固化疏浚土宏-微观力学特性室内试验研究

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(上海海事大学 海洋科学与工程学院,上海 201306)

固化疏浚土宏-微观力学特性室内试验研究

史旦达，齐梦菊，许冰沁，刘文白

(上海海事大学 海洋科学与工程学院,上海 201306)

以上海某沿海港域吹填场地的砂土和黏土为试验土料，通过掺入自制固化剂和WK-G1型固化剂在室内制备固化疏浚土试样，采用土力学直剪和压缩试验方法，着重分析了固化剂掺量和养护龄期对固化疏浚土试样抗剪强度与压缩变形特性的影响。此外，利用扫描电镜(Scanning Electron Microscope, SEM)从微观层面分析了固化疏浚土试样的结构特征，采用Image-Pro Plus(IPP)图像处理软件和自编MatLab程序，提取和分析与颗粒、孔隙及颗粒表面起伏相关的微观结构分维数，基于分形理论，探讨了固化过程中试样微观结构变化与宏观强度及变形特性的宏微观关联。试验结果表明：无论砂土还是黏土，试样压缩模量和抗剪强度均随固化剂掺量和养护龄期的增加呈现出非线性增长规律，在微观机制上，试样压缩模量和抗剪强度的提升与颗粒平均面积与平均半径的增加密切相关。

固化疏浚土；抗剪强度；压缩变形；微观结构；分维数

1 研究背景

港口航道的疏浚每年产生大量疏浚土，利用疏浚土进行围海造陆是资源化利用的重要途径。然而，由水力吹填形成的疏浚土场地含水量高、压缩性强、承载力低，需要采用物理或化学方法进行处理后方能为工程建设使用。在港口场区的道路、堆场建设中，采用固化剂掺入土体形成固化疏浚土地基已经被证明是一种快速有效的地基加固方法[1]。关于固化疏浚土力学性能的研究通常采用室内试验方法。譬如，丁建文等(2012)[2]采用室内压缩试验研究了高含水率疏浚淤泥固化土的压缩特性。王贤昆等(2015)[3]基于室内无侧限抗压试验分析了不同养护龄期下水泥掺量、脱硫石膏及粉煤灰对水泥土抗压强度的影响。罗丽等(2016)[4]进行了固化疏浚土试样的室内变水头渗透试验。为了深入分析固化土体的微观结构，扫描电镜SEM、X射线衍射等技术受到了格外关注。例如，崔德山等(2009)[5]利用X射线衍射技术分析了离子土固化剂处理后红黏土的物相变化特征。梁仕华等(2015)[6]采用SEM分析了外掺水泥基固化剂后南沙软土的微观结构变化。邓永峰等(2016)[7]利用SEM技术分析了掺入地聚合物固化后水泥土结构的微观变化。然而，目前关于高含水率吹填疏浚土固化微观结构的试验研究相对较少。

本文针对上海长江口高含水率疏浚土(砂土、黏土)，以自制固化剂和WK-G1固化剂作为固化材料，采用室内压缩和直剪试验，研究了不同固化剂掺入量和不同养护龄期下固化疏浚土试样的压缩模量和抗剪强度变化。此外，针对掺入1.2%WK-G1固化剂工况，利用SEM摄取不同养护龄期下固化土样的微观结构图像，基于分形理论，采用IPP图像处理软件和自编MatLab程序，提取和分析试样微观结构分维数，定量分析了微观结构参数与宏观力学特性之间的关联。

2 试验材料、仪器及方案

2.1 试验土料

试验土料取自上海某沿海港域水力吹填区的吹填土，取自表层0～1 m范围内，土料分砂土和黏土2类。砂土和黏土的物理力学特性指标汇总于表1。

表1 砂土和黏土的物理力学特性指标Table 1 Physical and mechanical indices oftest sandy soil and clay

