碱渣物理力学特性及动强度试验研究

谢 涛，袁春坤，龚晓龙，李青美，陈 通，王元战

(1.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，高新船舶与深海开发装备协同创新中心，天津 300072；2.中国路桥工程有限责任公司，北京 100011；3.天津港(集团)有限公司，天津 300461；4.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，长沙 410007)

文章编号：1005-8443(2020)06-0707-06

碱渣是利用氨碱法制碱过程中产生的工业废渣，平均每生产1 t纯碱，将会产生300～600 kg碱渣[1]。山东海化碱厂储存超过2 000万t的废渣[2]，排放的碱渣堆积成山，污染了周边地区的大气环境和水环境[3]。连云港碱厂堆放的碱渣占地数十平方公里[4]，阻碍了土地资源的利用和开发，对区域经济发展造成了严重的不良影响[3]。自20世纪20年代以来，天津碱厂通过氨碱法大规模生产纯碱[5]，由此产生并排放了大量碱渣，严重影响了天津港及其周边地区的环境和安全。因此，对碱渣进行综合利用，并解决其堆积占地和环境污染问题，是一个重要研究课题。将碱渣作为工程地基使用，用量大且施工工艺简单，能有效解决碱渣堆积占地和环境污染问题。田学伟[6]和李显忠[7]分别利用唐山碱厂和天津碱厂碱渣混合粉煤灰制成工程填垫土，经室内试验和现场试验证明了碱渣用于地基填垫的可行性。于水军等[8]研究了碱渣中游离氯离子对周围土壤和地下水质的影响，指出碱渣作为路基材料使用，符合公路建设标准和环保要求。

要将碱渣填埋作为地基大量应用于工程实际，首先要解决碱渣相关物理力学特性和承载力问题。由于碱渣与天然土类似，均为三相体系[9]，因而可借用土工试验方法对其物理力学特性和承载力问题进行研究。严驰、李琳[10-11]等通过击实试验和压缩试验研究了碱渣在不同含水量下的压缩特性，发现击实碱渣与超固结黏土的压缩变形特性相似。严驰等[12]通过室内静三轴试验研究了碱渣在不同含水量、干密度和龄期下的强度，发现这些因素的改变会对碱渣的抗剪强度产生显著影响，碱渣在最优含水率状态下的抗剪能力并非最高。而且碱渣在填筑施工中往往会受到相当大的压实荷载作用，这使得碱渣填埋作为地基时往往处于超固结状态。闫澍旺等[13]将碱渣与增钙灰、粉煤灰、水泥等材料拌合后形成了碱渣拌合土，通过试验验证了碱渣拌合土可以用于构筑房屋地基、路基等对变形和承载力要求较高的场地。

综上，前人对碱渣的研究主要基于基本物理性质试验以及静三轴试验，对碱渣的基本物理性质以及静强度进行了研究。然而由于试验土样土质以及试验方法的不一致，导致对碱渣基本物理性质的认识结论存在一定的出入。且现有的研究均是针对正常固结状态的碱渣，而实际工程中的碱渣一般处于超固结状态。另外，碱渣作为地基服役时往往会承受车辆等流动机械荷载的作用，前人得到的静力作用下的碱渣强度不能反应动荷载作用下碱渣的强度变化规律。为此，本文拟针对天津港原状碱渣，开展基本物理力学特性试验和动三轴试验，研究了碱渣的基本物理力学指标和循环荷载作用下超固结碱渣的强度变化规律，为碱渣应用于工程实际提供指导。

1 碱渣物理力学特性试验

表1 试样基本物理性质指标

1.1 试验材料及基本物理性质

试验所用碱渣为天津港原状碱渣，取样地点位于天津港北港池纳渣坑，取样深度为地下2～4 m。碱渣试样呈白色，以粉粒为主，试样表面湿滑、稍粘，触摸之后有明显涩感。根据土工试验规程[13]，分别采用烘干法、环刀法、比重瓶法、液塑限联合测定仪法对碱渣的含水率、天然密度、比重、孔隙比、液塑限进行测量，材料的基本物理性质指标具体见表1。

1.2 直剪试验

抗剪强度是材料剪断时产生的极限强度，反映材料抵抗剪切滑动的能力。直剪试验是测定材料抗剪强度指标最简便快捷的方法，通过该实验能够在短期内测得材料的抗剪强度指标。采用ZJ型应变控制式直剪仪对碱渣进行固结快剪试验，固结垂直压力分别取50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa。

