不同加载速率下碱渣K0固结试验研究

王 欢，程 鹏，纪文栋，刘晓强

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室水工构造物检测诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安710075）

不同加载速率下碱渣K0固结试验研究

王 欢1，程 鹏2，纪文栋1，刘晓强1

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室水工构造物检测诊断与加固技术交通行业重点实验室，天津300456；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，西安710075）

以天津碱厂碱渣为研究对象，进行不同加载速率连续加载方式下完全侧限K0固结试验，研究连续加载条件下K0固结过程中碱渣的变化。试验结果表明：加载速率越高，碱渣结构瞬间的破坏程度越大，产生的应变越大，加载速率对初期的沉降和稳定性有明显的影响。不同加载速率下相同的应力对应的应变不同，轴向应力加载速率越大，应变越大，加载阶段完成大部分变形。在轴压作用下孔压上升很快且接近轴压值，试验过程中产生超静孔隙水压力。试验初期，加载速率越大，固结速度越快，排水量越多，稳压阶段不同加载速率的固结速度比较接近。碱渣表面附着强结合水，受颗粒表面引力的控制，碱渣弹性强，黏性高，具有较强的亲水性。

碱渣；加载速率；K0固结；试验研究

纯碱是重要的基本工业原料，纯碱工业是我国基础化学工业之一，在国民经济中占有重要地位。氨碱法是我国生产纯碱的主要方法，氨碱法生产纯碱的最大缺点是蒸氨工艺流程中会产生大量废弃物即碱渣，我国氨碱法制碱每年可达300万t，每年产生废液约3 000万m3，碱渣近300万t［1］。排放的废渣一般采用地表堆积的处理方式，天津碱厂自投产至今，大量排放的碱渣已经形成了堆积高度达到数米的碱渣山（图1）。碱渣占地面积大，方量多，堆积的碱渣占用了天津港的大片土地，给天津港的规划和发展带来了严重影响，且露天堆放，极易起尘，对周围的环境也造成了影响，河流不同程度的污染，影响周围群众的生活，可见碱渣的堆积不仅浪费土地而且破坏生态平衡，在种种问题的推动下，有效合理的解决碱渣堆积问题是刻不容缓的。

图1 碱渣堆积及现场情况Fig.1Accumulated soda residue and scene situation

目前天津港采用近挖坑深填埋结合真空预压处理及表面碱渣中掺粉煤灰、活性强化剂拌制工程土的联合治理措施［2］。但是碱渣用作地基与基础的理论和经验不足，还需要对碱渣的性质进行深入研究，目前开展的碱渣试验多侧重于研究碱渣的微观结构和力学性状的研究，如候晋芳、刘爱民、闫澍旺［3］开展的碱渣制工程土的微观结构及岩土工程特性研究，赵洪亮［4］提出的碱渣土工程特性的试验等，而针对纯碱渣地基变形特性及时间效应的研究比较少。

本文主要基于英国GDS公司生产的固结试验系统对碱渣进行不同加载速率下连续加载方式的K0固结试验，研究碱渣K0固结过程中变形特性及加载速率的影响，研究结果可以为碱渣地基的处理应用提供帮助。

1 碱渣的基本特性

1.1碱渣的组成成分

碱渣的化学成分包括碳酸钙、硫酸钙、氯化钙等钙盐，铝、铁、硅的氧化物，以及氯化钙、氯化钠等易溶于水的氯化物，同时含有少量的二氧化硫等成份。碱渣中易溶盐化学分析表明碱渣的溶液偏碱性，PH值在10左右，由于碱性作用，碱渣在潮湿环境中对钢筋混凝土不会造成腐蚀，但是其含盐量较高，对环境会造成影响，之前学者已经总结其化学成分含量检测结果见表1［3］。

表1 干碱渣的组成成分Tab.1Content of dry soda residue

1.2碱渣的物理力学指标

与天然土类似，碱渣也是三项体，三项组成中重量和体积的比例关系可用一系列的物理指标反映，很多学者已经通过试验总结了碱渣的物理力学参数（表2）［5］。

表2 碱渣的物理力学指标Tab.2Physico⁃mechanical indices of soda residue

2 碱渣K0固结试验

2.1试验设备

试验设备采用英国GDS公司生产的固结试验系统（图2），系统控制器精度高于0.1％，所有测量值的分辨率都小于0.1％全量程。

图2 试验仪器Fig.2Test instrument

GDS固结试验系统是通过计算机来控制的，包括数据采集，将数据转换为工作单位，以及按照图形和数字格式处理数据。采用Rowe&Barden型液压固结压力室，并结合Bishop和Skinner′s浮动环的特性。压力室通过2个GDS压力控制器与计算机连接，这两个控制器一个控制轴向应力，另一个控制反压。另外选择外置传感器测量孔隙水压力和轴向变形。

