淤泥固化土力学性质试验研究

徐桂平，史迎春

（中建筑港集团有限公司，山东 青岛 266032）

淤泥固化土力学性质试验研究

徐桂平，史迎春

（中建筑港集团有限公司，山东 青岛 266032）

利用固结排水直接剪切试验，可得到未固化淤泥和固化淤泥试样的剪切应力-剪切位移关系，进行计算可得粘聚力和内摩擦角。试验结果表明：不同的水泥掺量和竖向压力可诱发淤泥试样剪切应力-剪切位移关系曲线形状变化，水泥掺入可明显改善淤泥试样粘聚力和内摩擦角，且二者均随水泥掺量的增加而增加。水泥掺入可明显引起无侧限抗压强度和变形模量显著增加，但破坏应变明显减小；随着水泥掺量增加，淤泥力学性质可得到明显改善；破坏应变与抗压强度之间服从幂函数关系，而变形模量与抗压强度之间服从线性关系。

水泥固化；剪切强度；内摩擦角；粘聚力；抗压强度；变形模量

引 言

淤泥固化稳定化方法由于其具有处理成本低、处理效率高、处理效果良好和固化土可作为再生土填料等优点诸多优点而备受研究和工程人员重视。国内许多学者针对废弃疏浚淤泥开展了一系列研究，取得了一系列有意义学术成果[1～5]。朱伟等[1]研究了水泥固化土的无侧限抗压强度演化过程，基于试验数据总结出水泥添加量与固化土无侧限抗压强度的数学关系表达式，认为固化土试样破坏时破坏应变的变化范围为0.2 %～2.0 %。朱伟等[2]认为腐殖酸对水泥水化具有抑制作用，腐殖酸含量对淤泥固化土无侧限抗压强度和破坏应变的影响存在某极限含量，超过这一极限含量，固化土强度和破坏应变,随腐殖酸含量增加几乎不再变化。顾正维等[3]认为水泥土渗透系数随水泥土固化剂掺量增加而减小，在掺入比一定时，固化土渗透系数随着龄期增加而减小。Horpibulsuk等[4]分析了水泥固化淤泥的应力应变关系，发现水泥固化淤泥强度和刚度随着含水量呈现先增加后减小现象，且在1.2倍最优含水量状态时强度和刚度达到最大值。邓东升等[5]研究了添加生石灰改良高含水率疏浚淤泥无侧限抗压强度主要影响因素，建立了生石灰处理土无侧限抗压强度与原泥初始含水量及处理含水量的定量关系表达式。

以上研究侧重固化土的物理属性和抗压强度性质，分析了抗压强度增长规律和影响因素，但关于固化淤泥强度特性仍需深入研究，尤其在固化淤泥剪切特性等方面仍有较高研究价值。本文将水泥固化剂用于港口疏浚淤泥性质改良，侧重分析不同水泥掺量的影响，以期探索固化淤泥土的抗压强度和抗剪强度等力学性能。研究旨在分析水泥固化淤泥土的无侧限抗压强度特性及水泥固化淤泥土的直接剪切强度情况。

1 试验材料和试验方案

1.1 试验材料

试验淤泥选自某海港底泥疏浚工程，经大型绞吸式挖泥船获取淤泥试样，其天然含水率为152 %，远大于淤泥液限值89 %。淤泥试样塑限为36 %，塑性指数为53 %。经试验可知，淤泥中所含粘粒、粉粒和砂粒含量分别为9 %、53 %和38 %。有机质含量为6.8 %，比重为2.53。值得注意的是，上述参数值均为3个代表性试样的平均值。根据土的分类方法，试验用泥属高液限粘土。试验所用水泥为PC32.5复合普通硅酸盐水泥，主要化学成分为CaO、SiO2和Al2O3。

1.2 试验方法

采用预加载方法对高含水量疏浚淤泥制备直接剪切试验所用试样，进行平行试验的试样直径和高度分别为60 mm和20 mm。先使试样在100 kPa、200 kPa和300 kPa三种竖向压力下完全固结；然后设定剪切速率为0.015 mm/min，将土样慢速施加水平剪力进行剪切，直至试样发生剪切破坏。

根据击实试验确定最大干密度和最优含水量，制备直径为50 mm、高度为100 mm的圆柱试样，将所制放入密封塑料盒中以便密封养护。将试样标准养护（温度20 °C±1 °C，相对湿度98 %）28 d和90 d之后，进行无侧限抗压强度试验。强度试验采用INSTRON 5500R 4206-006型万能试验机，且对每个类型试样至少做2次平行试验。