2.2 试验固化剂

试验固化剂有2种：自制固化剂和WK-G1固化剂。自制固化剂主要由一种胶结物和激发剂组成，其中激发剂的主要成分是木质素，木质素是由聚合的芳香醇构成的一种复杂酚类聚合物，对于提高拌合物保水性、和易性，及短时间内增加土壤拌合物的强度和土体颗粒之间的黏聚力具有良好效果。WK-G1固化剂由日本中央化学研究所于20世纪90年代研制，由多种无机金属盐配合反应制成，由于腐殖质土壤颗粒具有强烈的水膜吸附能力，掺入WK-G1固化剂能在土壤颗粒表面产生腐殖质酸(R-COOH)，能够致密土体结构，增强土体结构稳定性[8]。

2.3 试验仪器

固结试验也称压缩试验，可用于测定土体的侧限压缩模量Es等变形特性指标。本次固结试验的装置为WG型单杠杆固结仪。直剪试验可用于测定土体的抗剪强度指标(内摩擦角φ和黏聚力c)，本次试验采用的直剪仪为ZJ型应变控制式直剪仪。采用扫描电镜SEM摄取固化疏浚土试样微观结构图像，本次试验采用低真空超高分辨场发射扫描电子显微镜(LV UHR FE-SEM)。

2.4 试验方案和试验过程

对于砂土和黏土，均进行了固结试验、直剪试验和扫描电镜试验。对于每种土料，均考虑了固化剂类型、固化剂掺量、养护龄期3种变化因素。具体的试验方案汇总于表2。

表2 试验方案

固结试验和直剪试验的操作过程参照《土工试验方法标准》[9]进行。

2.4.1 固结试验

固结试验采用应变控制连续加荷试验，先用环刀切取固化土试样，养护至规定时间后，将固化土试样放置于固结盒内，放置上透水板和加压上盖后等待施加竖向压力；先施加1 kPa的顶部预压力使仪器上、下部件紧密接触，随后以0.01%/min的速率连续施加竖向压力，前10 min每隔1 min、随后1 h每隔5 min、1 h后每隔15 min测定一次竖向压力和试样变形值，直至加载至竖向压力为1 MPa时停止试验；根据测得的竖向压力和变形值(换算成孔隙比)绘制压缩曲线，从压缩曲线上求得100～200 kPa压力范围内的压缩模量Es；固结试验重点研究固化土样的压缩模量Es与固化剂掺量、养护龄期之间的关系。

2.4.2 直剪试验

直剪试验参照快剪试验方法进行，剪切速率控制为0.8 mm/min，竖向压力分100，200，300，400 kPa 4种工况；试验过程中读取剪应力峰值并绘制峰值剪应力-竖向压力关系曲线，经线性拟合后得到试样抗剪强度指标(内摩擦角φ和黏聚力c)；直剪试验着重分析固化土样抗剪强度指标与固化剂掺量、养护龄期之间的关系。

2.4.3 扫描电镜试验

扫描电镜试验时，将测试土样经烘箱干燥后切成直径<18 mm、高度<8 mm的土样，再用小刀将土样切开，将新鲜表面暴露在上层用来拍摄微观结构图像，采用扫描电镜对样品颗粒和孔隙形貌进行观察，选择具有代表性的区域拍摄图像，图像的放大倍数为2 000倍。

3 宏观力学特性指标分析

3.1 压缩模量变化规律

表3给出了固结试验得到的固化砂土试样的压缩模量数值。由表3可知，无论采用自制固化剂还是WK-G1固化剂，压缩模量均随着固化剂掺量和养护龄期的增加而增加。无论采用何种固结剂掺量，养护7 d压缩模量的增加幅度最显著；之后随着养护时间的增加，压缩模量虽不断增长，但增加的幅度明显减弱。随着固化剂掺量的增加，压缩模量虽不断增长，但其增长规律并非线性，以采用自制固化剂情况为例，无论何种养护龄期，掺量为8%时压缩模量的增长最显著，而掺量12%时的压缩模量数值与掺量10%时的数值较为接近，可以认为当自制固化剂掺量达到10%左右时，压缩模量已不再随固化剂掺量的增加而显著增长；对于采用WK-G1固化剂的情况，也呈现出同样的规律。