2.2试验方案

试样为天津港现场取来的碱渣，碱渣的含水率为190％，试验用试样质量130.5 g，试样规格直径79.2 mm，高20 mm（图3）。将样品环护圈与压力室底座固定，多孔圆盘放置在底座上，将环刀放于环刀夹内部放置在多孔圆盘上，在环刀上部边缘放置一个密封圈，将压力室顶盖放置于试样上方并与底座固定，通过反压控制器与轴压控制器充出底座与顶部橡胶袋内部的气体，反压、轴压、孔压、轴向位移清零。

图3 试验试样Fig.3Specimen

试验方案是在完全侧限条件下通过轴向液压水袋的作用分别在5、10、15、30 min不同的时间内使轴向压力由0 kPa连续增加到400 kPa（表3），之后保持稳压不变继续进行固结，以观察不同加载速率对碱渣K0固结排水试验效果的影响，此试验结果用于不同施工速率地基沉降及排水固结特性的分析。

表3 试验方案Tab.3Experiment scheme

2.3试验结果分析

试验中通过各种传感器与软件自动量测记录K0固结过程中应力、应变、孔压等随时间的变化过程；图4～图9给出不同连续加载速率下试样K0固结效果，图中不同的虚实线分别代表不同加载速率下的固结曲线。

图4为本次试验的连续加载曲线，斜线部分为加载阶段，轴力由0 kPa加载到400 kPa，根据加载时间的设定不同此过程中轴力的加载速率分别为80 kPa/min、40 kPa/min、26.67 kPa/min、13.33 kPa/min；直线部分为稳压阶段，即轴压达到400 kPa后保持该压力不变的固结过程。

柑橘产量与气温、降水量呈显著正相关；与日照时数呈极显著负相关。需要加强研究柑橘各发育期气象因子与柑橘产量的关系，掌握柑橘生长发育期对气温、降水、日照的需求，有效利用气象条件，防范气象灾害，结合生产实际，加强果园管理，提高柑橘产量与品质。

图4 加载过程Fig.4Loading process

图5 应变-时间关系Fig.5Relationship between strain and time

图6 应力-应变关系Fig.6Relationship between stress and strain

图7 轴压作用下孔压变化过程线Fig.7Variation of pore pressure under the action of axial stress

2.3.1应变-时间分析

图5为应变-时间曲线，加载速率不同使碱渣的结构受到不同程度的扰动，加载速率越高，对碱渣结构瞬间的破坏程度越大，由曲线可以看出不同加载速率下，加载速率越快，应变越大，应变随加载速率的增加呈上升趋势。

碱渣与一般的材料不同，含水率很高，在加载的过程中试样的孔隙比、颗粒排序变化较大，从而使试样变形引发沉降，碱渣地基早期的沉降比一般的地基要快、沉降量要大。试样的强度随加载速率的大小也会改变，加载速率越大，试样强度越大。可见加载速率对应变即施工过程中初期的沉降和稳定性有明显的影响，施工速度越快，沉降越快，初期的变形是整体变形中最快，也最不稳定的，因此为了预测地基早期的和工后沉降，有效的控制施工质量，严格把握施工速度是非常重要的。

2.3.2应力-应变特性分析

应力-应变关系受含水率、密度、应力路径等诸多因素影响，试验中碱渣的应力-应变关系体现了加载方式对碱渣原结构强度的综合影响。

图6给出了4种不同加载速率下的应力-应变曲线，从图6中可以看出4条曲线的形状趋势相似，但是前3种加载速度下的曲线有明显峰值，速度较低的比较平缓，这是由于碱渣的灵敏度较高，加载速率越快，对碱渣结构瞬间的破坏程度越大，对碱渣的影响比较明显，而缓慢的加载速度使碱渣的变形比较平缓。

曲线还可以看出不同加载速率下相同的应力对应的应变不同，在主要加载阶段随着轴向应力的增大而迅速增大，轴向应力加载速率越大，相同的应力对应的应变越大，直至轴向应力达到设定值保持不变，轴向变形趋于平稳增加，这是因为碱渣含水率高、饱和度高，孔隙比大，加载的初始阶段轴向应力增大，碱渣迅速排水，孔隙比减小，内部颗粒重组，应变不断增大，随着碱渣有效应力增大，强度慢慢增强，轴向应力增加，应变增加，直到趋于平稳，且大部分的变形在加载阶段已经完成，所以施工过程中要实时观测地基稳定问题及工后缓慢沉降问题。

