亦随围压增加而相应增加，达到峰值强度后曲线的下降相对比较平缓，这一点与通常无侧限抗压试验的应力-应变曲线有很大不同.

由图4可知，在低围压时，起初孔隙水压力随着围压增加而增加，但是超过一定值后，孔隙水压力开始减小，有一个明显的峰值;但是当围压较高时，孔隙水压力起初随着围压增加而增加，当超过一定的值后，逐渐趋近于稳定值，峰值不甚明显，这与文献［4］用上海黏土和湛江黏土进行的三轴固结不排水试验结果完全一致.由图3和图4比较发现，一般围压在400或600 kPa以前，强度变化不甚显著，即当围压小于屈服应力时，偏应力峰值变化很小，此时强度基本不受围压影响，但孔隙水压力变化显著，这与文献［5］的水泥固化土试验结果一致，产生这种现象的原因是由于固化土的强结构性，在低围压时固结作用不明显.

土的结构性是指土结构的力学效应，即受力时土的结构对力学行为的影响.在自重作用下不能自立的流态淤泥，经过固化处理后形成了一定的结构强度，固化土具有强结构性土的一些特征.由固结不排水强度包线(见图5)可见，固化土的强度包线由双折线组成，而且当正应力σ较低时强度包线与水平轴夹角很小，几乎平行;当正应力较高时，强度包线发生明显转折.本文流动固化土的抗剪强度性状与天然结构性黏土是比较一致的［6-10］.文献［7，9-11］对日本2种天然沉积软黏土(Kitakyushu clays和Ariake clays)不扰动土样和日本大分县天然沉积硅藻土进行三轴不排水剪切试验所得到的强度线均由双折线组成.文献［12］通过对人造结构性土的常规三轴试验亦表明，结构性土在等向压缩条件下的e-lgp曲线发生转折.

图3 主应力差与轴向应变的关系

图4 孔压与轴向应变的关系

3 流动固化土的抗剪强度表达式

文献［2-4，6，10-12］通过三轴试验结果发现，结构性土的强度包线并非一条直线.为表述方便，将固化土抗剪强度包线的前段直线对应的应力状态称为屈服前阶段，反之称为屈服后阶段，则对应的转折点(屈服点)称为三轴屈服应力.由图5可知，双折线强度包线说明固化土具有很强的结构性，屈服前的强度与应力水平关系不大而主要取决于土结构性影响所产生的抵抗力;屈服后的强度性状与一般黏性土相近，其大小主要取决于有效围压的大小.这与日本Kitakyushu clays，Ariake clays［9-11］以及天然沉积硅藻土的三轴CU强度线很近似，具有较强的结构性.

图5 固结不排水强度包线

本文6组三轴剪切试验的抗剪强度指标统计如表2所示，强度包线如图6所示.由表2和图6可知:①屈服前固化土抗剪强度包线与水平轴夹角较小，6组试验的平均夹角为4.8°;② 屈服后固化土抗剪强度包线与水平轴夹角增大，6组试验的平均夹角为18.1°，而且集中分布在区间16.2°～19.4°;③将屈服后的强度包线向原点方向延长，在垂直轴上的截距基本分布在原点附近，即屈服后的抗剪强度包线几乎是一条过原点的直线，说明屈服后固化土的抗剪强度主要由围压和内摩擦角决定.

表2 抗剪强度指标统计

由表2可知，φ1随着固化材料掺量的增加相对变小，即屈服前强度包线的水平趋势更为明显.如配比3.0W+C200+P50，掺量相对最高，其φ1=3.4°在6组试验中夹角是最小的;而配比3.0W+C100+P70，掺量和龄期(28 d)均较低，其 φ1=6.5°在6组试验中夹角最大.

图6 6组试验的抗剪强度包线

由表2和图6可见，屈服前固化土不排水强度主要是由土的结构性影响所产生的，法向应力影响甚微;屈服后(当法向应力达到三轴屈服应力时)，土的结构性影响基本消失，土的抗剪强度主要取决于法向应力.根据以上分析并基于传统的土的抗剪强度理论，可以将固化土的抗剪强度与法向压应力之间的关系用图7表示.

图7 抗剪强度与法向压应力的关系

由图7可以将固化土的抗剪强度与法向压应力之间关系用数学表达式描述如下:

式中，τf为固化土的抗剪强度;σ为剪切面上的法向应力;σy为固化土的三轴屈服应力.

由式(1)和图7可知，固化土抗剪强度的2个分量虽由黏聚力和摩擦力2部分组成，但其黏聚分量与摩擦分量并不是同时发挥最大作用的.屈服前主要是黏聚力发挥作用，内摩擦角的贡献较小;屈服后，主要是内摩擦角发挥作用，强度包线过原点附近.由此可见，式(1)简单明了，物理意义明确.根据图5可以确定6组三轴试验的强度包线转折点的正应力σy(三轴屈服应力)和抗剪强度τf，结果如表3所示.因此根据一定数量的三轴试验，就可以简单方便地确定σy，并可通过式(1)给出任意法向应力下固化土的抗剪强度.

表3 屈服点强度

4 结论

1)通过大量的三轴CU试验，明确了疏浚淤泥流动固化土的抗剪强度性状.

2)揭示了主应力差和孔隙水压力随围压变化的规律，解释了不同围压条件下孔隙水压力变化规律不同的机理.

3)固化土的抗剪强度包线由双折线组成，屈服前的强度包线与水平轴近似平行，屈服后的强度包线与水平轴夹角增加了许多.屈服后的抗剪强度包线几乎是一条过原点的直线，从而进一步说明了屈服后固化土的抗剪强度主要取决于围压和内摩擦角的大小.

4)基于三轴剪切试验结果和传统的土的抗剪强度理论，给出了流动固化土的抗剪强度表达式.

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