表3 固化砂土试样的压缩模量 Table 3 Compression moduli of solidifiedsandy soils MPa

表4给出了固化黏土试样的压缩模量数值。由表4可知，对于黏土试样，压缩模量随固化剂掺量和养护龄期增加而呈现的非线性增长规律与砂土试验结果基本一致。但是对比表4与表3数值可知，在相同固化剂掺量和同一养护龄期条件下，无论采用何种固化剂，固化黏土试样压缩模量的增长率都要明显大于固化砂土试样。例如，对于掺入12%自制固化剂、养护至30 d的情况，固化黏土试样的压缩模量比原始土样增加7.52倍，而对应的固化砂土试样则仅增加2.09倍；对于掺入1.5%WK-G1固化剂、养护至30 d的情况，固化黏土试样的压缩模量比原始土样增加7.84倍，而对应的固化砂土试样则仅增加1.91倍。上述情况表明，黏土在掺入固化剂后抗压缩性能急剧增长，其压缩模量的增长率比砂土显著。

表4 固化黏土试样的压缩模量Table 4 Compression moduli of solidified clayspecimens MPa

表5固化砂土试样的黏聚力和内摩擦角
Table5Cohesionandinternalfrictionangleofsolidifiedsandysoils

养护龄期/d原始砂土样c/kPaφ/(°)自制固化剂不同掺量下的黏聚力和内摩擦角WK-G1固化剂不同掺量下的黏聚力和内摩擦角8%10%12%0．8%1．2%1．5%c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)70．9235．6168．843．3188．943．4197．244．2162．440．7205．541．3221．841．5150．9235．6208．247．3258．747．9283．548．2188．145．7242．246．7298．146．8300．9235．6277．149．3365．949．5405．549．8341．348．2443．149．1487．149．5

表6固化黏土试样的黏聚力和内摩擦角
Table6Cohesionandinternalfrictionangleofsolidifiedclayspecimens

养护龄期/d原始黏土样c/kPaφ/(°)自制固化剂不同掺量下的黏聚力和内摩擦角WK-G1固化剂不同掺量下的黏聚力和内摩擦角8%10%12%0．8%1．2%1．5%c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)70．555．3163．123．8190．829．5210．232．3209．130．8229．235．1234．837．1150．555．3201．824．6306．329．9350．432．5274．331．1324．736．1341．337．4300．555．3299．124．8407．630．3456．932．6386．231．3438．636．8458．737．6

3.2 黏聚力和内摩擦角变化规律

表5给出了直剪试验得到的固化砂土试样的黏聚力和内摩擦角数值。分析表5可知，固化剂对砂土试样抗剪强度的提高主要体现在对其黏聚力的显著提升上，而对其内摩擦角的提升幅度较为有限。例如，当掺入12%自制固化剂、养护30 d后，固化砂土试样的黏聚力c可达405.5 kPa，与原始土样相比(仅为0.92 kPa)，增加440倍；当掺入1.5%WK-G1固化剂、养护30 d时，固化砂土试样的黏聚力c达到487.1 kPa，与原始土样相比,增幅为528倍。养护时间对固化砂土试样抗剪强度指标有显著影响，在本文试验中，与养护7 d的情况相比，养护至30 d后固化砂土试样的黏聚力增幅可达60%～120%；且无论采用哪种固化剂，固化剂掺入量越高，这一由养护时间增加带来的黏聚力增幅愈加明显。与前文压缩模量的变化规律类似，固化砂土试样抗剪强度指标并不随固化剂掺量的增加而线性增加，当自制固化剂掺量超过10%、WK-G1固化剂掺量超过1.2%时，固化砂土试样黏聚力的增长幅度已显著减小。