试样在不完全饱和情况下，孔压值会低于轴压值很多，饱和度越高，孔压值越接近轴压值［6］，为了解轴压作用下孔压的变化过程，整理数据绘制孔压-时间变化曲线如图7所示。

由图7可见，孔压随着轴压的加载过程逐渐增长，不同轴压加载速率下孔压的上升速度不同，加载速率越快，孔压上升越快，峰值越接近轴压目标值，试验过程中产生超静孔隙水压力，稳压后测得的孔压在轴压的80％以上。孔压滞后时间很短，一方面是因为试样与仪器侧壁的摩擦力很小，另一方面与试样的高饱和度有关［6］，碱渣的含水率接近200％，且饱和度高，碱渣颗粒间接触少，呈悬浮状态，轴力加载使水体受压导致孔隙水压力上升［7］，碱渣饱和度越高孔压滞后越短越接近轴压。在之后的稳压过程中，孔压以缓慢的速度下降，碱渣颗粒间的接触面积慢慢变大，骨架形成变密实，承载能力慢慢变强。

2.3.4排水情况分析

饱和碱渣是高灵敏度土，加载速率不同使碱渣结构受到不同的扰动。图8为不同加载率度下排水量与时间的关系，结合应变-时间分析，试验表明试验初期排水量和固结速度与加载速率有很大影响，加载阶段加载速率越大，固结速度越大（排水曲线斜率）［5］，排水量越多，稳压阶段不同加载速率的固结速度比较接近。

图8 排水量-时间关系Fig.8Relationship between drainage and time

试验前测得试样的质量为130.5 g，根据含水率与常温下水的密度的关系可以计算出水的体积约为85 500 mm3。图9为一个排水较快的试样固结24 h以后的排水-时间曲线，可以看到初期的排水比较迅速，后期排水比较平稳，曲线表明试样排水趋于平稳，最终排水量只占试样中水的体积的60％，这是因为碱渣中还有一部分被碱渣颗粒表面吸附着的强结合水，它受颗粒表面引力的控制，弹性强，黏性高，不容易受外力影响，性质比较稳定，同时碱渣本身具有很强的亲水性，碱渣的这些特征在工程应用中要加以重视。

图9 稳定排水量Fig.9Steady drainage

3 结论

本文通过微观分析与宏观试验相结合的方法，对天津碱厂碱渣进行基本物理性质分析，利用GDS固结试验系统进行K0固结试验，得出以下结论：

（1）饱和碱渣结构性很强，灵敏度高，加载速率越快，对碱渣结构瞬间的破坏程度越大，产生的沉降越大，加载阶段对初期的沉降和稳定性有明显的影响，施工过程中应根据实际情况需要控制施工速度。

（2）不同加载速率下相同的应力对应的应变不同，轴向应力加载速率越大，相同的应力对应的应变越大，稳压后轴向应变比较平稳，加载阶段完成大部分变形。

（3）孔压滞后时间很短，试验过程中有产生超静孔隙水压力，孔压可以达到轴压的80％以上，碱渣是高饱和度、高含水率材料。

（4）试验初期排水量和固结速度与加载速率有关，加载速率越快，固结速度越快，排水量越多，稳压阶段不同加载速率的固结速度比较接近。

（5）碱渣表面附着强结合水，受颗粒表面引力的控制，碱渣弹性强，黏性高，具有较强的亲水性。

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Study on K0consolidation of soda residue with different loading rates

WANG Huan1,CHENG Peng2,JI Wen⁃dong1,LIU Xiao⁃qiang1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Harbor&Marine Structure Safety，Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.CCCC First Highway Consultants Co.,Ltd.,Xi′an 710075,China）

Taking soda residue of Tianjin port as the study subject,the K0consolidation test under continuous loading with different rates and complete side was carried out to study the influence of loading rate to soda residue on K0consolidation.The test results show that:the higher the loading rate,the greater the extent of damage to struc⁃tures,the bigger the strain,and loading rate has obvious influence on the early subsidence and stability.The strain is different with the same stress under different loading rates.The higher the axial stress rate,the bigger the strain. The most of deformation is in the loading stage.The pore pressure rises quickly and is close to the axial pressure, and excess pore water pressure exists in the test.At the beginning of the test,the higher the loading rate,the faster the consolidation rate,the more the drainage,in steady stage,consolidation velocity of different loading rates is simi⁃lar.The strongly bound water is attached to the surface of the soda residue.The soda residue has high viscosity, strong elasticity and hydrophilicity due to the attraction.

soda residue;loading rate;K0consolidation;experimental study

X 705

A

1005-8443（2016）02-0193-05

2015-03-30；

2015-12-18

王欢(1984-)，女，天津市人，工程师，主要从事岩土室内试验工作。

Biography：WANG Huan（1984-），female，engineer.