2 试验结果

2.1 直接剪切强度

三种不同竖向压力水平（100 kPa、200 kPa和300 kPa）下水泥固化淤泥的剪切应力随剪切位移增长而变化的关系曲线，如图1所示。图1（a）、图1（b）和图1（c）分别显示了水泥固化掺量为0 %、3 %和6 %三种情况下试样对应剪切应力与剪切位移关系。分析可知，对于未固化淤泥和3 %水泥固化淤泥，剪切应力随剪切位移的积累而均持续增大，直至达到峰值强度，峰值后剪切应力随着水平剪切位移增加而趋于稳定。这种情况下，可将曲线变化稳定后的峰值剪切应力作为试样的抗剪强度。

对于6 %水泥固化淤泥，在固结压力水平较低时（100 kPa），剪切试样的剪切应力值随着剪切位移的增加而持续增大，直至达到峰值应力之后趋于稳定，该现象与未固化淤泥和3 %水泥固化淤泥所表现出剪切应力与剪切位移变化趋势相似。但在高固结压力水平（200 kPa、300 kPa）时，剪切位移的积累诱发剪切应力呈持续增加状态，甚至在水平剪切位移达到8 mm时剪切应力仍表现出增加的趋势，剪切试验结束时并未出现明显的峰值强度现象。对于此种情况，可将剪切位移达到4 mm时对应的剪切应力值作为试样抗剪强度。

图1 剪切应力随剪切位移变化关系曲线

根据上述剪切应力和剪切位移变化关系，可确定不同水泥掺量固化淤泥在不同竖向固结应力情况下对应试样的峰值抗剪强度，如表1所示。必须指出，表1中不同竖向应力水平对应抗剪强度值是2个平行试验的数学平均值。经分析可知，在相同竖向压力下，水泥掺量增加引起淤泥试样抗剪强度明显增加，且抗剪强度随着水泥掺量增加而增大。在相同水泥掺量下，水泥固化淤泥试样的抗剪强度随着竖向压力的增加而明显增大。综上所述，竖向压力水平和水泥掺量不但影响固化淤泥试样的剪切应力随剪切位移变化曲线的形状，还会影响试样的峰值剪切强度大小。

表1 试样抗剪强度平均值

分析以上试验数据，可确定试样抗剪强度，从而可以绘制淤泥试样的抗剪强度τ与竖向压力σ之间数学关系表达式。根据抗剪强度τ与竖向压力σ之间数学表达式，可计算不同水泥掺入量的淤泥试样的抗剪强度指标内摩擦角和粘聚力，计算结果如图2所示。可以看出，随着水泥掺入量的增加，固化淤泥的抗剪强度指标内摩擦角和粘聚力均呈增大的趋势。

图2 淤泥抗剪强度与竖向正应力关系曲线

表2 试样抗剪强度值

2.2 无侧限抗压强度

对不同水泥掺入量的水泥固化淤泥，分别进行养护龄期为28天和360天的无侧限抗压强度试验，根据测试结果绘制固化前后淤泥试样的应力-应变曲线，如图3所示。图3分别显示了未固化淤泥、3 %水泥固化淤泥和6 %固化淤泥的应力应变变化曲线。分析图3中应力应变曲线，可计算淤泥试样单轴压缩破坏时的无侧限抗压强度、破坏应变和变形模量，如表3和表4所示。试样破坏时对应峰值强度即为无侧限抗压强度，对应应变即为破坏应变，变形模量取试样峰值强度50 %所对应应力值与应变值之比。

图3 应力应变关系曲线

对于未固化淤泥试样（水泥掺入量为0 %），无侧限抗压强度试验表现出的应力应变关系呈现塑性破坏。考虑到水泥掺入量为0 %的淤泥并未发生水泥与淤泥间的化学反应，在完全密封条件下，养护龄期从28天到360天时，试样内部变化很微小，因此，在本研究中对水泥掺入量为0 %的未固化淤泥，360天养护龄期的无侧限抗压强度试验结果采用了 28天养护的未固化淤泥试样试验结果。当累积应变达到2.60 %时，试样发生明显破坏且应力水平开始逐步下降，对应峰值抗压强度和变形模量值分别为0.58 MPa和39.9 MPa。