表6给出固化黏土试样的黏聚力和内摩擦角数值。由表6可知，与砂土试样相比，掺入固化剂可以同时显著提升黏土试样的黏聚力和内摩擦角。例如，当掺入12%自制固化剂、养护30 d时，固化黏土试样的黏聚力和内摩擦角分别为456.9 kPa和32.6°，与原始土样相比(c和φ分别为0.55 kPa和5.3°)，增幅分别为830倍和5.2倍；当掺入1.5%WK-G1固化剂、养护30 d时，固化黏土试样的黏聚力和内摩擦角分别为458.7 kPa和37.6°，与原始土样相比，增幅分别为833倍和6.1倍。对比前文砂土试样结果，黏土在掺入固化剂后其抗剪强度指标的增长幅度要比砂土显著。与砂土类似，固化黏土试样的黏聚力也随养护时间的增加而增长，且固化剂掺量越高，增幅越显著；以掺入12%自制固化剂为例，养护7 d时黏聚力为210.2 kPa，养护至30 d黏聚力可增至456.9 kPa，数值上可达养护7 d时的2.17倍。

4 微观结构分析

4.1 微观结构参数及宏-微观关联

由SEM拍摄得到试样表面微观图像后，进一步采用IPP图像处理软件和自编MatLab程序对SEM图像进行处理，采用图像分割算法将灰度图像分割成黑白二值图像，进而从图像中区分出颗粒和孔隙，进一步提取出试样表面微观结构参数，包括颗粒和孔隙的个数、颗粒和孔隙的平均面积、颗粒和孔隙的平均半径。限于篇幅，本文仅介绍掺入1.2%WK-G1固化剂工况下砂土和黏土试样(养护时间分别为7，15，30 d)的微观结构分析结果，同时给出原始土样结果以便对比分析。

4.1.1 砂土试样

图1中的(a)和(b)分别给出了原始砂土试样和掺入1.2%WK-G1固化剂养护30 d后固化砂土试样的SEM图像。分析图1可知，固化前砂土颗粒轮廓清晰可见，颗粒之间的孔隙大且明显；加入固化剂后，由于固化剂对颗粒的胶结作用，颗粒之间粘结成絮凝状，相邻砂土颗粒凝结在一起，形成大的颗粒团，同时孔隙分布更加疏散，出现了许多微小的孔隙。

图1 砂土试样SEM图像Fig.1 SEM pictures of sand samples

表7给出了不同养护龄期下砂土试样微观结构参数结果。由表7可知，掺入固化剂后，随着养护龄期的增加，颗粒个数逐渐减少，而颗粒平均面积和平均半径均逐渐增加，这说明在固化剂的胶结作用下，砂土颗粒相互凝结形成大颗粒团；相对应的，孔隙的个数逐渐增加，而孔隙平均面积和平均半径均逐渐减小，这是由于固化剂填充于大孔隙中，导致孔隙分布趋于疏散，出现微小孔隙。

表7 固化砂土试样微观结构参数Table 7 Microstructure parameters of solidified sandy soil

图2中的(a)—(c)分别给出了固化砂土试样颗粒和孔隙个数、颗粒和孔隙平均面积、颗粒和孔隙平均半径与宏观压缩模量之间的关系。分析图2可得几点规律：①宏观压缩模量的变化与固化砂土试样微观结构的变化密切相关；②压缩模量的增加与固相颗粒个数的减少(由于大颗粒团的生成)及颗粒平均半径的增加均呈现出良好的线性关系，前者的决定系数R2为0.978，后者的决定系数R2为0.964，而压缩模量与固相颗粒平均面积的关系可由幂指数增长函数较好地拟合；③压缩模量的增加与孔隙个数的增加、以及孔隙平均面积与平均半径的减小均呈现良好的线性关系，其决定系数R2均在0.9以上。

图2 固化砂土试样宏观压缩模量与颗粒(孔隙)微观结构参数之间的关系Fig.2 Relationship between compression modulus and microstructure parameters of solidified sandy soil

图3 固化砂土试样黏聚力与颗粒(孔隙)微观结构参数之间的关系Fig.3 Relationship between cohesion and microstructure parameters of solidified sandy soil

由前文3.2节可知，对于砂土试样，固化剂对抗剪强度的影响主要体现在对其黏聚力指标的显著提升上。因此，本节仅分析固化砂土试样宏观黏聚力与微观结构变化之间的关联。图3中的(a)—(c)分别给出了颗粒和孔隙个数、颗粒和孔隙平均面积、颗粒和孔隙平均半径与宏观黏聚力之间的关系。