试样初始高度为2 cm，底面积为30 cm2。试验开始前，先将试样的上下底面贴上滤纸和透水石，并置于直剪仪的剪切盒中；试样安装完成后，按试验需要在加压杠杆上加砝码盘和砝码，通过加压框架、传压盖和透水石将垂向压力依次传递给土样；待土样固结24 h后，开启变速箱电机，以0.8 mm/min的速率对试样进行快速剪切；剪切过程中记录测力环百分表的指针示数，当示数保持不变或明显后退时，停止试验。

不同固结垂直压力下碱渣的剪切应力与位移的关系如图1所示，碱渣在各级垂直压力作用下的剪切应力与位移的关系都为单峰曲线，峰值点对应的剪切应力即为碱渣在该垂直压力下的抗剪强度。由图1可得，碱渣的抗剪强度随着垂直压力的增大而增大，但增大趋势逐渐减少。以垂向压力P为横坐标，抗剪强度τ为纵坐标，绘制得到碱渣抗剪强度与垂向压力的关系曲线如图2所示。拟合曲线与水平线的夹角即为碱渣的内摩擦角φcu，与纵轴的交点即为碱渣的黏聚力ccu，由图可得碱渣的抗剪强度指标：内摩擦角φcu=9.8°，黏聚力ccu=36.9 kPa。

图1 碱渣的剪切应力与位移关系图

1.3 固结试验

碱渣的压缩特性是指碱渣受压时体积压缩变小的性质，将直接影响碱渣地基的变形值。固结试验是用于测定试样压缩特性最常用的方法，通过该试验能够得到试样的压缩系数、压缩指数、回弹指数等参数。采用WG型单杠杆固结仪，选取3个不同深度处的(浅层：2～3 m、中浅层：6～7 m、深层：9～10 m)碱渣试样进行标准固结试验，获得碱渣在不同埋深下的压缩-回弹-再压缩关系曲线。试验的加压等级p，共七级分别取12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa。

试样的初始高度为2 cm，底面积为30 cm2。试验开始前，先将试样的上下底面贴上滤纸和透水石，再放入固结容器中，并盖好上部加压盖板；试样安装完成后，先施加1 kPa预压荷载使各组件之间接触良好，再将位移百分表读数清零。然后分级施加荷载，每加一级荷载，按照一定的时间间隔记下位移百分表示数，直至试样每小时变形量不超过0.005 mm。读取最后一级荷载加载稳定后的位移百分表示数后，开始回弹试验，按前面分级加载的反向顺序，逐级卸去荷载，并按照一定的时间间隔记下位移百分表示数，直至试样每小时变形量不超过0.005 mm。回弹试验结束后，重复上述压缩试验的步骤开始再压缩试验，整理数据即可得到碱渣试样的压缩-回弹-再压缩曲线。

不同埋深下碱渣的压缩-回弹-再压缩曲线如图3所示。由压缩曲线可知，当固结压力较小时，碱渣的孔隙比随着固结压力的增大而快速减小；当固结压力较大时，相同荷载增量引起的孔隙比变化逐渐减小。在400 kPa的固结压力作用下，碱渣的孔隙比能够减小至初始孔隙比的2/3。将试样从400 kPa的固结压力下逐级卸荷回弹，其回弹变形速率呈先慢后快趋势，试样最终的回弹量仅占初次压缩量的5%～10%。另外，试样的再压缩曲线基本呈直线形态，在300 kPa之前始终位于回弹曲线之上。但当固结压力重新达到400 kPa后，试样的孔隙比与初次压缩时几乎一致，试样的再压缩变形略微超过回弹变形。

3-a 浅层3-b 中层3-c 深层

表2 不同埋深下碱渣的压缩特性指标

碱渣试样在不同埋深下的压缩指数、回弹指数等压缩特性指标见表2。根据土体压缩性的划分标准，当压缩系数av≥0.5 MPa-1时为高压缩性土。由表2可知，不同埋深下的碱渣的压缩系数均远大于0.5 MPa-1，这表明碱渣具有高压缩性。与碱渣的压缩指标相比，其回弹指数和再压缩系数均相对较小，这表明碱渣经预压后的可压缩性会显著减小。因此，在实际工程中，可以采用堆载预压的地基处理方法对碱渣地基进行处理。

2 碱渣动三轴试验

2.1 三轴试验方案

为了研究碱渣在循环荷载作用下的强度变化规律，解决碱渣的动承载力问题，拟对天津港原状碱渣开展室内动三轴试验。所用仪器为英国VJ-Tech公司生产的DSC3000M全自动动三轴仪，该仪器操作简便、精度高，能够实时了解试验过程中各物理量的变化，性能可靠。