与未固化淤泥土对比，水泥加固后淤泥土体的破坏应变明显减小，而无侧限抗压强度值显著增加，如图3所示。

对于养护28天淤泥试样，水泥掺量从3 %增加至 6 %，引起淤泥试样抗压强度从 1.03 MPa到1.82 MPa，破坏应变从2.19 %变化至1.48 %，变形模量从69.4 MPa增加至199.1 MPa。对于养护360天试样，水泥掺量从3 %增加至6 %，抗压强度从1.18 MPa增加至2.42 MPa，变形模量从94.8 MPa到295.3 MPa，破坏应变从1.96 %至1.38 %。水泥掺量从3 %增加到6 %引起抗压强度和变形模量明显增加，而破坏应变则相应明显减小。可见，水泥掺加可明显改善淤泥力学性质，对控制淤泥变形有明显抑制作用。养护龄期从28天增加至360天，可引起水泥固化淤泥试样抗压强度和变形模量均显著增大。以上说明，养护期延长明显增强了淤泥土细颗粒互相粘结和淤泥整体力学强度，而宏观上则表现为淤泥试样强度和模量增加，变形减小。

表3 养护28天试样对应参数

表4 养护360天试样对应参数

图4 抗压强度vs.变形模量

图5 抗压强度vs.破坏变形

由图3、表3和表4显示的养护28天和360天两种养护龄期下未固化淤泥和水泥固化淤泥的抗压强度、变形模量和破坏应变进行分析，可以建立三者之间的数学关系经验表达式，结果如图4和图5所示。分析可知，变形模量约为抗压强度的 139倍，二者之间呈线性正相关变化规律；破坏应变和抗压强度之间呈现负相关变化规律，破坏应变增加却导致抗压强度减小，二者之间大致服从幂函数变化曲线模型。

3 结 论

针对港口航道等工程中存在的大量废弃疏浚淤泥，本研究以水泥作为固化剂，通过无侧限抗压强度和直接剪切试验发现，水泥固化剂可以明显改善淤泥力学性质，可以以此对疏浚淤泥进行的加固处理。

1）分析固结慢剪直接剪切试验数据，可发现剪切位移与剪切应力之间曲线关系受水泥掺量和竖向固结压力等因素密切相关，水泥掺入可明显提高淤泥试样的粘聚力和内摩擦角；粘聚力和内摩擦角随着水泥掺量的显著增加而明显增大。

2）与未固化淤泥对比可知，水泥固化土应力-应变关系受养护龄期和水泥掺量等因素影响，掺入水泥可引起淤泥无侧向抗压强度和变形模量显著提高，破坏应变则显著减小。

3）对于水泥固化淤泥，水泥掺量从3 %增加至6 %可明显改善淤泥固化土的抗压强度和变形模量，并减小试样的破坏应变。

4）经试验数据分析可知：破坏应变和抗压强度之间服从幂函数关系模型，变形模量与抗压强度之间服从线性关系模型。

[1]朱伟,张春雷,高玉峰,等.海洋疏浚泥固化处理土基本力学性质研究[J].浙江大学学报(工学版),2005,39(10):1561-1565.

[2]朱伟,曾科林,张春雷.淤泥固化处理中有机物成分的影响[J].岩土力学,2008,29(1):33-36.

[3]顾正维,孙炳楠,董邑宁.粘土的原状土、重塑土和固化土渗透性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2003,22(3):505-508.

[4]Horpibulsuk S,Rachan R,Chinkulkijniwat A,et al.Analysis of strength development in Cement-stabilized sility clay form microstructural considerations[J].Construction and Building Materials,2010,24(10):2011-2021.

[5]邓东升,张铁军,洪振舜.河道疏浚废弃淤泥改良土的强度变化规律探讨[J].防灾减灾工程学报,2008,28(2):167-170.

Experimental Study on Mechanical Property of Silt-solidified Soil

Xu Guiping,Shi Yingchun
(China State Construction Port Engineering Group Co.,Ltd.,Qingdao Shandong 266032,China)

The consolidated drained direct-shear test is used to get shear stress-displacement relationship of un-solidified and solidified silt samples,then the cohesive strength and internal friction angle can be calculated.The test results show that different volume of cement and vertical compressive stress can lead to the variation of shear stress-displacement relationship curve for the silt samples.The added cement can improve the cohesive strength and internal friction angle of silt samples significantly,which will increase with the increment of cement.The addition of cement results in an obvious increase of unconfined compressive strength and deformation modulus,but leads to distinct decrease in failure strain.Slit mechanical property is improved significantly by adding more cement.Compressive strength-failure strain relationship follows power function while linear relationship exists between the compressive strength and the deformation modulus.

solidification by applying cement; shear strength; internal friction angle; cohesive strength; compressive strength; deformation modulus

TU447；TU441

：A

：1004-9592（2016）06-0102-05

10.16403/j.cnki.ggjs20160626

2016-09-18

徐桂平（1981-），男，本科，主要从事沿海港口工程施工工作。