由图3可知：①宏观黏聚力的变化与试样微观结构演化存在内在关联；②试样黏聚力的增长与颗粒平均面积及平均半径的增长均呈现较好的线性关系，前者的决定系数R2为0.961，后者决定系数R2为0.921，而黏聚力与颗粒个数之间的关系可由幂指数衰减曲线较好地拟合；③黏聚力的增长与孔隙个数的增加及孔隙平均半径的减小均呈现较好的线性关系，而与孔隙平均面积的增加呈幂指数函数衰减关系。

4.1.2 黏土试样

图4中的(a)和(b)分别给出了原始黏土试样和掺入1.2%WK-G1固化剂养护30 d后固化黏土试样的SEM图像。由图4(a)可知，与砂土的单粒状原始结构不同，黏土的微观结构呈片状，片状固相结构之间存在很多细长型孔隙。分析图4(b)可知，掺入固化剂养护30 d后，固化剂填充于孔隙，并在固相颗粒之间形成胶结和化学作用，从SEM图像中已基本观察不到大的细长孔隙，说明掺入固化剂后黏土的结构变得较为致密。

图4 黏土试样SEM图像Fig.4 SEM pictures of clay samples

表8给出了不同养护龄期下黏土试样微观结构参数结果。

表8 固化黏土试样微观结构参数Table 8 Microstructure parameters of solidified clay

分析表8并与表7对比可知，与固化砂土试样的规律一致，随着养护龄期的增加，固化黏土试样压缩模量和抗剪强度的逐步提升在微观上可以归因于固相颗粒平均面积和平均半径的不断增加，即孔隙平均面积和平均半径的不断减少；颗粒个数的逐渐减少可以解释为固化剂将由孔隙隔离的固相片状结构胶结成团聚状结构，孔隙个数的逐渐增加主要是因为微小孔隙的生成。

限于篇幅，固相黏土宏观压缩模量、黏聚力与微观结构参数之间的定量关系此处不再详细分析，其规律总体上与固化砂土试样一致。

4.2 微观结构分维数变化规律

由于土的各向异性和不均质性，传统的几何学难以有效描述土的微观结构特征。已有研究表明[10-11]，土体的微观结构具有分形特征，运用分形理论分析土体微观结构变化具有重要意义。土体微观结构的分形维数(以下简称“分维数”)主要包括：粒度分维数Dps、孔径分维数Dbs、颗粒分布分维数Dpd、孔隙分布分维数Dbd、颗粒表面起伏分维数Dpr。

表9列出了不同龄期固化砂土和固化黏土试样微观结构的分维数。

表9 固化砂土和固化黏土试样微观结构分维数Table 9 Fractal dimensions of solidified sandysoil and clay

由表9可得：

(1) 随着龄期的增加，固化砂土试样的粒度分维数Dps逐渐减小，而固化黏土试样的Dps逐渐增大；其原因为砂土试样在固化过程中小颗粒凝结成粒度较为均匀的大颗粒团，而由黏土片状结构凝结成的大颗粒团其粒度不均匀性较强。

(2) 无论是砂土还是黏土试样，孔径分维数Dbs随龄期的变化量均要明显大于粒度分维数Dps的变化量，这说明在固化过程中，孔隙比颗粒更容易重新分布和排列，且孔隙大小的不均匀性更强。

(3) 无论是砂土还是黏土试样，随着龄期的增加，颗粒分布分维数Dpd均略有下降，而孔隙分布分维数Dbd均明显增加。以砂土试样固化30 d为例，与原始试样相比，Dpd仅减小1.53%，而Dbd增加达到35.9%；这说明在固化过程中，疏浚土颗粒分布趋于集中，而孔隙分布趋于分散且变化幅度远远大于颗粒分布的变化幅度。

(4) 从颗粒表面起伏分维数Dpr的变化规律可知，无论是砂土还是黏土，Dpr虽然均随龄期的增加而增大，但同一龄期下砂土试样Dpr值均要大于黏土试样，说明砂土颗粒凝结成的团聚颗粒表面起伏度更大，而黏土颗粒凝结较慢且更倾向于凝结成表面起伏较小的团聚颗粒。