图4 试验的加载过程

试验所用材料与前文一致，并将试样制成直径39.1 mm、高度80 mm的圆柱型试样。试验开始前，采用真空抽气饱和法对试样进行饱和，使碱渣试样饱和度达到98%以上，饱和完成后将试样装入动三轴仪中。试样安装完成后，首先在围压σc下对试样进行24 h的等向固结，对于正常固结试样，试样固结之后直接进入循环阶段；对于超固结试样，试样须经过回弹后再进入循环阶段。循环过程为应力控制，循环前首先在极短时间内施加与动偏应力σd等值的静偏应力，再设定好循环荷载的频率和循环次数，开始循环。循环结束后在剪切围压σs下进行不排水剪切，选取轴向累积应变达到15%作为碱渣不排水剪切试验的停止条件。试验的具体加载过程见图4。

试验主要分为2个部分，具体方案见表3。其中围压是指试样所承受的周围压力，动应力比是指试样循环过程中动偏应力与围压的比值，即CSR=σd/σc。超固结比是指试样先期所承受的最大轴向荷载与目前所承受的最大轴向荷载之比。当比值大于1时，称试样处于超固结状态；比值等于1时，称试样处于正常固结状态。在试验中一般都是利用固结围压与剪切围压的比值来作为试样的超固结比[14]，即OCR=σc/σs。

2.2 动三轴试验结果分析

表3 碱渣三轴试验方案

2.2.1 围压的影响

碱渣在不同围压下的应力应变曲线如图5所示。试样在各围压下的应力应变曲线均存在峰值，取试样应力应变曲线的峰值点作为其破坏点，破坏点对应的轴向偏应力q的一半即为试样的不排水剪切强度Cu。由图可得，当动应力比和超固结比一定时，碱渣试样的应力应变曲线随围压的增大整体向上移动，表明碱渣试样的强度随着围压的增大而增大。

碱渣在不同围压下的归一化应力应变曲线如图6所示。从图中可以看出当动应力比和超固结比一定时，不同围压下碱渣的应力应变曲线的发展趋势基本相同，即在试样所处的地下2～4 m范围内，当动应力比和超固结比一定时，围压对碱渣归一化应力应变曲线和归一化不排水剪切强度的影响并不是十分明显，由此在接下来的研究中主要以150 kPa围压来研究不同动应力比和超固结比对碱渣强度的影响。

图5 碱渣在不同围压下的应力应变曲线

2.2.2 超固结比和动应力比的影响

当围压一定时，不同超固结比和动应力比对碱渣强度的影响如图7所示。在相同的动应力比下，碱渣的强度随着超固结比的增大而降低。这是由于在固结围压与动应力比相同时，超固结比越大，其剪切围压越小，意味着试样在剪切过程中所受周围荷载的约束减弱，导致碱渣的强度随着超固结比的增大而降低。

图7 超固结比和动应力比对碱渣强度的影响

在相同超固结比下，碱渣的强度不随动应力比的增大而单调变化。当碱渣处于正常固结状态时，碱渣的强度随动应力比的增加而逐渐降低，这是因为循环荷载会使碱渣的孔隙水压力逐渐增大。根据有效应力原理，当外力一定时，试样的孔隙水压力与试样的强度成反比。因此，正常固结碱渣的强度随动应力比的增加而逐渐降低。而当碱渣处于超固结状态时，在循环荷载作用下，其强度受到循环压缩与剪胀效应的共同影响。剪胀会使试样的孔隙水压力逐渐减小，当剪胀效应大于循环压缩效应时，即动应力水平较低时，碱渣的强度会逐渐升高。而随着动应力比的增大，循环压缩效应又逐渐占据主动，碱渣的强度又会逐渐降低。特别当动应力比为0.4时，重超固结试样(OCR=4、6)在循环过程中已发生破坏，碱渣的强度已大幅度降低。因此，超固结碱渣的强度随着动应力比的增大先增加后减小。

3 结论

针对天津港原状碱渣开展了基本物理力学特性和动三轴试验，研究了碱渣的基本物理力学指标和循环荷载作用下的强度变化规律。主要结论如下：

(1)碱渣在各级垂直压力作用下的剪切应力与位移的关系都为单峰曲线，其剪切应力随着垂直压力的增大而增大，但增大趋势逐渐减少。

(2)碱渣具有高压缩性，与碱渣的压缩指标相比，其回弹指数和再压缩系数均相对较小，这表明碱渣经预压后的可压缩性会显著减小。在实际工程中，可以采用堆载预压的地基处理方法对碱渣地基进行处理。

(3)当动应力比和超固结比一定时，碱渣的强度随着围压的增大而增大；当围压和动应力比一定时，碱渣的强度随超固结比的增大而逐渐降低。对于正常固结碱渣(OCR=1)，当围压一定时，碱渣的强度随动应力比的增大而逐渐降低，对于超固结碱渣(OCR>1)，当围压和超固结比一定时，碱渣的强度随动应力比的增大先增大后减小。