图5给出了固化砂土和固化黏土试样微观结构各分维数随龄期的变化规律。由图5可知，无论砂土还是黏土，微观结构各分维数与养护龄期均呈现良好的线性关系，决定系数R2均达到0.9以上。上述结果表明，养护龄期是影响固化疏浚土微观结构分形特征的重要因素。

图5 固化砂土和固化黏土试样分维数与 龄期之间的关系Fig.5 Relationship between fractal dimensions and curing age of solidified sandy soil and solidified clay

5 结 论

本文采用宏微观试验方法，研究了不同掺量和不同养护龄期下固化疏浚土试样的抗剪强度和压缩特性变化规律，基于分形理论分析了试样微观结构分维数变化，探讨了宏观力学特性与微观结构之间的关联，得到如下主要结论。

(1) 压缩模量随固化剂掺量和养护龄期的增加呈现出非线性增长规律，当固化剂掺量较低、养护龄期较短时，压缩模量增长幅度大；随着固化剂掺量增加、养护时间延长，压缩模量增长幅度逐渐放缓；且上述规律与固化剂的类型和土样的类型无关。无论采用何种固化剂，黏土试样压缩模量随固化剂掺量的增长率都要显著大于砂土试样。

(2) 对于砂土试样，固化剂对抗剪强度的提高主要体现在对黏聚力指标的显著提升上，对内摩擦角指标的提升较为有限；而对于黏土试样，固化剂可以同时显著提升黏聚力和内摩擦角指标。无论砂土还是黏土试样，抗剪强度指标均随养护时间的增加而增长，但固化剂掺量越高，增长幅度越显著，且这一规律与固化剂类型无关。

(3) 无论砂土还是黏土，掺入固化剂后，宏观压缩模量与抗剪强度的提升在微观机制上可解释为颗粒平均面积与平均半径的增加，也即孔隙平均面积与平均半径的减少；固相颗粒在固化剂的作用下胶结成大颗粒团，颗粒个数减少。

(4) 微观结构各分维数能够体现固化过程中颗粒、孔隙及两者分布的微观变化规律；砂土和黏土的不同固化特性在微观上与粒度分维数和颗粒表面起伏分维数变化规律的差异有关；无论砂土还是黏土，微观结构各分维数与养护龄期均呈现良好线性关系。

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Indoor Test on the Macro-and-microscopic MechanicalProperties of Solidified Dredged Soils

SHI Dan-da, QI Meng-ju, XU Bing-qin, LIU Wen-bai

(College of Ocean Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In this paper, both the macroscopic and microscopic mechanical properties of solidified dredged soil were experimentally studied. First, the influence of curing agent dosage and curing age on shear strength and compressive deformation behaviors were analyzed through direct shear test and 1-D compression test. The solidified dredged soil samples were prepared by adding self-made curing agent and commercial curing agent WK-G1 into the sandy soil and clay collected from a large hydraulic fill field in Shanghai coastal area. In addition, the variation of the microstructure of soil samples during solidification was analyzed via scanning electron microscopy. Based on the fractal theory, the fractal dimensions related to particle and void sizes, particle and void distributions, and particle surface fluctuation were extracted using image processing software Image-Pro Plus and self-coded MatLab program. The relationship between microstructure parameters and macro-mechanical property indices was quantitatively explored. Results suggest that for both sandy soil and clay, the compressive modulus and shear strength increased linearly as curing agent dosage and curing age increased; while in microscopic sense, the growth in compressive modulus and shear strength is closely related with the mean area and mean diameter of particle.

solidified dredged soils; shear strength; compression deformation; microstructure; fractal dimension

2016-09-06；

2016-10-12

国家自然科学基金项目(50909057, 41772273)；上海市软科学研究重点项目(16692105400)；上海市教育委员会科研创新项目(15ZZ081)

史旦达(1979-)，男，浙江舟山人，副教授，博士，主要从事海洋岩土工程、海洋资源开发利用等方面的研究工作。E-mail:shidanda@163.com

10.11988/ckyyb.20160916

TU411

A

1001-5485(2018)01-0117-06

(编辑：陈 敏)